Neue Kältemaschinen, halber Energieeinsatz

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• Signifikante Energieeinsparungen, geringere CO₂-Emissionen, niedrigere TEWI-Werte und eine hohe Verfügbarkeit waren für den Einsatz von Quantum-Kältemaschinen beim Tiefdruckkonzern Prinovis entscheidend.
• Bei Prinovis werden die beiden Quantum-Maschinen für die Klimakälte-Versorgung eingesetzt und erreichen im Teillastbetrieb EER-Werte von min­destens 10.
• Aufgrund des geräuscharmen und schwingungsfreien Betriebs der neuen Kaltwassererzeuger mit insgesamt 2,4 MW Kälteleistung konnte auf ursprünglich geplante Schallschutzmaßnahmen verzichtet werden.

Die internationale Unternehmensgruppe Prinovis ist der größte Tiefdruckkonzern Europas. Neben höchster Qualität im Tiefdruck und in der Weiterverarbeitung bietet das Unternehmen Creative Solutions (mit Werbeagentur, Fotostudios und eCommerce-Services) sowie Digital Solutions (eMagazines für Tablet-PCs, Mobile Couponing und virtuelle Anprobe sowie Guided Shopping) an. Klima- und Umweltschutz bilden einen wichtigen Grundsatzpfeiler der Konzernphilosophie: So untersucht Prinovis detailliert die Verwendung von ökologisch verträglicher Technik unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte und setzt diese im Unternehmen ein. Hierzu gehören unter anderem die Produktion, die Gebäudeklimatisierung sowie nutzungsspezifische Anlagen.

Entscheidend für die Zusammenarbeit mit Cofely Refrigeration und den Einsatz der Quantum-Kältemaschinen waren unter anderem die möglichen Einsparungen beim Energieverbrauch, die damit verbundene Reduzierung der CO₂-Emissionen sowie die niedrigen TEWI-Werte¹⁾. Aufgrund der projektspezifischen Merkmale konnte die Umrüstung im Rahmen der Klimaschutzinitiative des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) in der Kategorie „Basisförderung von Altanlagen“ gefördert werden.

Hohe Effizienz bei Teillast

Die neue Anlageninstallation besteht aus zwei bau- und spezifikationsgleichen, wassergekühlten Quantum-Kältemaschinen mit einer Gesamtkälteleistung von 2,4 MW Abb. 1. Die Kältemaschinen haben jeweils drei magnetgelagerte und damit ölfreie, drehzahlgeregelte Radialturboverdichter. Als Kältemittel kommt R134a zum Einsatz. Die kaltwasserseitige Rohrleitungsführung und Pumpendimensionierung wurde im Zuge der Sanierung optimiert und an die neue Anschlusssituation angepasst. Rückkühlseitig sind die Quantum-Kältemaschinen an eine gemeinsame Kühlturm-Bestandsinstallation angeschlossen. Zum Einsatz kommen die Kältemaschinen bei Prinovis für die Kaltwasserversorgung der raumlufttechnischen Anlagen der Verwaltung und des Rechenzentrums sowie spezieller Produktionsbereiche.

Im Gegensatz zu einer leistungs- und kaskadenorientierten Zuschaltung, wie sie beispielsweise bei ölbehafteten Schraubenverdichtern eingesetzt wird, zeichnen sich die eingesetzten Kältemaschinen durch eine maschinenübergreifende, verbundbetonte und teillastoptimierte Betriebsweise aus. Dieser auf Energieeffizienz optimierte Anlagenbetrieb basiert auf dem parallelen Betrieb einer hohen Anzahl von Kompressoren mit günstigem Wirkungsgrad(verlauf) bei niedriger Drehzahl. Die regelungstechnische Umsetzung der Kälteanlagen erfolgt über einen übergeordneten Kälte- bzw. Anlagenmanager, der den jeweils energetisch günstigsten Betriebspunkt des Gesamt-Anlagensystems auswählt.

Positive Nebeneffekte dieses Betriebskonzepts sind der durch die abgesenkte Verdichterdrehzahl minimierte mechanische Stress für die Verdichter sowie der automatische Laufzeitausgleich, der das traditionelle Sequenzing für Stand-by-Maschinen fast vollständig ersetzt. Charakteristisch für die Quantum Kältemaschinen ist zudem, dass die Anpassung der Kälteleistung über den gesamten Regelbereich hinweg über ein einziges Expansionsventil erfolgt. Dies bewirkt, dass für den Teillastbetrieb die gesamte Wärmeübertragerfläche thermodynamisch aktiv zur Verfügung steht und ebenfalls zur Effizienzsteigerung beiträgt. Gleichzeitig zeichnen sich die Kaltwassersätze durch einen niedrigen Anlaufstrom von stets weniger als 5 A sowie einen geräuscharmen und schwingungsfreien Betrieb aus.

Zentimeterarbeit bei der Einbringung

„Größte Herausforderung war die Einbringung der Kältemaschinen in die Kältezentrale in einer Höhe von ca. 11 m – es ging um Zentimeter. Zwei mobile Lastkräne waren erforderlich, um die Maschinen an und durch die Einbringöffnung zu manövrieren“, berichtet Torsten Lankenau, Vertriebsingenieur von Cofely Refrigeration. „Dennoch verlief die Umsetzung ohne größere Schwierigkeiten.“ Abb. 2

Prinovis profitiert nun von hohen EER (Energy Efficiency Ratio)-Werten, die das Verhältnis der abgegebenen Kälteleistung zur aufgewendeten elektrischen Antriebsleistung angeben. Bei Prinovis erreichen die Maschinen im Teillastbetrieb EER-Werte von mindestens 10 und verringern die Betriebskosten für die Kälteerzeugung deutlich. Ursprünglich vorgesehene schalltechnische Maßnahmen, um die Schallabstrahlung über die Blech-Paneel-Wand der Kältezentrale zu verringern, waren aufgrund des geräuscharmen und schwingungsfreien Laufverhaltens der Quantum-Maschinen nicht mehr erforderlich, die Investitionskosten hierfür konnten eingespart werden.

Hohe Ansprüche an Verfügbarkeit

Neben der hohen Energieeffizienz der Kälteanlagen waren für den Druckkonzern bei der Wahl der neuen Kältelösung weitere Faktoren entscheidend. So stellt die hochsensible Fertigung der Tiefdruckzylinder besonders hohe Anforderungen an das Sicherheits- und Redundanzkonzept der infrastrukturellen Einrichtungen für die prozesstechnische Medienversorgung.

Quantum-Kältemaschinen können eine besonders hohe Kälteverfügbarkeit gewährleisten. Fällt ein Verdichter aus, kompensieren die restlichen in Betrieb befindlichen Kompressoren die dann fehlende Kälteleistung durch Anheben der Drehzahl – Kälteleistung und Kaltwasseraustrittstemperatur bleiben konstant und die kaltwassertechnische Versorgung erhalten. Im Ernstfall lassen sich die Verdichter auch bei laufendem Anlagenbetrieb austauschen Abb. 3. Cofely Refrigeration stellt hierfür die kurzfristige Verfügbarkeit von Ersatzteilen sicher. Sonstige Einzelteile sind aufgrund der Verwendung von handelsüblichen Komponenten standardmäßig verfügbar und können vom Betreiber unabhängig vom Dienstleister organisiert werden.

Detaillierte Simulation

Für einen reibungslosen Ablauf des Projekts unterstützten Kälte-Experten von Cofely Refrigeration Prinovis bereits im Vorfeld bei der Planung und standen bei der Systemfindung beratend zur Seite. Mit dem unternehmenseigenen Analysetool Coolcompare (Webcode 327864) wurden die Bestandsanlage sowie diverse Kältemaschinen und Systemvarianten der Neuinstallation betriebstechnisch simuliert und energetisch bewertet.

Der über alle Betriebsbedingungen hohe Detaillierungsgrad sorgte hierbei für Plausibilität und Transparenz bei der abschließenden Bewertung und Stellung der Förderanträge beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). Die staatliche Förderung setzt die Durchführung eines sogenannten „Status-Check“ mit der Ermittlung der Energieeffizienz der bestehenden Altanlage voraus. Gleichzeitig spielten bei der Genehmigung vor allem auch Minderungspotenziale beim Energieverbrauch, die Leistungsaufnahme, Betriebskosten sowie die Klimabelastung durch Kältemittel und Energieträger eine zentrale Rolle.

Da der elektrische Energieverbrauch der Altanlage mehr als 150000 kWh/a betrug und durch die detaillierte Simulation ein Energie­verbrauchsminderungspotenzial von mindestens 35 % durch den Einsatz der neuen Kälteanlage darstellen konnte, waren die Voraus­setzungen für die staatliche Nettoinvestitionskosten-Förderung von 15 % erfüllt. „Dank der detaillierten Planungsphase konnten wir die in der Simulation aufgezeigten Verbrauchswerte sogar teilweise unterschreiten – das zeigen uns die Daten, die wir nach der Inbetrieb­nahme unserer neuen Anlage ermittelt haben“, so Wolfgang Manteuffel, Leiter Betriebstechnik bei Prinovis in Itzehoe. „So benötigen wir mit den Quantum-Kältemaschinen ins­gesamt 48 % weniger Energie für die Kälte­versorgung als zuvor mit den Kolbenverdichter-Maschinen. Gleichzeitig profitieren wir mit dem neuen Kältesystem von einer nach­haltigen Lösung, die uns eine ganze Reihe von zusätzlichen Nutzen bietet.“ •

1) TEWI: Der „Total Equivalent Warming Impact“ berücksichtigt die ­gesamte Menge an Treibhausgasen, die durch den Betrieb einer Anlage über ihren gesamten Lebenszyklus in die Atmosphäre gelangen. Dabei werden die direkte und die indirekte Treibhausbelastung einbezogen.

…sind das Kernprodukt von Cofely Refrigeration. Die Flüssigkeitskühlsätze für Anwendungen von 250 kW bis 3 MW erreichen insbesondere bei dynamischen Kühllastprofilen eine sehr hohe Energieeffizienz und erzielen im Austauschgeschäft erhebliche Energiekosteneinsparungen. Parallel geschaltete Kompressoren erhöhen die Betriebssicherheit. Durch drehzahlgeregelte Radialturboverdichter mit ölfreier Magnetlagerung weist die Quantum-Baureihe beste kältetechnische Wirkungsgrade mit einem Wirkungsgradanstieg bei Teillast auf.

TGA-Planer: Mit dem Analysetool Coolcompare von Cofely Refrigeration können Bestandsanlagen sowie Systemvarianten für eine Neuinstallation betriebstechnisch simuliert und energetisch sehr genau bewertet werden.

Anlagenbauer: Quantum-Kältemaschinen bieten eine besonders hohe Kälteverfügbarkeit. Fällt ein Verdichter aus, kompensieren die restlichen in Betrieb befindlichen Kompressoren seine Kälteleistung durch Anheben ihrer Drehzahl – Kälteleistung und Kaltwasseraustrittstemperatur der Maschine bleiben konstant.

Bauherren: Die Optimierung von Kälteanlagen kann im Rahmen der nationalen Klimaschutzinitiative des Bundesumweltministeriums gefördert werden (Impulsprogramm für Klimaschutzmaßnahmen an gewerblichen Kälteanlagen, http://www.bmu-klimaschutzinitiative.de).

ist Leiter Sales Support bei der Cofely Refrigeration GmbH, 88131 Lindau, http://www.cofely-refrigeration.de