Erkan Sezer PhotoGraphy
Mit einem Pilotprojekt bringt Audi am Standort Ingolstadt das natürliche Kältemittel NH3 zurück in seinen Kältemaschinenpark. Interessant ist das vor allem, weil dabei eine R134a-Bestandskälteanlage ausgetauscht wurde. Rütgers aus Mannheim spielte dabei eine wichtige Rolle.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Mit dem Aufkommen synthetischer Sicherheitskältemittel und ihrem Einsatz in standardisierten Kältemaschinen sind natürliche Kältemittel in den letzten Jahrzehnten für viele Anwendungsbereiche „aus der Mode“ gekommen.
■ Inzwischen zeigt sich aber, dass Kälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln für die aktuellen bzw. die erwarteten Randbedingungen unter betriebswirtschaftlichen und weiteren Gesichtspunkten in immer mehr Anwendungsbereichen überzeugende Vorteile haben.
■ Ein schon im Jahr 2019 bei Audi gestartetes Pilotprojekt zeigt, dass sich sehr hohe Anforderungen an die Kälteversorgung, die Betriebssicherheit und auch die Wirtschaftlichkeit mit natürlichen Kältemitteln – im konkreten Fall mit Ammoniak (R717) – realisieren lassen.
Eine der führenden deutschen Premiummarken ist Audi. Seit mehr als 70 Jahre baut das Unternehmen in Ingolstadt Automobile und hat dort seit 1985 seine Konzernzentrale. Am gleichen Standort befinden sich auch die technische Entwicklung sowie die weltweit größte Produktionsstätte des Konzerns. Folgerichtig braucht es am Stammsitz große Mengen Energie, insbesondere in Form von Strom, Wärme und Kälte. Aus der Historie des Standorts ergibt sich, dass zahlreiche Energieanlagen auf den heutigen Stand der Technik erneuert werden müssen.
Pilotprojekt Kältetechnik
Bei dem Kältetechnik-Pilotprojekt ging es um den Austausch von zwei Flüssigkeitskühlern (2 × 390 kW). Wie viele Bestandsanlagen dieser Größenordnung arbeiteten auch diese Kaltwassersätze mit dem weit verbreiteten Kältemittel R134a der Sicherheitsklasse A1. Der grundlegende Unterschied zu einem natürlichen Kältemittel ist dessen hoher GWP-Wert von 1430. Verglichen dazu liegt beispielsweise das Treibhauspotenzial von R717 (Ammoniak) bei einem GWP von 0. Betrachtet man das CO2-Äquivalent für die beiden Flüssigkeitskühler, dann ergibt sich aus der Kältemittelbefüllung (2 × 120 kg R134a) durch die Umstellung auf R717 ein um 343 t CO2-Äquivalent geringeres Treibhauspotenzial (bei einer Freisetzung des Kältemittel in die Atmosphäre).
Der Entscheidungsprozess
Das Projektziel bei Audi war ein 1:1-Austausch der beiden Bestandsanlagen. Vor allem deren erreichte Nutzungsdauer, aber auch die Energieeffizienz, die Störanfälligkeit sowie die langfristige Versorgungssicherheit trugen zur Entscheidungsfindung bei. Im Laufe dieses Prozesses kam in der Planungsphase die Frage auf, welches alternative Kältemittel zum Einsatz kommen soll. Zu diesem Zeitpunkt war bereits klar, dass R134a durch eine langfristig zukunftssichere Lösung abgelöst werden solle.
Mit der Fachplanung wurde das Ingenieurbüro Scholz beauftragt, dass im Rahmen der Planung verschiedene Kältemittelalternativen untersucht und der Audi AG somit eine Entscheidungsgrundlage vorlegte hat.
„Da wir bei diesem Projekt eine freistehende Kältezentrale hatten, die nur von geschultem Fachpersonal betreten wird, kamen wir früh auf die Idee, dass es sich für ein natürliches Kältemittel eignen könnte“, beschreibt Dieter Schelle den Entscheidungsprozess. Schelle ist in der Abteilung Energy / Building Technology Planning für die Planung der Kältetechnik im Werk Ingolstadt verantwortlich.
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Nach allen Abwägungen bezüglich Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz, Umweltschutz, Investitionskosten, Betriebskosten und Aufstellbedingungen fiel die Entscheidung, dass natürliche Kältemittel Ammoniak (R717, NH3) einzusetzen, obwohl dies mit Mehrkosten gegenüber anderen Kältevarianten verbunden war. Eine anschließende Marktanalyse durch Audi und das Ingenieurbüro Scholz ergab, dass eine Kältemaschine von GEA besonders geeignet sein könnte. Mit dieser ging nebst weiteren Alternativen eine Ausschreibung in den Markt.
Die Wahl der Kältemaschine
Über diesen Weg ergab sich eine erneute Zusammenarbeit mit der auf Kältetechnik, Klimatechnik und Industriekühlung spezialisierten Firma Rütgers GmbH & Co.KG aus Mannheim. Zunächst bestätigte Tino Leyrer, Vertriebsleiter für Baden und die Südpfalz, die bisherigen Überlegungen im Planungsprozess. „Auch aus unserer Sicht machte es Sinn, das bisherige Kältemittel R134a durch eine natürliche Alternative zu ersetzen. Da mit einer Anlagenlaufzeit von mehr als 20 Jahren zu rechnen ist, wäre unter der gegebenen Verordnungslage ein weiter wie bisher wenig nachhaltig, noch dazu riskant geworden.“
Dabei hatte Leyrer auch immer die aktuellen Entwicklungen der F-Gase-Verordnung im Blick. Tatsächlich war bereits 2019, als der Planungsprozess begann, abzusehen, dass R134a als eines der nächsten halogenierten Kältemittel durch den Phase-Down betroffen sein wird. Die Folgen für Audi als Betreiber, selbst bei Bestandsschutz: Ansteigende Kältemittelpreise über die lange Laufzeit, eventuell sogar Versorgungsengpässe und irgendwann das Verbot. Erst dann zu reagieren wäre für ein Unternehmen wie Audi nicht akzeptabel.
„Uns haben die ausgewählten wassergekühlten Flüssigkeitskühlsätze BluAstrum von GEA gut gefallen“, berichtet Schelle. Von den Leistungsdaten und Abmessungen waren die beiden Aggregate nahezu identisch mit den Bestandsanlagen und für die Aufstell- und Anschlussbedingungen in der Kältezentrale gut geeignet. Weitere Änderungen des Kältesystems auf Seiten der Rückkühlung waren nicht vorgesehen. Gleiches galt für die Kaltwasserseite.
Kein unbekanntes Kältemittel
Mit Ammoniak hatte man bei Audi in Ingolstadt bereits in den 1980er-Jahren Betriebserfahrungen gesammelt. Dann entwickelte sich das Anlagenangebot für synthetische Kältemittel rasant. Weil diese damals als sogenannte Sicherheitskältemittel eingestuft wurden, stellten viele Betreiber darauf um. Für Flüssigkeitskühler und Kaltwassersysteme wurde R134a zu einer der gängigsten Alternativen. Auch bei Audi.
„In unserem Werk wurden in den vergangenen Jahrzehnten alle R717-Kältemaschinen zurückgebaut. Darum hat unser Betriebspersonal keine Praxiserfahrungen mehr mit Ammoniak.“ Dennoch steht auch Anton Rohn zu 100 % hinter dem Comeback. Rohn ist der Betriebsverantwortliche für die Kälteversorgung im Werk, arbeitet ebenfalls in der Gruppe Energy / Building Technology Planning und ist deshalb im ständigen Austausch mit Dieter Schelle. „Wir waren uns schnell einig, dass dieses Projekt ideal als Pilot dafür geeignet ist, neue Erfahrungen und das notwendige Know-how zum Betrieb unserer Kältemaschinen mit Ammoniak aufzubauen.“
Dafür erhielt das Personal Sicherheitsschulungen von Rütgers zusammen mit GEA, aber auch über einen unabhängigen Sachverständigen, welcher ebenfalls in die Projektierung und spätere Inbetriebnahme eingebunden war. Denn R717-Kälteanlagen zählen gemäß Betriebssicherheitsverordnung zu den überwachungsbedürftigen Druckanlagen. Sie müssen vor einer erstmaligen Inbetriebnahme und dann in festgelegten Zeiträumen wiederkehrend geprüft werden. Langfristig soll R717 bei Audi in den Maschinenpark zurückkehren. Für den Anlagentausch und gegebenenfalls auch für den Neubau. „Wir wollen mit diesem Pilotprojekt Erfahrungen sammeln, die Vor- und Nachteile abwägen, damit wir die Kälteversorgung in Ingolstadt überall dort auf natürliche Kältemittel umstellen können, wo es für uns unter allen Aspekten sinnvoll ist“, so Dieter Schelle und Anton Rohn.
Die Realisierung
Es klang bereits an: Der Planungsprozess für das Pilotprojekt startete bereits im Jahr 2019 und für das Frühjahr 2022 war der Umbauzeitraum eingeplant. „Die Montageplanung kam gut voran“, erinnert sich Leyrer. „Die vorgeschlagenen Kältemaschinen passten. Nach einer Prüfung des Aufstellraumes waren alle Sicherheitsabstände eingehalten, Fluchtwege frei, Zusatzschulungen für das Betriebspersonal beschlossen.
Dann kam die Coronavirus-Pandemie und es entstanden unerwartete Verzögerungen. „Zwar nicht bei unserem Lieferanten GEA, dafür waren bald Verfügbarkeitsprobleme im Bereich MSR-Technik absehbar. Aber um an dieser Stelle vorzugreifen: Audi ließ nach Abschluss des Planungsprozesses trotzdem unsere Maschinen anliefern und lagerte sie zwischen, um den Umbau anzugehen, sobald alle Anlagenteile geliefert waren.“
Wie Leyrer weiter beschreibt, konnte der Umbau nach der Terminverschiebung reibungslos vonstattengehen. Im Winter 2022/23 ging es dann endlich los. Während der Umbauphase wurde die Kaltwasserversorgung über eine Mietkältelösung gesichert. Alles klappte wie geplant, sodass Audi die neuen Kältemaschinen GEA BluAstrum im Mai 2023 in Betrieb nehmen konnte.
Sicherheitsanforderungen
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Tatsächlich bedeutet R717 höhere sicherheitstechnische Anforderungen. Dazu gehört beispielsweise eine Gaswarnanlage zur Leckage-Überwachung des Kältemittelkreises, die bereits der Sachverständige gemäß Betriebssicherheitsverordnung vorgab. Schelle: „Wir haben interne Vorschriften, die über DIN EN 378 (Aufstellbedingungen für Kältemaschinen) noch hinausgehen. Da Sicherheit und Arbeitsschutz bei Audi höchste Priorität haben, wir außerdem neue Erfahrungen mit Ammoniak sammeln wollen, kamen wir den erhöhten Anforderungen gerne nach.“
Die Gaswarnanlage inklusive der Steuerung der Abluftventilatoren wurde von Rütgers neu geliefert und befindet sich heute in einem separaten Schaltschrank neben den Kältemaschinen. Tatsächlich müsste im Falle einer Kältemitteldetektion der Aufstellraum der Kältemaschine stromlos geschaltet werden. An dieser Stelle kommt ein großer Vorteil der GEA-Kältemaschinen zum Tragen, denn das Innere des Gehäuses der Kältemaschine konnte als separater Aufstellraum definiert werden. So kann im Falle einer Kältemitteldetektion an einer Kältemaschine die zweite problemlos weiterhin betrieben werden, während die betroffene Kältemaschine stromlos geschaltet wird. Rohn: „Eine Stromabschaltung für die gesamte Technikzentrale würde die gesamte Kälte- und Kühlwasserzentrale mit allen Verbrauchern betreffen, was keine Option wäre. Durch diese Lösung bleiben wir aber immer handlungsfähig und im Kühlbetrieb.“
Ein weiterer Teil der Separater-Aufstellraum-Gehäuse-Lösung ist ein Ventilator pro Flüssigkeitskühler, um eventuell austretendes Ammoniak innerhalb des Gehäuses sofort über das Dach nach draußen zu befördern. Die Ventilatoren kühlen außerdem den Verdichter im Gehäuse und werden deshalb neben der sensorischen Kältemittelüberwachung auch über einen temperaturgeführten Regler gesteuert.
Die Einhausungen sorgen für zusätzliche Sicherheit im Maschinenraum und dämpfen die Schallemissionen der Schraubenverdichter auf ein kaum wahrnehmbares Geräusch. Keine Veränderungen gab es hingegen auf Seiten des Rückkühlers und der angeschlossenen Kühlstellen – RLT-Anlagen und Umluftkühler in einem Prüfraum. Der Kühlturm blieb in Betrieb und auch die bereits bestehenden Kälteabnehmer werden wie gehabt über das Kaltwassernetz (6/12 °C) versorgt.
Rütgers
Ein- und Ausblick
Inzwischen liegen erste Erfahrungen mit den neuen R717-Anlagen vor. „Nach der üblichen Einregulierungsphase gab es bislang keine Schwierigkeiten“, bestätigen Dieter Schelle und Anton Rohn. „Bis jetzt sind wir sehr zufrieden.“ Für die Kälteversorgung der angeschlossenen Prüfräume muss eine durchgehende und konstante Versorgung sichergestellt werden, deshalb sind die beiden Kältemaschinen redundant aufgebaut. Der gute Start macht die Verantwortlichen bei Audi optimistisch. Schelle: „Aus den Erfahrungen mit dieser Anlage können wir wichtige Schlüsse ziehen, die sicher in zukünftige Anlagen einfließen werden.“
Auch Leyrer freut sich über die Erfahrungen seines Kunden. „Wir wussten eigentlich schon immer, dass Ammoniak auch für die Klimakälte mit Kaltwassernetzen eingesetzt werden kann – nicht nur für die Prozess- und Großkälte. Dass unsere Partner bei Audi jetzt sogar den Anlagenbestand anpacken, zeigt umso besser, welche Möglichkeiten in diesem natürlichen Kältemittel noch stecken. Bei diesem Projekt fiel unter verschiedenen Optionen die Wahl auf die Kältemaschinen von GEA, weil sie allen, also auch den räumlichen Gegebenheiten, am besten gerecht wurden. Für andere Projektanforderungen können wir auf ein großes Portfolio verschiedener Hersteller und auch auf andere natürliche Kältemittel wie Propan (R290), oder CO2 (R744) zugreifen.“
Vor dem Hintergrund der Verschärfungen durch die F-Gase-Verordnung sollten natürliche Kältemittel ab sofort in der Vorplanungsphase von Kaltwassersystemen größerer Kälteleistung in Betracht gezogen werden. Gerade für wassergekühlte Kompaktmaschinen bietet der Markt inzwischen standardisierte Lösungen, die für Betreiber akzeptable Investitionskosten, vor allem aber nachhaltige Lösungen bedeuten. Achim Frommann, PR Werkstatt NutzWort, Sasbach
Großkälteanlagen mit R717
Ammoniak (R717) wird in der Prozesskühlung eingesetzt, eignet sich aber auch für Klimakälte mit Kaltwassernetzen, ist in vielen industriellen Anwendungen als Kältemittel weit verbreitet und wird auch für die Wärmebereitstellung in Nahwärmenetzen eingesetzt. Hintergrund sind günstige thermodynamische Eigenschaften und eine hohe Energieeffizienz in einem breiten Anwendungsspektrum. Die Vorteile von Ammoniak als Kältemittel:
1. Hohe volumetrische Kälteleistung: Ammoniak kann große Mengen Wärme mit einer vergleichsweise kleinen Kältemaschine abführen. Dafür bieten sich insbesondere die Industrie- und Prozesskälte an. Es kann aber auch in der Klimakälte für Zweckbauten und bei Kältezentralen interessant werden. In den beiden wassergekühlten GEA-BluAstrum-Kältemaschinen mit jeweils 390 kW Kälteleistung befinden sich jeweils nur 38 kg Ammoniak.
2. Temperaturflexibilität: Ammoniak kann in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Dies macht es vielseitig und anpassbar an die Anforderungen vieler verschiedener Anwendungen.
3. Wirtschaftlichkeit: Ammoniak ist im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln kostengünstig und dauerhaft sehr gut verfügbar. Das macht es für Betreiber zu einer wirtschaftlichen und sicheren Wahl.
4. Umweltverträglichkeit: Ammoniak hat kein Treibhausgas-Potenzial und ist somit auch bei einer Freisetzung nicht klimawirksam. Darum fällt es nicht unter Regulierungen, beispielsweise der F-Gase-Verordnung über fluorierte Treibhausgase.
5. Effizient und sparsam: Ammoniak-Kältesysteme sind bekannt für ihre hohe Energieeffizienz. Sind die maximale Kälteleistung und die Kältemenge groß, werden die Betriebskosten und die spezifischen Gesamtkosten minimiert.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Ammoniak als Kältemittel der Sicherheitsgruppe B2L auch einige Herausforderungen mit sich bringt, insbesondere in Bezug auf die Sicherheit. Aufgrund seiner Toxizität und des Panikpotenzials erfordert die Verwendung von Ammoniak strenge Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise Gaswarnsysteme, gut belüftete Räume, Sicherheitsausrüstung und Schulungen für das Personal. Darüber hinaus sind Kälteanlagen aufgrund korrosiver Eigenschaften von Ammoniak etwas teurer.
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