Gründe für die CO₂-Kühlung in warmen Klimazonen

Montag, 1. Februar 2016

Seit einem Jahrzehnt oder länger wird das Potenzial von CO₂-Kältetechnik in Supermärkten in Nordeuropa erkannt: Dank seiner einzigartigen Eigenschaften, insbesondere der hohen Wärmeübertragungskoeffizienten und der geringen Empfindlichkeit gegenüber Druckverlusten, bietet CO₂ eine hohe Leistung in Supermarktanwendungen.
In wärmeren Regionen waren die Vorteile von CO₂ für Anwendungen im Lebensmitteleinzelhandel umstritten. In den letzten Jahren hat das Interesse im zukunftsorientierten Lebensmittelhandel jedoch zur Entwicklung neuer Technologien geführt, mit denen sich ein effizienter Einsatz von CO₂-Systemen auch in wärmeren Klimazonen realisieren lässt. Neue Technologien haben sich als hocheffiziente Lösungen erwiesen, dem Lebensmittelhandel dabei zu helfen, die Komplexität der Systeme zu verringern und derzeitige sowie zukünftige Vorschriften zu herkömmlichen Kältemitteln zu erfüllen.

In diesem Artikel werden wir die Vor- und Nachteile verschiedener Lösungen für die CO₂-Kühlung in wärmeren Klimazonen untersuchen – von einfachen Kaskadenanlagen bis hin zur fortschrittlichen Ejektor-Technologie, die in Zukunft neue Maßstäbe für die CO₂-Kühlung setzen soll.

CO₂ ist eines der umweltverträglichsten Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial von nur 1; es ist ein Nebenprodukt diverser Industrien, und der Preis von CO₂ als Kältemittel ist sehr niedrig.

CO₂-Kaskadenanlagen – Gute Leistung, jedoch hohe Komplexität

In wärmeren Klimazonen spielt CO₂ seit einigen Jahren eine Rolle, typischerweise in subkritischen Kaskadenanlagen, die es CO₂ ermöglichen, eine optimale Leistung zu liefern. Eine Kaskadenanlage kombiniert die Vorteile von CO₂ im Sekundärkreis mit einem anderen Kältemittel im Primärkreis und sorgt so für eine hohe Energieeffizienz in warmen Klimazonen. Allerdings sind die Anschaffungskosten und die Komplexität der Kaskadenanlage hoch und stellen ein Hindernis für eine verstärkte Nutzung von CO₂ im Lebensmitteleinzelhandel dar. Dies zeigt sich insbesondere bei kleineren Anlagen, bei denen die Komplexität von Kaskadenanlagen die Anschaffungskosten erhöht, für die kleinflächige Geschäfte besonders anfällig sind.

Abbildung 1: Transkritische CO₂-Boosteranlage mit Zwischenverdichter

Transkritische Boostersysteme – Industriestandard heute

Das transkritische Boostersystem ist heute die am weitesten verbreitete CO₂-Lösung mit derzeit mehr als 7.000 Systemen mit Komponenten von Danfoss. Das System ist insbesondere in gemäßigten Klimazonen beliebt, während in wärmeren Klimazonen eine stärkere Entwicklung der Technologie erforderlich ist, um eine ähnliche oder bessere Energieeffizienz zu erreichen als bei künstlichen Lösungen. Diese Technologien werden im folgenden Abschnitt behandelt.

Abbildung 2: Merkmale des transkritischen CO₂-Boostersystems

Parallel-Verdichtung – Höchst effizient in warmen Klimazonen
Bei den Bemühungen um Vereinfachung und Energieeffizienz wurden weitere Lösungen entwickelt, die den Einsatz von CO₂ als einziges Kältemittel in der Kältetechnik für Supermärkte ermöglichen. Die Parallel-Verdichtung ist der erste Schritt auf dem Weg, um CO₂ zu einer attraktiven Lösung in wärmeren Klimazonen zu machen, insbesondere für größere Anlagen. Die Parallel-Verdichtung wird daher als hocheffiziente CO₂-Lösung ständig weiterentwickelt.

Die Parallel-Verdichtung ist eine Lösung, bei der das überschüssige Gas auf das höchstmögliche Druckniveau verdichtet wird, um die Energieeffizienz zu steigern. Die Lösung führt zu einer signifikanten Verbesserung der COP-Werte in warmen Klimazonen.

Verdunstungskondensation und mechanische Unterkühlung – Lokale Lösungen für kleine Systeme

Bei der Verdunstungskondensation wird Wasser zur Kühlung des Gases bei transkritischen CO₂-Anwendungen eingesetzt. Die Lösung ist besonders geeignet für kleine Kälteanlagen und sehr attraktiv, wenn sie mit Klimaanlagen vor Ort kombiniert werden kann. Die durch die Lösung erzielte Energieeinsparung beträgt in warmen Klimazonen etwa 5–10 %. Darüber hinaus ist es möglich, bis zu 50 % der Verdichterleistung einzusparen; allerdings wird die Leistung üblicherweise vom zusätzlichen Kühlgerät benötigt.

Die Lösung ist nur in Regionen anwendbar, in denen es keine Einschränkungen bei der Wasserversorgung gibt. Darüber hinaus haben mehrere Märkte den Einsatz der Verdunstungskondensation aufgrund der Gefahr einer Kontamination des in der Anwendung verwendeten Wassers mit Legionellen eingeschränkt. Die Verdunstungskondensation gilt als Übergangslösung, die die Lücke in der CO₂-Kühlung schließt, bis andere und sicherere Lösungen ausgereift sind.

Die mechanische Unterkühlung ist noch eine weitere Lösung, die in den letzten Jahren entwickelt worden ist, um die transkritische CO₂-Kühlung in wärmeren Klimazonen rentabel zu machen. Bei der mechanischen Unterkühlung wird ein kleiner mechanischer Dampfverdichtungskreislauf verwendet, der mit dem Hauptkreislauf am Ausgang des Verdichters gekoppelt ist, um für eine Unterkühlung des Hauptkältekreislaufs zu sorgen.
Das Zusatzgerät schaltet sich nur dann ein, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet, und sorgt so für Energieeinsparungen bei Spitzenbelastungen.

Abbildung 5: Darstellung der Verdunstungskondensationseinheit für einen kleinen Supermarkt

Ejektor – Steigert die Effizienz der Parallel-Verdichtung

Der Ejektor ist eine bekannte Technologie, die seit mehr als hundert Jahren in verschiedenen Anwendungen, insbesondere in der Wasserversorgung, eingesetzt wird, um den Druck im System aufrechtzuerhalten. In enger Zusammenarbeit mit SINTEF hat Danfoss neue Möglichkeiten entwickelt, die Ejektor-Technologie in Kälteanwendungen einzusetzen, um die Energieeffizienz der Parallel-Verdichtung zu erhöhen.

Derzeit liefern die aktuellen Versuche mit der Ejektor-Technologie vielversprechende Ergebnisse, die die Umsetzbarkeit transkritischer CO₂-Anlagen in warmen Klimazonen belegen. Die hohe Energieeffizienz wird durch die Rückgewinnung der entnommenen Energie bei gleichzeitiger Verringerung des Drucks
vom Gaskühler auf den Druck der Flüssigkeitsleitung erreicht. Mit dieser ausgeklügelten Lösung wird die Arbeitsbelastung der Verdichter reduziert und zugleich sichergestellt, dass der Kühlbedarf jederzeit gedeckt ist.

Der Ejektor befindet sich noch in der Prototypenphase, doch die ersten Testreihen in zehn Supermärkten haben gezeigt, dass die einfache Ejektor-Technologie die Effizienz des Systems mit paralleler Verdichtung so sehr steigern kann wie beim Wechsel von einer nicht-parallelen Verdichtung zu einer parallelen Verdichtung. Das Energieeinsparpotenzial im Vergleich zu herkömmlichen HFKW-Anlagen ist erheblich. Darüber hinaus können dank der Ejektor-Technologie überhaupt erst weitaus kleinere und kompaktere Verdichterverbünde installiert werden, die die Anschaffungskosten der Anlage reduzieren.

Der nächste Schritt in der Entwicklung der Ejektor-Technologie für die Kältetechnik ist ein Flüssigkeitsejektor, der es ermöglicht, die MT-Verdampfer zu fluten. Dadurch lassen sich zusätzliche Einsparungen durch einen höheren Saugdruck erzielen. Kombinierte Flüssigkeits- und Gas-Ejektoren werden seit 2013 in Versuchsaufbauten eingesetzt, was zu einer Energieeinsparung von 20–25 % im Vergleich zu HFKW-Anlagen führt. Die erste Einführung von kommerziellen Flüssigkeits-Ejektoren wird innerhalb von zwei bis drei Jahren erwartet.

CO₂ wird in der Kältetechnik für den Lebensmitteleinzelhandel zum Branchenstandard

CO₂ erobert zunehmend den Lebensmitteleinzelhandelsmarkt, da die herkömmlichen HFKW-Anlagen allmählich abgeschafft werden und die Einzelhändler nach neuen Wegen suchen, um ihren CO₂-Ausstoß zu reduzieren. Aufgrund der enormen technologischen Fortschritte stellt CO₂ heute eine der besten Entscheidungen für die Kältetechnik in Supermärkten in allen Klimazonen dar, die es globalen Lebensmitteleinzelhändlern erlaubt, dieselben Lösungen in allen Märkten unabhängig vom Standort nutzen können. CO₂ bietet eine hohe Energieeffizienz, ausgezeichnete Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung sowie einen geringen CO₂-Ausstoß, um ein umweltfreundliches Image zu fördern.

Tabelle 1: Mögliche Energieeinsparungen durch Parallel-Verdichtung nur mit Gas-Ejektor oder Flüssigkeits- und Gas-Ejektor. Die Vergleiche wurden bei 32 °C vorgenommen.