Batteriefabrik setzt auf freie Kühlung und Kompressionskälte

Die viel beschworene Energiewende und die unaufhaltsame Entwicklung der Digitalisierung revolutionieren den Technologieeinsatz in immer kürzeren Intervallen. Dabei geht nichts ohne die Elektrifizierung. Die Entwicklung und Produktion leistungsstarker Batterien ist deshalb die Keimzelle der Zukunft. So auch im Batteriewerk der Deutsche Accumotive GmbH & Co. KG in Kamenz. Hier spielt die Energieeffizienz bei der Bereitstellung von Kälte eine entscheidende Rolle.

Konstante Prozesskälte wichtige Voraussetzung
Die im Jahr 2009 gegründete Deutsche Accumotive GmbH & Co. KG ist eine hundertprozentige Tochter der Daimler AG. Das Unternehmen entwickelt und produziert hoch komplexe Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie für Fahrzeuge der Marken Mercedes-Benz und smart. Gefertigt werden die Produkte im sächsischen Kamenz.
Seit Beginn der Serienfertigung im Jahr 2012 wurden mehr als 100 000 Lithium-Ionen-Batterien ausgeliefert. Bei der engen Taktung in der Automobilproduktion ist die Prozesssicherheit der Batteriefertigung unverzichtbar. Hierbei ist die kons­tante Temperaturhaltung der Gebäude und Maschinen, unabhängig von Außentemperaturen und Auslastung, eine entscheidende Größe. Für das Batteriewerk hat die Isotech Gebäudetechnik e.K. aus Plauen gemeinsam mit der System­air GmbH aus Boxberg-Windischbuch als Spezialist für Kältemaschinen ein Konzept entwickelt, das Prozesssicherheit und Energieeffizienz miteinander verbindet. Es ist aufgeschaltet auf eine Gebäudeleittechnik (GLT), die von der Siemens Building Technologies GmbH & Co. OHG aus Dresden installiert wurde.
Die erforderliche Kälteleistung beträgt 1430 kW. Für die Bereitstellung wurden Kompressionskälte und freie Kühlung kombiniert. Eine Regelung über die GLT stellt abhängig vom Außen- und Innenklima bzw. den Leistungsanforderungen den jeweils effizientesten Betrieb sicher. Isotech installierte zwei Kaltwassermaschinen (Modell „SyScroll 660 Air CO“ mit je 595 kW) und ein frei stehendes, unabhängiges Freikühlmodul (Modell „SysFreeCool“ in der Variante Stand-Alone mit 230 kW) von Systemair. Die Systeme arbeiten mit Kaltwasser und beschicken einen Pufferspeicher mit 2000 l Volumen. Daran angeschlossen sind drei Verbrauchersysteme, die Leistungen zur Prozesskühlung entnehmen. Die Wärmeübertrager werden auf der Primärseite mit einer Vorlauf-/Rücklauftemperatur (VL/RL) von 16/24 °C gefahren, auf der Sekundärseite mit 18/28 °C.
Unabhängig der Jahreszeiten werden von der Anlage 230 kW Kälteleistung gefordert mit VL/RL-Temperaturen von bis zu 16/24 °C. Kommt es aufgrund geringer Wärmelasten zu einer Überströmung im Kühlkreislauf, ist vorgesehen, dass sich der Rücklauf auf die 18 °C der Vorlauftemperatur abkühlen kann. Dazu besteht zwischen Kälteerzeugung und -abnahme eine Systemtrennung: Auf der Sekundärseite wird je nach Abnahme der Volumenstrom geregelt. Der Mindestvolumenstrom beträgt hierbei 4,3 m³/h. Die Regelung der Vorlauftemperatur auf der Sekundärseite erfolgt über eine Einspritzschaltung auf der Primärseite. Somit kann auf unterschiedliche Puffertemperaturen reagiert werden.
Regelungstechnik unterstützt Effizienz
Ein Managementsystem von Siemens steuert und regelt diese verschiedenen Leistungsansprüche zwischen mechanischer Kälteerzeugung und/oder Freikühlmodul. So kann energiesparend die erforderliche, konstante Temperaturhaltung bei den Verbrauchern gewährleistet werden. Die Freigabe für den Freikühler erfolgt ab einer Außentemperatur von 10 °C und einer Wasser-Rücklauftemperatur größer 13 °C. Lastabhängig wird die erste Kältemaschine zugeschaltet, bei höherem Kühlbedarf nach 10 Minuten auch die zweite. Die Freigabe der ersten bzw. zweiten Kältemaschine erfolgt rotierend. Mittels Betriebsstundenumschaltung werden die Betriebsrückmeldungen der einzelnen Kältekreise gezählt und eine Ausgleichsfreigabeverwaltung realisiert. Bevor die Kompressoren der Kältemaschinen angeschaltet werden, laufen die Pumpen an. Der Pumpenvorlauf und -nachlauf beträgt für jede Kältemaschine jeweils drei Minuten. Das schützt die Anlagentechnik, indem beispielsweise restliche Kälteleistung im Wärmeübertrager der Kaltwassermaschine abgeführt wird, und trägt außerdem zur Temperaturkons­tanz bei.
Mithilfe drehzahlgeregelter Pumpen wird der Wasservolumenstrom der tatsächlich erzeugten Kälteleistung permanent angepasst. Die Pumpenansteuerung erfolgt über ein 0 bis 10-V-Signal, beginnend mit der ersten Verdichterstufe (17 m³/h). Über einen Modbus werden die Verdichterstufen ausgelesen und die Pumpenleistung entsprechend angepasst.
Das Modbusprotokoll berücksichtigt hierfür spezielle Variablen. Sobald eine Maschine freigegeben ist, muss immer eine Pumpe in Funktion sein. Ändert sich der Wert der Adressen, muss die zweite Pumpe unverzögert hinzugeschaltet werden. Ändern sich diese Adresswerte wieder auf 0, darf eine Pumpe mit einer Abschaltverzögerung von 30 Sekunden abgeworfen werden.

Freikühlmodule von Systemair begünstigen die Energie-effizienz von Kühlanlagen
Bei einer Außentemperatur < 2 K gegenüber der Rücklauftemperatur des Kaltwassers schaltet ein Dreiwege-Ventil den Kühlkreislauf über das Freikühlmodul „SysFreeCool“. Hier wird das Trägermedium aus Wasser und Glykol auf die gewünschte Vorlauftemperatur heruntergekühlt, unterstützt durch Ventilatoren. Die Drehzahl wird dabei kühllastabhängig stufenlos gesteuert. Bei Kühllastanforderung im Leistungsbereich des Freikühlmoduls bleiben die Kaltwassersätze ausgeschaltet. Da die Stromaufnahme der Ventilatoren deutlich geringer ist als die der Kompressoren in den Kältemaschinen, wird Energie gespart.
Liegt die Außentemperatur unter der Rücklauftemperatur, aber über der Vorlauftemperatur, wird das Wasser-Glykol-Gemisch im Freikühlmodul vorgekühlt und im Kaltwassersatz auf die gewünschte Vorlauftemperatur gebracht. Die so reduzierte Temperaturspreizung senkt die Ener­gieaufnahme des Kaltwassersatzes.
Liegt die Außentemperatur über Vor- und Rücklauftemperatur, ist kein Freikühleffekt mehr möglich. Somit führt das Dreiwege-Ventil den Kühlkreis vollständig zum Kaltwassersatz. Der Freikühler nimmt keinen Strom mehr auf, was wiederum die Energieeffizienz verbessert.