Kühlen mit Wasser

Weltweit wächst der Bedarf an Kälte. Zum einen bedingt durch die Klimaerwärmung, zum anderen durch zunehmende Anwendungen für industrielle Prozesse, in Rechenzentren, aber auch im Gebäudekühlbereich. Zur Einhaltung ihrer Klimaziele hat die EU daher auch die Kälteindustrie in die Pflicht genommen. Dies stellt die Branche, Betreiber und Planer vor neue Herausforderungen. Eine Lösung bietet die Efficient Energy GmbH mit ihrer „eChiller-“-Modellreihe. Die „eChiller“ sind Kältemaschinen mit reinem Wasser (R718) als Kältemittel.

F-Gase-Verordnung
In gängigen Kälteanlagen werden fluorierte Kältemittel eingesetzt, die i. d. R. einen erheblichen Treibhauseffekt (GWP – Global Warming Potential) haben. Mit der F-Gase-Verordnung 517/2014 und dem darin festgelegten F-Gase-Phase Down werden entsprechend der EU-Klimaziele die CO₂-Emissionen bzw. das CO₂-Äquivalent der in den Markt gebrachten fluorierten Kältemittel stufenweise um nahezu 80 % reduziert – ausgehend vom Stand 2015. Des Weiteren gibt es ein Anwendungsverbot einiger F-Gase für Neuanlagen.
Seit Inkrafttreten der zweiten Stufe des F-Gase-Phase-Downs im Januar 2018 sind die für den Markt verfügbaren CO₂-Äquivalente auf 63 % gesunken. Die Auswirkungen sind im Markt deutlich spürbar und äußern sich schon jetzt in einer Verknappung der F-Gase-Kältemittel mit hohem GWP, was auch schon zu einem erheblichen Preisanstieg der Stoffe geführt hat. Die verschärften Sicherheitsanforderungen aus der Verordnung setzen Betreiber durch zeit- und kostenintensive Wartungsanforderungen zusehends unter Druck. Auch müssen z. B. zur Vermeidung von Emissionen von F-Gasen Leckagen der Anlagen unverzüglich beseitigt werden. Betreiber von Anlagen, die mehr als 5 t CO₂-Äquivalent haben, sind außerdem zu regelmäßigen, belegten Dichtigkeitsüberprüfungen verpflichtet.

Energieeffizienzwerte auch für Kälteanlagen
Neben den direkten Emissionen tragen auch die durch den Energieverbrauch erzeugten indirekten Emissionen maßgeblich zum Treibhauseffekt einer Kälteanlage bei. Allein in Deutschland lag der Anteil des Stromverbrauchs für Kälteanwendungen von 2013 bis 2015 bei ca. 11 % des jährlichen Stromverbrauchs. Weltweit liegt dieser Anteil bei ca. 16 %. Die EU reagiert auch hier und schreibt mit der Ökodesign-Richtlinie nun auch für Kälteanlagen Mindesteffizienzwerte vor.

Natürliche Kältemittel
Natürliche Kältemittel wie Kohlendioxid (R744), Ammoniak (R717), Propan (R290) und Propen (R1270) sowie Wasser (R718) haben ein sehr geringes bzw. gar kein Treibhauspotenzial.

R744
Kohlendioxid ist unbrennbar, nicht toxisch und chemisch inaktiv. Die thermodynamischen Eigenschaften erfordern hohe Betriebsdrücke von über 90 bar und entsprechend ausgelegte Anlagenkomponenten. Es wird vorwiegend im Anwendungsbereich der Gewerbekälte von –10 °C bis –40 °C eingesetzt.

R717
Ammoniak ist giftig und brennbar. Es dominiert traditionell den Bereich der Industriekälte und damit Anwendungen mit großen Kälteleistungen. Dies wird sich auch in Zukunft nicht ändern, da dieses Segment der Kältenutzung den Umgang mit Ammoniak beherrscht und gewohnt ist.

R290
Propan ist ein Kohlenwasserstoff und ist hochentzündlich. Angewendet wird es überwiegend bei Kältemittelfüllmengen unterhalb von 150 g pro Anlage und kommt daher überwiegend bei kleineren Kälteleistungen zur Anwendung.

R1270
Propen ist ebenfalls ein Kohlenwasserstoff. Es ist toxisch, brennbar und bildet mit Luft ebenfalls ein leicht entzündliches Gemisch. Einsatzbereiche sind überwiegend Tiefkühlanlagen in industriellen Anwendungen.
Alle diese natürlichen Kältemittel unterliegen jeweils Sicherheitsanforderungen.

R718
Wasser ist ein sicheres, natürliches und klimaneutrales Kältemittel. Es hat kein Treibhauspotenzial und ist das einzige natürliche Sicherheitskältemittel, da es weder toxisch noch brennbar oder explosiv ist. Es ist leicht verfügbar und einfach handhabbar. Wasser (R718) fällt nicht unter die F-Gase-Verordnung. Alle für fluorierte Kältemittel geltenden Sicherheitsanforderungen finden keine Anwendung. Und es ist im Vergleich zu allen anderen Kältemitteln besonders kos­tengünstig.

F-Gase-Verordnung und ­Betreiberpflichten greifen nicht
In den Kältemaschinen der „eChiller„-Modellreihe kommt ausschließlich Wasser als Kältemittel zum Einsatz. Alle für fluorierte Kältemittel relevanten Sicherheitsanforderungen greifen nicht. Die Betreiberpflichten bezüglich der Sicherheitsanforderung für Kälteanlagen nach der DIN EN 378 entfallen, z. B. viele zeit- und kos­tenintensive Wartungsanforderungen.
Der Kostenaufwand für das Kältemittel beschränkt sich auf eine einmalige Anlagenfüllung mit ca. 60 l Leitungswasser. Bei Außerbetriebnahme der Anlage kann dann das Wasser ohne weitere Auflagen der Abwasserentsorgung zugeführt werden.
Die stufenlose Regelung mit Freikühlbetrieb gewährleistet, dass die Anlage die geforderte Kaltwassertemperatur und Kälteleistung stets mit dem minimal notwendigen Energieaufwand bereitstellt. Die anlageninterne Regelung lässt sich in eine übergeordnete Gebäudeleittechnik integrieren. So lässt sich je nach Anwendungsfall mit den „eChillern“ bis zu 80 % Energieersparnis gegenüber dem Stand der aktuellen Technik erzielen. Die Betriebskosten lassen sich so bei der Modernisierung von Bestandsanlagen und bei Neuanlagen senken. Weiterhin kann der leise und vibrationsarme „eChiller“ auch außerhalb eines Maschinenraums aufgestellt werden.

Einsatzfelder
Der „eChiller“ ist für die Kühlung von Prozessen mit relativ hohen Kaltwasser-Vorlauftemperaturen ausgelegt. Optimal kühlt er in einem Bereich von 16 °C bis 22 °C Kaltwassertemperaturen. Technisch möglich sind aber auch Temperaturen zwischen 10 °C und 28 °C. Ideale Anwendungsbereiche sind die Kühlung von Server- und Schalträumen, die industrielle Prozesskühlung und die Gebäudekühlung, insbesondere Bauteilaktivierung und Kühldecken. Die Energieeffizienz der „eChiller“ wurde z. B. auf Prüfständen des TÜV Süd, des TÜV Nord und durch die Hochschule Karlsruhe nachgewiesen und die Betriebssicherheit und Kosteneffizienz der Anlage wurden in mehrjährigen Kundenanwendungen bestätigt.
Der „eChiller“ wurde u. a. mit dem European Business Award for the Environment der Europäischen Kommission, dem Deutschen Rechenzentrumspreis 2017 in der Kategorie RZ-Klimatisierung und Kühlung, dem RAC Cooling Industry Award 2017, dem Partslife Umweltpreis 2017 und dem Deutschen Kältepreis 2016 ausgezeichnet.

Autor: Florian Hanslik, Leiter ­Produktmanagement bei Efficient Energy GmbH

Bilder: Efficient Energy

www.efficient-energy.de

GWP und CO₂-Äquivalent
Um die Wirkung verschiedener Treibhausgase vergleichen zu können, hat das Expertengremium der Vereinten Nationen, IPCC, das sogenannte „Globale Erwärmungspotenzial“ (Global Warming Potential, kurz GWP) definiert. Dieser Index drückt die Erwärmungswirkung einer bestimmten Menge eines Treibhausgases über einen festgelegten Zeitraum (meist 100 Jahre) im Vergleich zu derjenigen von CO₂ aus. Maßeinheit ist das CO₂-Äquivalent.