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Cool Heating

Mit Wärmepumpen energieeffizient Kälte und Nutzwärme zugleich erzeugen
Cool Heating

Bei der Erzeugung von Kälte entsteht Wärme. Unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten ist es notwendig, diese Abwärme zu nutzen, beispielsweise durch den Einsatz von Add-on-Wärmepumpen von GEA Refrigeration Technologies. Die Energy Enhancer werden bereits erfolgreich in der milchverarbeitenden Industrie eingesetzt.

Beim Erzeugen von Kälte entsteht in einer konventionellen Kälteanlage am Verflüssiger Wärme, die oft ungenutzt bleibt und an die Umgebung abgeführt wird. Genau hier ist ein großes Sparpotenzial verborgen.

In vielen Betrieben wird parallel zur Kälte auch Wärme benötigt, zum Beispiel zur Heißwasserbereitung, zum Reinigen von Anlagen, für das Pasteurisieren, das Blanchieren von Gemüse oder das Temperieren von schlecht fließenden Medien in Transportleitungen. Die Wärme am Verflüssiger fällt jedoch bei einer geringen Temperatur an, die für solche Einsatzzwecke nicht ausreicht. In konventionell ausgestatteten Industriebetrieben kommen daher meistens Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Gaskessel zur Anwendung, um Wärme bereitzustellen.
Wärmepumpe als Alternative
Die Abwärme der Kälteanlage lässt sich aber auf ein höheres – und damit nutzbares – Temperaturniveau anheben. Möglich wird dies durch den Einsatz einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe. Letztere funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Kühlschrank, enthält also auch einen Kältekreis, nur dass hier die wärmere Seite des Geräts als Nutzenergieseite definiert ist.
Wärmepumpen ziehen thermische Energie aus der Umgebung und akkumulieren sie mithilfe eines Kältemittelkreislaufs. Die Funktionsweise verdeutlicht folgendes Beispiel: Ein Nutzer benötigt eine thermische Energie von 144 kW. Um Letztere bereitzustellen, benötigt die Wärmepumpe eine elektrische Energie von 28 kW. Die restlichen 116 kW ergeben sich aus der thermischen Energie, die aus der Umwelt – in unserem Fall aus der Kälteanlage – „abgesaugt“ wird. Das heißt: Mit 1 kW elektrischer Energie können also über 5 kW Wärmeleistung bereitgestellt werden. Im Unterschied dazu wären bei einem Gaskessel für 5 kW Nutzwärme aufgrund der thermischen Verluste über 5 kW Energie aufzuwenden. Dieser Wert steigt mit abnehmendem Wirkungsgrad des Gaskessels, der bestenfalls bei 90 bis 95 % liegt.
Gemeinsamer Kältemittelkreislauf
Überall, wo etwa zeitgleich Kälte und Wärme auf einem geeigneten Temperaturniveau benötigt werden (typischerweise bei Zieltemperaturen von bis zu +80 °C), kann die Kombination aus Kälteanlage und Wärmepumpe zur Energieeffizienz beitragen. Besonders effizient arbeiten Systeme, in denen die Kälteanlage direkt mit der Wärmepumpe gekoppelt ist. Die Fachleute von GEA Refrigeration Technologies nennen diese Wärmepumpensysteme Add-on-Wärmepumpe, weil sie auf den Kälteanlagenkreislauf „aufgesetzt“ werden.
Im Fall einer Add-on-Wärmepumpe ist die Wärmequelle die warme Seite der Kälteanlage. Die Wärmepumpe wird anstelle des Verflüssigers oder parallel zu ihm an die Kälteanlage angeschlossen. Durch die direkte Kopplung von Kälteanlage und Wärmepumpe zu einem einzigen Kältekreis werden Übertragungsverluste von einem Kältemittelkreislauf auf den anderen vermieden. Außerdem sind bei der Kälteanlage geringere Drücke aufzubringen, weil Druckverluste im Verflüssiger wegfallen.
Geringere Betriebskosten
Der Anwender einer Lösung auf Basis einer Add-on-Wärmepumpe profitiert von verschiedenen Vorteilen: Wegen geringerer interner Druckverluste arbeitet die Kälteanlage effizienter. Zudem kann der Kondensator kleiner ausgelegt werden und benötigt weniger Hilfsenergie. Des Weiteren verringert ein kleinerer Verdampfungskondensator den Wasserverbrauch.
Weitere Pluspunkte sind Einsparungen bei den Betriebskosten sowie die Entlastung der Umwelt aufgrund geringerer CO2-Emissionen. Bei der Auslegung solcher Anlagen gilt, dass die Wärmepumpe umso effizienter arbeitet, je geringer die Differenz zwischen Quell- und Zieltemperatur ist.
Einsatz in der Milchindustrie
Kälteanlagen mit Add-on-Wärmepumpe sind beispielsweise in der milchverarbeitenden Industrie erfolgreich im Einsatz. In einem Milchwerk benötigte man Kälte von ca. 2 °C zum Frischhalten der Milch sowie Wärme von etwa 75 °C zum Pasteurisieren der Milch. Durch den Einsatz einer Add-on-Wärmepumpe wurde pro Jahr eine Betriebskosteneinsparung von 260 000 Euro errechnet, sodass der Return on Investment für die Zusatzkosten der Wärmepumpe bereits in kurzer Zeit erreicht ist.
Der Vergleich von Betriebsdaten des Milchwerks mit der alten Kälteanlage und einem Gaskessel (Messung in 2009) mit den Daten der neuen Kälteanlage inkl. Add-on-Wärmepumpe (Messung in 2013) ergab, dass der Stromverbrauch für die Kühlung um etwa 20 % gesenkt werden konnte. Deutlich auch die Einsparungen bei Gas und Wasser: So konnte der Gasverbrauch auf ein Fünftel reduziert und die Menge an verbrauchtem Wasser halbiert werden. Mittelfristig hat sich das Milchwerk das Ziel gesetzt, über eine weitere Systemoptimierung den Gaskessel überflüssig zu machen.
Natürliches Kältemittel Ammoniak
Kälteanlagen mit Add-on-Wärmepumpen bieten neben den bereits beschriebenen ökonomischen und ökologischen Vorteilen auch den Vorzug, dass sie mit dem umweltfreundlichen Kältemittel Ammoniak betrieben werden können. Letzteres hat kein Ozonzerstörungspotenzial.
prozesstechnik-online.de/dei0614435
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