VDMA-Einheitsblatt 24247 Teil 9 „Energieeffizienz von Kälteanlagen – Sorptionskälteanlagen“ (2022)


Im Vergleich zu Kompressionskältemaschinen nutzen Ab- und Adsorptionssysteme nur sehr wenig elektrische Energie, sondern primär (Ab-)Wärme mit Temperaturen ab etwa 50 °C zur Erzeugung von Kälteleistungen über rund 5 kW. Wenn die Randbedingungen stimmen, sind sie effiziente, ökologische und wirtschaftliche Anlagen zur Kälteerzeugung.

Die nachfolgende Zusammenfassung, Analyse und Kommentierung der Richtlinien wurde für cci Wissensportal von Dr.- Ing. Manfred Stahl erstellt.

Titel:
Energieeffizienz von Kälteanlagen. Teil 9: Sorptionskälteanlagen

Erscheinung:
Weißdruck Januar 2022

Umfang, Kosten:
49 Seiten, ca. 76 € (www.beuth.de)

Zielgruppen:
Fachplaner/Anlagenbauer Kälte/Klima, Hersteller von Sorptionskältemaschinen, Energieberater, Betreiber von Energieanlagen und Gebäuden, Facility Manager

Inhalt, Resümee, Bedeutung

Aufgrund ihres geringen Bedarfs an elektrischer Energie können Sorptionskälteanlagen, die nicht auf Basis eines Kompressionskältekreislaufs mit Verdichter, sondern durch den Einsatz von Wärme betrieben werden, sehr energieeffiziente Lösungen zur Erzeugung von Kälteenergie sein. Besonders, wenn Sorptionskälteanlagen Abwärme zum Beispiel aus Blockheizkraftwerken, Prozessen, Solarthermie oder Fernwärme nutzen, ergeben sich wirtschaftliche und ökologische Systeme zur Kälteerzeugung.
Zu den verschiedenen Ab- und Adsorptionssystemen enthält das im Januar 2022 als Weißdruck erschienene VDMA-Einheitsblatt 24247 Teil 9 „Energieeffizienz von Kälteanlagen – Sorptionskälteanlagen“ viele Informationen, Beschreibungen und Erläuterungen zu deren Aufbauten und Arbeitsweisen (Leistungen, Temperaturen) mit Hinweise von der Planung bis zum Betrieb. Hinzu kommen Leitfäden mit vielen Tabellen, Checklisten und Grafiken sowie Beispiele. Das Einheitsblatt gilt für neue und bestehende Anlagen.

Die folgende Zusammenfassung dient als Orientierungshilfe. Auf ihrer Basis kann der Nutzer schnell beurteilen, welche Bedeutung die behandelte technische Regel für seinen beruflichen Alltag hat.

Kriterien zur Planung

Um bereits in der Planung eine energetische, wirtschaftliche und ökologische Vergleichbarkeit verschiedener Verfahren und Anlagen zur Kälteerzeugung herstellen zu können, beschreibt das VDMA-Einheitsblatt definierte Bedingungen und Kriterien, aus denen Kennzahlen ermittelt werden können. Hierfür werden auch Berechnungsbeispiele angeführt. Zudem werden Hinweise zu Betrieb, Wartung und Instandhaltung gegeben, wie die Energieeffizienz von Kälteanlagen und von kältetechnischen Anlagensystemen aufrecht erhalten werden kann. Der berechnete Energiebedarf oder die mögliche Energieeinsparung können dann in ein CO2-Äquivalent umgerechnet werden, wofür ebenfalls Berechnungsbeispiele dargestellt werden.
Behandelt werden im Einheitsblatt die Techniken der Ab- und Adsorptionskälteanlagen mit den verschiedenen Stoffpaaren (HN3/Wasser, Wasser/LiBr, Wasser/Silicagel, Wasser/Zeolith inklusive den jeweils benötigten Heiztemperaturen), den Einsatzbereichen Industrie, Gewerbe und Bürogebäude (Kälteleistungen 5 kW bis 20 MW), Kennzahlen zur Energieeffizienz und deren Berechnung (inklusive CO2-Bilanz), Aspekte der Wartung- und Instandhaltung (auch mit Checklisten) sowie Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnungen.

Vorbemerkung

Das VDMA-Einheitsblatt ist für die zuvor genannten Zielgruppen und für alle LüKK-Fachleute, die sich einen Überblick über Techniken, Verfahren, Möglichkeiten, Potenziale und Einsatzbereiche der Sorptionskältetechniken verschaffen wollen, ein sehr gutes Dokument. Allerdings ist es inhaltlich sehr kompakt, sodass es für den Verfasser kaum möglich ist, daraus eine aussagekräftige Zusammenfassung zu erstellen. Daher beschränkt sich der folgende Beitrag auf einige wesentliche Punkte aus dem Einheitsblatt. Für weitere Informationen wird der Kauf des Einheitsblatts empfohlen.

Kapitel 4: Sorptionstechnologien

Nach Erläuterungen von insgesamt 26 Begriffen geht es im Kapitel 4 um die verschiedenen Sorptionstechnologien. Unterschieden werden hier die Verfahren der Ab- und Adsorptionstechnik in „flüssig“ (Absorption mit den Stoffpaaren Ammoniak/Wasser oder Wasser/Lithiumbromid) und „fest“ (Adsorption mit den Stoffpaaren Wasser/Silicagel oder Wasser/Zeolith). Die mit diesen Systemen erreichbaren Kälteleistungen reichen von etwa 5 kW bis 20 MW. Als thermische Antriebe für die Anlagen werden meist Motor- oder Abgaswärme (zum Beispiel KWK, BHKW, Prozesse), eine direkte Befeuerung, Elektrowärme, Solarthermie, Erdwärme (Geothermie) und Fernwärme eingesetzt. Elektrische Energie wird meist lediglich für die Pumpen benötigt.
Einen Überblick zu den Temperaturniveaus zum Betrieb der verschiedenen Ab- und Adsorber enthalten die Bilder 1 bis 3. Darin werden typische Temperaturen für die Heizmedien (50 °C bis 600 °C), die erreichbaren Kälteträgeraustrittstemperaturen (Kaltwasser-Vorlauf von -60 °C bis etwa 20 °C) und die Kühlwassereintrittstemperaturen (Kühlturm/Rückkühler) von rund 0 °C bis 50 °C aufgeführt. Das Kapitel 4.5.2 enthält Informationen zu thermodynamischen und physikalischen Grenzen der Verfahren.

Kapitel 5: Kennzahlen der Energieeffizienz

In diesem Kapitel werden wichtige Kennzahlen zur energetischen und ökologischen Beschreibung und Beurteilung von Ab- und Adsorbern (auch von Kompressionskältemaschinen zum Vergleich) beschrieben (Wärmeverhältnis, Leistungszahl, Arbeitszahl, primärenergetischer Wirkungsgrad, Energieeffizienzgrad). Tabelle 3 zeigt eine Gegenüberstellung des spezifischen Strombedarfs (Wel pro kWh Kälteleistung) von Kompressions- und Absorptionskältesystemen.

Kapitel 6: Bilanzräume

Um verschiedene Systeme zur Kälteerzeugung nach vorgegebenen Kriterien miteinander vergleichen zu können, müssen dazu die entsprechenden Bilanzräume und Systemgrenzen definiert werden (Kältemaschine, Rückkühler, Hydraulik mit Pumpen, Speicher, Verbraucher, elektrische und thermische Einsatzenergie). Diese Kriterien werden im Kapitel 6 vorgegeben, beschrieben und anhand mehrerer Bilder verdeutlicht.

Kapitel 7: Berechnung der Energieeffizienz und der CO2-Emission

Kapitel 7 widmet sich ausführlich den Themen Energieeffizienz und (äquivalente) CO2-Emissionen beim Betrieb der Anlagen. Ohne diese hier weiter zu vertiefen, ergeben sich die Werte aus dem Strom- und Wärmebedarf aller Verbraucher im System-/Bilanzraum. Weitere Informationen dazu enthalten auch die Anhänge F, G und H.

Kapitel 8: Relevante Daten für die Planung

Für den Einsatz von Absorptionskälteanlagen sprechen unterschiedliche Gründe. Dazu zählen zum Beispiel:

  • Ökologie (Verwendung natürlicher Kältemittel, geringer TEWI-Wert)
  • Energie (geringer Primärenergieverbrauch, hoher Abwärmenutzungsgrad)
  • Wirtschaftlichkeit (geringere Gesamtkosten über die Lebensdauer der Anlage, BAFA-Förderung).
    Bei der Planung von Sorptionskälteanlagen sollten folgende grundsätzliche Ziele berücksichtigt werden:
  • Vermeidung hoher Investitionskosten für das kältetechnische Anlagensystem
  • Realisierung der Wirtschaftlichkeit von Absorptionskälteanlagen
  • Maximierung der Primärenergieeinsparung der Kälteerzeugung
  • Minimierung der mit der Kälteerzeugung verbundenen Schadstoffemissionen
  • Realisierung günstiger Installationsmöglichkeiten.

Darüber hinaus bestimmen mehrere Rahmenbedingungen die Auswahl der Anlagenvariante und das Grundkonzept. Dazu zählen der Kältebedarf, die Kälteträger-, Heizmedien- und die Kühlwassertemperaturen. Hinzu kommen Standort- und /Raumbedingungen sowie der Aspekt, ob die zum Betrieb der Sorptionsanlage benötigte Wärme „sowieso“ zum Beispiel als Abwärme vorhanden ist oder speziell dafür erzeugt werden muss. Tabelle 4 enthält eine Gegenüberstellung von Vor- und Nachteilen einer Absorptionskälteanlage zu einer Kompressionskälteanlage.
Anhand von Annahmen zu typischen Kostenfaktoren (Investitionen Kältemaschine, Rückkühler etc., Kosten Strom, Wärme, Wartung), Leistungs-/Arbeitszahlen sowie Vollbenutzungsstunden pro Jahr werden zwei Beispiele für Absorptions- und Kompressionskälteanlagen mit Kälteleistungen von 100 und 1.000 kW berechnet und in Grafiken dargestellt.

Kapitel 9: Instandhaltung

In diesem Kapitel stehen ausführliche Vorgaben (inklusive Checklisten) zu Service- und Wartungsempfehlungen für Ab- und Adsorptionsanlagen mit den Stoffpaaren Ammoniak/Wasser (Kapitel 9.1) und Wasser/Lithiumbromid (Kapitel 9.2). Unterkapitel enthalten jeweils für beide Systeme folgende Inhalte: Technische Störungen, Wartung, Instandsetzung, Korrosion, Nicht kondensierbare Gase, Inhibierungen, Probenanalysen, Reinigung, Charakteristik der Anlagenregelung.

Anhang A (informativ):
Formelzeichen – Indizes – Abkürzungen

Anhang B (informativ):
Typische Randbedingungen des Anlagenbetriebes von Sorptionskälteanlagen (Wasser/Lithiumbromid und Ammoniak/Wasser)

Anhang C (informativ):
Thermodynamische Grenzen der Anwendung von Absorptionskälteanlagen (3 Abbildungen)

Anhang D (informativ):
Bilanzgrenzen Anwendungsbeispiel Milchkühlung

Anhang E (informativ):
SEER-Wert – Wichtung des Teillastverhaltens

Anhang F (informativ):
Beispiel Berechnung der Energieeffizienz mit Carnotwirkungsgrad

Anhang G (informativ):
Beispiel Berechnung der Energieeffizienz über Primärenergiebedarf

Anhang H (informativ):
Beispiel Berechnung der Energieeffizienz über Primärenergiebedarf

Anhang I (informativ):
CO2-Emission unterschiedlicher Endenergien

Die Einheitsblattreihe VDMA 24247 besteht aus den folgenden Teilen:
Teil 1: Klimaschutzbeitrag von Kälte- und Klimaanlagen. Verbesserung der Energieeffizienz – Verminderung von treibhausrelevanten Emissionen
Teil 2: Anforderungen an das Anlagenkonzept und die Komponenten
Teil 3: Leitfaden für eine Verbesserung der Energieeffizienz in Kühlhäusern
Teil 4: Supermarktkälte, Gewerbekälte, Kühlmöbel
Teil 5: Industriekälte
Teil 6: Klimakälte
Teil 7: Regelung, Energiemanagement und effiziente Betriebsführung
Teil 8: Komponenten – Wärmeübertrager
Teil 9: Sorptionskälteanlagen

Die Zusammenfassung wurde für cci Wissensportal von Dr. Manfred Stahl erstellt. (Stand: Dezember 2021)

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