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Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH

Nachhaltige Kältetechnik

Kälte aus Abwärme und erneuerbaren Energien

P. Albring, Nachhaltige Kältetechnik, Kälte aus Abwärme

ILK Dresden – Forschungsunternehmen

1991 Gründung als gGmbH

Eigenkapital: 2,6 Mio. €

Anlagevermögen: 3,4 Mio. €

Mitarbeiter: 130

Akademiker: 72 %

Durchschnittsalter: 45 Jahre

Versuchsfläche: 3070 m2

Versuchsanlagen: 56

Phys. / Chem. Labors: 25

2


Forschung & Entwicklung

FuE-Dienstleistungen

Prototyp Geräte- und Anlagenbau

Technologietransfer

10 Mio. € FuE-Umsatz/Jahr

> 60 FuE-Projekte/Jahr

> 400 Kunden/Jahr

Forschung & Entwicklung Entwicklung + Bau Prototypen FuE Dienstleistungen

ILK Geschäftsfelder

Technologietransfer

3

http://www.ilk-ttz.de/


Kryotechnik Kryokühler, Kryostate

Kryo- Systeme, GfK

Tieftemperaturphysik

Wärme-Kraft- Anlagen

Wasserstoff-Technik

He-II, mK-Kühlung

TT Sensorik, Analytik

Biotechnologie Biomaterialien

Kryokonservierung

Kryomedizin

Lebensmittelkühlung

Klimatechnik Raumlufttechnik

TGA, Solare

Klimatisierung

Akustik

Fluiddynamik

Wärmeübertragung

Luftreinhaltung Filtration, Feinstaub

Aerosoltechnologie Komb.

Abscheidung

Biomassenutzung

Schadst.monitoring

Analytik Stoffwerte KM-Öl

Dichtheit

KM- Werkstoff

Wasser-Werkstoff

Neue Technologien/

Werkstoffe MSR, Sensorik

Photovoltaik

Therm. Speicher

R718 Kältetechnik Kaltwassersätze

Wärmepumpen

Eiserzeugung

Wasseraufbereitung Wasserentsalzung

Stofftrennung

Energiesysteme Rationelle

Energieverwendung

Absorptionskälte

Kraft-Wärme-Kälte

Solare Systeme

WP Anwendungen

Kompressionskälte Eff. Kälteerzeugung

Haushaltkälte

Wärmepumpen

KM Verdichter

TD Stoffdaten, Software

Kälteanlagen/

Komponenten Wärmeübertrager

Reglungssysteme

CO2- Kältetechnik

Wiss. Anlagenbau

ILK Dresden Struktur und Forschungsrichtungen

Kryotechnik und

Tieftemperaturphysik

Kälte- und Wärme-

pumpentechnik Luft- und

Klimatechnik Angewandte neue

Technologien

Angewandte

Energietechnik

4

http://www.ilkdresden.de/de/leistungen/klima_energie/fe.htm

http://www.ilk-ttz.de/


Energiebedarf für Kälteerzeugung in Deutschland

Es gibt über 100 Millionen Kälteanlagen !

Anteil Endenergie (ELT) 14%

Anteil Primärenergie 5,8%

Primärenergiebedarf

9,1%

21,7%2,2%

67,0%

NahrungsmittelSonstige

Klimatisierung

IndustrieQuelle: DKV-

Statusbericht Nr. 22

5


Umwelteinfluss von Kältemitteln

R22

0

0,02

0,04

0,06

0 2000 4000 6000 8000 10000

R11 R12

0,8

0,9

1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Treibhauspotenzial GWP

Ozon Z

ers

töru

ngspote

nzia

l O

DP

Luft

Propan

Butan

Ammoniak

CO2

Wasser

Erfasst sind nur die

Wirkungen bei

Leckagen und der

Entsorgung des

Kältemittels in die

Atmosphäre

Umweltfreundliche Kältemittel sind natürliche Stoffe 6


QC

Q0

Pel

Kompressionskälteprozess

Verdampfen

Kondensieren

Entspannen Verdichten

Antriebsenergie

Nutzenergie

Abwärme

Mechanischer

Kompressor

7


QC

Q0

Pel

Absorptionskälteprozess

Verdampfen

Kondensieren

Entspannen

QA

Absorbieren

Pumpen

Austreiben

thermischer

Kompressor

8


Adsorptionskälteprozess

Q0

Verdampfen

QA

Adsorbieren

Zyklus 1 Q

Heiz

Desorbieren

QC

Kondensieren

Zyklus 2

9

Energieeffektivität von Kälteprozessen

Verglichen mit einem theoretischen, verlustfreien Prozess liegt die

Energieeffektivität von Kälteprozessen zwischen 10% und 30%

(Bei Berücksichtigung aller Hilfsantriebe wie Pumpen, Ventilatoren,…)

Der Kälteprozess alleine erreicht eine energetische Güte zwischen 40%

und 60% verglichen mit einem Idealprozess.

Die energetische Verbesserung erfordert also nicht nur bessere

Kältemaschinen sondern bessere Systeme

10 P. Albring, Nachhaltige Kältetechnik, Kälte aus Abwärme


Energetischer Vergleich unterschiedlicher Kälteverfahren:

Aus 100% Brennstoff werden

Kraftwerk Elektroenergie

Kompressions- -

Kältemaschine

Brennstoff 140 %

hElt = 0,35

hKessel = 0,80

s = 0,50

x = 0,7...1,1

e = 4

Brenner Wärmeenergie

Brennstoff

Ab sorptions- -

Kältemaschine

Ad sorptions- -

Kältemaschine DEC Anlage

60…90 %

BHKW

Wärmeenergie Ab sorptions- -

Kältemaschine

Brennstoff 190…250 %

Elektroenergie Kompressions-

Kältemaschine

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Kältetechnik mit natürlichen Kältemitteln

Wasser

wird genutzt zur Wasserkühlung in

Absorptionskälteanlagen (seit 1860)

Adsorptionskälteanlagen (seit 1925)

Dampfstrahlkältemaschinen (seit 1900)

Kompressionskälteanlagen (seit 1999)

12

P. Albring, Nachhaltige Kältetechnik, Kälte aus Abwärme 13

Wasser als Kältemittel im ILK Dresden

Laborversuchsanlage (10kW) 1991 Demonstrationsanlage (60KW) 1993 Großversuchsanlage (500kW) 1994 Dauerlaufanlage 1996 Zweistufige Großversuchsanlage (500kW) 1997 Fertigungsbeginn + CargoLux (1X430kW) 1999 Uni Essen Kälteversorgung (800kW) 1999 EXPO Kälteversorgung (600kW) 1999 Daimler Chrysler Düsseldorf (4X1000kW) 2000 VW Manufaktur Dresden (2X1000 kW) 2001

Kaltwassersatz zur

Kühlung von

Bürogebäuden und des

Flugsimulators CargoLux

Luxembourg



Laborversuchsanlage (10kW) 1991 Demonstrationsanlage (60KW) 1993 Großversuchsanlage (500kW) 1994 Dauerlaufanlage 1996 Zweistufige Großversuchsanlage (500kW) 1997 CargoLux (1X430kW) 1999 Uni Essen Kälteversorgung (800kW) 1999 EXPO Kälteversorgung (600kW) 1999 Daimler Chrysler Düsseldorf (4X1000kW) 2000 VW Manufaktur Dresden (2X1000 kW) 2001


direkter Verdampfer

direkter Kondensator

Zwischen- kühler

Turbo- Verdichter 2. Stufe

12°C

12°C

25°C

30°C

Turbo- Verdichter 2. Stufe

Ergebnis ILK Entwicklung in den

Neunzigerjahren

Weltweit erster Kaltwassersatz mit Turboverdichtern entwickelt im ILK Dresden

Nachweis von Machbarkeit und Praxistauglichkeit der Kältetechnologie in 6 Standorten in Deutschland und Luxemburg

Erweiterte Markteinführung mit Kleinunternehmen war jedoch zunächst gescheitert

16


Turboverdichter für Wasser als Kältemittel 2009

17


Kaltwassersatz mit Wasser als Kältemittel, 3.

Generation

Baureihe Turbo KWS 300…1300 kW

AQUAQUANTUM

Verbundprojekt zwischen

COFELY Refrigeration und

ILK Dresden

Prototyp Q0 = 800kW,

IBN 2011

Erste Feldanlagen 2012

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Wärme getriebene Kälteverfahren

19 P. Albring, Nachhaltige Kältetechnik, Kälte aus Abwärme


Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung

Thermische

Systeme

Wärmetrans-

formation

Thermomechanische

Prozesse

Thermokinetische

Prozesse

Offene

Systeme

Geschlossene

Systeme

Feststoff-

sorbentien

Flüssige

Sorptionsmittel

Feststoff-

sorbentien

Flüssige

Sorptionsmittel

Adsorption Trocken-

absorption

Rankine

Cycle/Kompressor

Dampfstrahl-

KM

Marktreife Anlagen Einzelanwendungen Prototypen

20

Vergleich - Investitionskosten

Kostenvergleich von Kompressions- und Sorptionskälteanlagen

(inklusive Rückkühlung)

Henning et.al.

21 21 P. Albring, Nachhaltige Kältetechnik, Kälte aus Abwärme


Absorptions- Kälteanlagen Nutztemperaturen

Kühltemperatur

10°C ...4°C)*

... -5°C)**

... -25°C )**

... -40°C )**

Heiztemperatur

75°C ... 95°C

...120°C

...140°C

...180°C

Arbeitsstoffe: )* Wasser- Litiumbromid- Lösung

)**Ammoniak- Wasser- Lösung

je niedriger die geforderte Kühltemperatur einer

Absorptionskälteanlage, um so höher muss die Heiztemperatur sein

22


Absorptionskälteanlagen kleiner Leistung

Pink/Solarnext, 12 kW, ammonia/water

Quelle: Uli Jakob

23


Adsorptionsanlagen kleiner Leistung für solare

Kühlung –

ClimateWell, Sweden (10 kW)

Quelle: Uli Jakob

24


Absorptionskälteanlagen kleiner Leistung NH3/Wasser

Fa. AGO AG

50 kW NH3/H2O-AKM

(AGO AG)

15 kW NH3/H2O-AKM (ILK Dresden)

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Beispiele für Kraft- Wärme-Kälte- Kopplung

Biomasse-Input

Biogas Elektrische Energie

Nutzwärme Behälterheizung

Konventionelles System:

Nutzung des Biogases im BHKW

Erzeugung elektrischer Energie

Saisonale Wärmenutzung

Biogas

Quelle: WEGRA Westenfeld Wärmebedarf zu niedrig für einen wirtschaftlichen Betrieb

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Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung in der Landwirtschaft

Kaltwasser

Stall-

klimatisierung

Vorkühlung

Heizwärme Elektrische Energie

Biomasse

Quelle: WEGRA Westenfeld

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Kälte aus Abwärme in der Landwirtschaft

Stallklimatisierung

Zusätzliche Gewichtszunahme von ca. 60 g pro Tag und Tier

Verringerung der Tierverluste

Verringerung der Ammoniak- und CO2-Emissionen um ca. 40 %

Milchvorkühlung

Verbesserung der Energiebilanz

Keimverhinderung durch Sturzkühlung

Redundanz der Kühlleistung

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Wasser als Kältemittel-Eiserzeugung und –Speicherung

Warum Kälte Speichern?

Ausgleich zwischen

Erzeugerleistung und

Kältebedarf

Spitzenlastreduktion

Stark schwankender

Kältebedarf

Nutzen von

Niedrigtarifperioden zur

Kälteerzeugung (Nachtstrom)


Versuchsanlage Vakuumeiserzeuger und Eisspeicher im

ILK Dresden

Thermodynamische Parameter der Anlage

Verdampfungstemperatur: -2…0°C

Verdampfungsdruck: 600 Pa

Verdampferleistung: 50 kW

Verdichterantriebsleistung: 5 kW

Verdichtervolumenstrom: 4.7 m³/s

max. Speicherentladeleistung 300 kW

max. Speicherkapazität: 350 kWh

bei Eiskonzentration: 50 %

Speichervolumen: 6.6 m³

ice concentration 0%

10%

50%

size of storage with a diameter of

3,0 m

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Siz

e [

m]

storage capacity [kWh]


Size an capacity

Cold water storage

1MWh

Ice slurry storage

1MWh

Wasserreinigung, Wasserentsalzung



Wasseraufbereitung mit Abwärme

Wasserreinigung / Trinkwassergewinnung

Tagesleistungen 1 … 10 m³ Destillat

Wärmeleistung 10 kW … 100 kW

Heiztemperatur maximal ! 65°C

MED- Versuchsanlage

am ILK Dresden

© ILK Dresden

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Zusammenfassung

Nachhaltige Kältetechnik ist im System energieeffektiv und nutzt

ökologische Arbeitsstoffe

Jede Kältemaschine ist eine Wärmepumpe

Absorptionskälteanlagen erfordern höhere Investitionen als

Kompressionskälteanlagen

Absorptionskälteanlagen sind wichtiger Bestandteil dezentraler

Energieversorgung KWKK

KWK wird häufig erst durch die Wärmenutzung für

Kälteprozesse wirtschaftlich darstellbar

Mit Kältetechnischen Verfahren kann Energie gespeichert und

Wasser gereinigt werden

36

Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH

Ende der Präsentation

Dr.-Ing. P. Albring

________________________________________

Tel.: +49 351 / 4081-700

Fax: +49 351 / 4081-705

E-Mail: [email protected]

www: www.ilkdresden.de ____________________________________

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Bertolt-Brecht-Allee 20

01309 Dresden

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