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Prof. Dr.-Ing. Paul Kohlenbach Beuth Hochschule für Technik

Simulation und Energiespeicherung in der Kältetechnik

Vortrag im Fachforum Kälte Berliner Energietage

07.05.2018

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1990

2050

2050

2008 -25%

Energiekonzept der Bundesregierung von 2010

-80% bis

-95%

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1. Teil Simulation in der Kältetechnik

4 Effizienz von Kälteanlagen - statisch

Früher: l  statische Betrachtung der Effizienz

= Leistungseffizienz = ε l  Effizienz hängt u.a. ab von:

o  Kältemittel (Dampfdruckkurve) o  Bauart des Expansionsventils

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Leistungseffizienz = NutzenAufwand

= KälteleistungAntriebsleistung

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R-­‐290

R-­‐450

R-­‐449A

R-­‐404A

5,21

5,10

5,32

5,23

3,49

2,88

4,21

4,21

2,66

2,62

2,72

2,57

Quelle:  Bitzer  So.ware  v6.6  

Effizienzvergleich für verschiedene Kältemittel - statisch

Randbedingungen: l  Elektronisches Expansionsventil l  Verdampfertemperatur = -10°C = konstant l  optimierte Verflüssigungstemperaturen:

6 ⋯ 18 °C

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Leistungseffizienz ε einer Kälteanlage im Auslegungspunkt

R-­‐290

R-­‐450

R-­‐449A

R-­‐404A

5,21

5,10

5,32

5,23

3,49

2,88

4,21

4,21

2,66

2,62

2,72

2,57

Quelle:  Bitzer  So.ware  v6.6  

Effizienzvergleich für verschiedene Kältemittel - statisch

Fazit: l  Effizienzsteigerung durch sog.

„Winterregelung“: tages- und jahreszeitliche Anpassung der Verflüssigungs- an die Umgebungstemperatur

l  ABER: Jahres-Effizienz liegt unterhalb des erreichbaren Maximums

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Leistungseffizienz ε einer Kälteanlage im Auslegungspunkt

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7 Effizienz von Kälteanlagen - dynamisch

Heute: l  dynamische Betrachtung der

Effizienz = Jahresarbeitszahl = JAZ

l  Effizienz hängt u.a. ab von: o  Kältemittel (Dampfdruckkurve) o  Bauart des Expansionsventils o  Kühltemperatur o  Abtaumechanismus Verdampfer o  Größe der

Wärmeübertragerflächen o  Betriebsart der Ventilatoren

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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage

Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung

Thermost. EV, mittlere WÜ, elektr. Abtauung

Thermost. EV, große WÜ, elektr. Abtauung

Thermost. EV, große WÜ, elektr. Abtauung

Thermost. EV, große WÜ, Heissgas-Abtauung, drehz.ger. Verflüss.ventilator

Elektron. EV, große WÜ, Heissgas-Abtauung, drehz.ger. Verflüss.ventilator

Elektron. EV, große WÜ, Heissgas-Abtauung, drehz.ger. Verflüss.+Verd. ventilator

Quellen: [1, 2]

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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage

Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung

Fazit: Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik l  Effizienz hängt von Anlagentechnologie

ab l  erhebliche Minderungen möglich in

Jahrzehnten l  Maßnahmen: in den meisten Fällen

wirtschaftlich

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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage

Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung

Fazit: Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik l  Simulationen hängen stark von

Randbedingungen ab à unter anderen Bedingungen können erheblich abweichende Ergebnisse auftreten à der Betrieb jeder Kälte- und Klimaanlage sollte unter Energieeffizienz-Gesichtspunkten vorher simuliert werden

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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage

Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung

Fazit:

Energiekonzept der Bundesregierung 2010 l  Emissions-Minderung um 80 – 95 % bis

2050 mit reiner kältetechnischer Optimierung unmöglich

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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage

Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung

Weitere Maßnahmen: l  intelligente Nutzung fluktuierender

Energie à Einbindung erneuerbarer Energiequellen à Speicherung von Kälte (und Wärme)

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7

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2. Teil Energiespeicherung in der Kältetechnik

14 Energiespeicherung in der Kältetechnik

Ausgangszustand (Referenz): -  teilweise solar, teilweise netzbetriebener Kaltsoleerzeuger R-290 -  tagsüber: überschüssiger PV-Strom nicht genutzt -  nachts: reiner Netzbetrieb

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Variante 1 - Batteriespeicher: -  solar, batterie- oder netzbetriebener Kaltsoleerzeuger R-290 -  Batteriespeicher für Überschussenergie aus Photovoltaik -  Elektrische Energie wird gespeichert (Gleichstrom)

Energiespeicherung in der Kältetechnik

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Variante 2 – Thermischer Speicher: -  solar oder netzbetriebener Kaltsoleerzeuger R-290 -  Phasenwechselspeicher (PCM) für Überschussenergie aus Photovoltaik -  Thermische Energie wird gespeichert („Kälte“)

Energiespeicherung in der Kältetechnik

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Kälteanlage, reiner Netzbezug (Referenz)

Ergebnisse: Energiespeicherung in der Kältetechnik 17

Kälteanlage mit PV-Anlage, ohne Speicher

Kälteanlage mit PV-Anlage und Batteriespeicher

Kälteanlage mit PV-Anlage und PCM-Speicher

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Fazit: Einsatz nur der PV-Anlage l  Reduktion des Bezugs von Netzstrom

um 32% l  wirtschaftlich sehr interessant für PV-

Anlagen, die nach 2020 aus der EEG-Vergütung herausfallen

Einsatz zusätzlich von Energiespeichern l  Reduktion des Bezugs von Netzstrom

um bis zu 59% l  PCM wirtschaftlicher als Batterien

Ergebnisse: Energiespeicherung in der Kältetechnik

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1.  CoolTool Softwarepaket, CoolToolTechnology GmbH. 2.  Schwarz, J. (2018). Persönliche Kommunikation. 3.  Kohlenbach, P und Dunst, B. (2017). „Techno-ökonomische Analyse eines

Verbundsystems aus Photovoltaik-Anlage, R290-Kaltwassersatz und PCM-Kältespeicher“, Jahrestagung des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins (DKV), Bremen, 24.11.2017

4.  http://www.tis-gdv.de/tis/tagungen/svt/svt10/weilhart/inhalt.htm. Zuletzt

abgerufen am 13.11.2017 5.  Kohlenbach P. and Jakob U. (2014). “Solar Cooling - The Earthscan Expert

Guide to Solar Cooling Systems”, Routledge Chapman & Hall, 2014

Quellenangaben 19

20

Kontakt:

kohlenbach@beuth-hochschule.de

Tel. 030-4504-5322

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+ + + Die Leitveranstaltung der Energiewende in Deutschland fand in 2018 vom 07. bis zum 09. Mai im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt.

Weitere Informationen und viele Vortragsunterlagen zu über 350 Vorträgen aus 57 Veranstaltungen im Rahmen der Berliner ENERGIETAGE 2018 finden Sie unter

www.energietage.de

Ein Vortrag im Rahmen der