Die Kältemaschine ist skalierbar und ideal geeignet bei Produktionsänderungen. (Bildquelle: Efficient Energy)

Die Kältemaschine ist skalierbar und ideal geeignet bei Produktionsänderungen. (Bildquelle: Efficient Energy)

Schon seit Jahren weist KKT Chillers, Kasendorf, darauf hin, dass das „Thema Energieeffizienz im Bereich der Prozess-Chiller mit ansteigender Leistung an Bedeutung“ zunimmt. Heute bezeichnet Reisner Cooling Solution, Holzwickede, „die Verbesserung der Energieeffizienz als den wichtigsten Trend im Bereich Kältetechnik, der seit Jahren ungebrochen ist und vor allem gestärkt durch die aktuelle Klimadebatte zunehmend Fahrt aufnimmt.“ Obwohl „die Maßnahmen zur Effizienzsteigerung von Kältesystemen bereits heute hoch entwickelt sind“, schreibt das Unternehmen weiter, „ist der Trend zur Verbesserung ungebrochen. Drehzahlregelung ist hier ein wichtiges Stichwort. Immer mehr Pumpen, Verdichter und Lüfter sind in drehzahlgeregelter Ausführung verfügbar und passen sich so der Leistungsanforderung im jeweiligen Betriebspunkt perfekt an.“ Auf diese Maßnahme zum Steigern der Energieeffizienz gehen auch Combitherm, Fellbach, und KKT Chillers ein.

Freie Kühlung spart Energie

Der Einsatz freier Kühlung, den Combitherm anspricht, ist eine weitere Maßnahme. Dazu teilt Efficient Energy, Feldkirchen, mit, dass „Kälteanlagen, die die Möglichkeit einer stufenlosen freien Kühlung bieten, maßgeblich zur Energieeinsparung beitragen. In Referenzanlagen wurde bereits gezeigt, dass auch in Sommermonaten ein Freikühlbetrieb bei hohen Effizienzwerten den Energiebedarf gesenkt hat. Weitere Energieeffizienzeffekte liegen in der bedarfsgerechten und variablen Regelung der Peripherie.“ Sustek, Murrhardt, spricht „eine optimale Entlastung während der kalten Jahreszeit durch zusätzliche Integration von Freikühlern intern in Kompaktkältemaschinen oder als zusätzliche separate Einheiten“ an. Bedeutend ist weiterhin eine „intelligente Steuerung des Prozesswasserstroms über 3-Wege-Ventile für eine stufenlose freie Kühlung, anstatt der Aktivierung der freien Kühlung in Abhängigkeit eines programmierten Schwellenwertes der Umgebungstemperatur. Eine zusätzliche adiabatische Kühlung für die Kondensationsluft sichert die nominale Kälteleistung auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen. Dadurch müssen Geräte bei der Auslegung nicht für die heißesten Tage im Jahr überdimensioniert werden. Dieser Punkt ist auch für die Wirtschaftlichkeit maßgebend, da eine kleinere Gerätebaugröße meistens einsetzbar wird und dadurch eine geringere Leistungsaufnahme abzusichern ist“, ergänzt Sustek.

Systempotential zum Energiesparen nutzen

Blick in die Energiezentrale eines Spritzgieß-Unternehmens mit Kühl-, Rückkühl- und Lüftungsanlagen, die Oni- Wärmetrafo errichtet hat. (Bildquelle: Oni-Wärmetrafo)

Blick in die Energiezentrale eines Spritzgieß-Unternehmens mit Kühl-, Rückkühl- und Lüftungsanlagen, die Oni- Wärmetrafo errichtet hat. (Bildquelle: Oni-Wärmetrafo)

„Zunehmend wichtig wird aber auch die Ausschöpfung des Systempotenzials“, teilt Reisner Cooling Solutions mit. „Es kommt darauf an, nicht mehr nur die Komponenten der Kälteanlage zu verbessern, sondern das Gesamtsystem optimal an den Bedarf des Kunststoffbetriebs anzupassen. Eine solche systemische Maßnahme erfolgt mit Hilfe der Regeltechnik, die dafür sorgt, dass die Kondensationstemperatur der Kälteanlage so niedrig bleibt, wie es die aktuellen Außentemperaturen am jeweiligen Standort zulassen. Aber schon bei der Konzeption der Kältemaschine muss die Effizienz immer mehr mitgedacht werden. Zum Beispiel, indem direkt eine Winterentlastung über Trockenkühler eingeplant wird oder ein Kühlturm Teile der Last übernimmt.“ Weitere Beispiele für das Ausschöpfen des Systempotentials trägt Oni-Wärmetrafo, Lindlar, bei. Mit einer Aqua-Clean-Technologie wird „eine weitreichende Einflussnahme“ erzielt, „weil durch sauberes Kühlwasser dafür gesorgt wird, dass die Wärmetauscherleistung des Werkzeugs verbessert wird und so die Kühlwassertemperatur nicht unnötig tief gefahren werden muss und daraus wiederum ein geringerer Energieverbrauch pro erzeugte kWh-Kälte resultiert. Auf der Prozessseite, zum Beispiel beim Spritzgießen, kann dadurch eine kürzere Zykluszeit gefahren werden, die eine bessere Maschinenauslastung zur Folge hat. Investitionen für Maschinen und Trafostationen bei zusätzlichen Aufträgen sind dann nicht zwingend.“ Neben dem Verbessern der Kühlwasserqualität und der damit verbundenen direkten positiven Einflussnahme auf den Fertigungsprozess berichtet Oni-Wärmetrafo von einer weiteren Entwicklung, mit der „sich im Rückkühlkreis von leerlaufenden Freikühlern erfahrungsgemäß zwischen 35 und 65 Prozent des Stromverbrauchs der Pumpen reduzieren lassen.“ Sustek spricht als weiteren Trend den „Ersatz von Verdunstungskühltürmen durch selbst entleerende Adiabatkühler“ an, die glykolfrei betrieben werden und nicht unter die 42. BlmSchV (Bundesimmissionsgesetz mit Verordnung über Verdunstungskühlanlagen, Kühltürme und Nassabscheider von 2017) fallen. IKT Industrielle Kühltechnik, Plochingen schreibt, dass „diese Verordnung den Betreibern von Kühlanlagen auf Verdunstungsbasis zusätzliche Überwachungspflichten auferlegt.“ Mittlerweile haben viele Betreiber erkannt, „dass der Aufwand hierfür sich in überschaubaren Grenzen bewegt und die wirtschaftlichen Vorteile dieser Technik, insbesondere der geringe Primärenergieverbrauch, bei weitem überwiegen.“ Ein weiterer Gesichtspunkt zum Thema Energieeinsparung ist laut IKT Industrielle Kühltechnik, dass „bei der Renovierung von Anlagen im Gebäudebestand die Winterentlastung von Kältemaschinen gegenüber einer aufwendigen Wärmerückgewinnung häufig bevorzugt wird.“

Megatrend Digitalisierung

Zu Trends in der Anlagen- und Gerätetechnik berichtet Reisner Cooling Solutions, dass im Rahmen der Verbesserung der Energieeffizienz „nicht nur die einzelnen Komponenten in ihrem jeweiligen Verbrauchsverhalten optimiert, sondern auch die Systeme so abgestimmt werden, dass der Verbrauch dadurch zusätzlich gesenkt wird. In dem Zusammenhang wirkt sich auch der Megatrend der Digitalisierung aus: Die Energieaufnahme soll nicht mehr nur reduziert, sondern zu jedem Zeitpunkt im Produktionsprozess dokumentiert werden. Laut Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle nimmt die Anzahl der Unternehmen, die ein Energiemanagementsystem nach DIN EN ISO 50001 betreiben, dank Anreizen des Gesetzgebers exponentiell zu. Basis für ein erfolgreiches Energiemanagement ist die lückenlose Verbrauchsdatenerfassung, vor allem in energieintensiven Bereichen. Entsprechend entwickeln sich auch die Sensortechnik und die Steuerungstechnik weiter.“ Beim Programmieren von Kälteanlagensteuerungen werden daher zunehmend Effizienzmonitoringsysteme integriert. Friegel, Rheinfelden, geht auf das digitale Vernetzen zwischen der Werkzeugtemperaturregelung und der Spritzgießmaschine ein. Die dazu entwickelte „digitale Integrationsplattform in Verbindung mit einer zentralen HMI und einer speziellen Überwachungssoftware erlaubt den Fernzugriff auf das Kühlsystem und die Echtzeitverwaltung aller wichtigen Parameter. Dies entspricht den Standards von Industrie 4.0 und Industrial Internet of Things (IIoT).“ Auch Oni-Wärmetrafo spricht von einer „immer weiterreichenden Anlagenfernüberwachung, die angefangen von der Parameterüberwachung bis zur Effizienzanalyse und darüber hinaus bis zur Terminorganisation von Wartung und bei Meldung einer Überschreitung von Grenzwerten bis zur Organisation eines Serviceeinsatzes mit festgelegter Reaktionszeit reicht.“

Modulare Anlagen senken Kosten

Platzsparende Lösung: Der Freikühler wurde auf dem Container installiert.

Platzsparende Lösung: Der Freikühler wurde auf dem Container installiert.

„Die bisher zentrale Versorgung der Produktionseinheiten mit Kaltwasser hat“, nach Efficient Energy, „dazu geführt, dass Produktionslinien mit geringeren Temperaturen angefahren werden als nötig. Zentrale Kaltwasserpumpen sind oft im Stand-by-Betrieb, um einige wenige Produktionseinheiten zu versorgen, während andere aufgrund von Revision oder aus anderen Gründen nicht laufen. Durch den Trend zur modularen und semizentralen Medienversorgung von Druckluft, Kaltwasser und Kühlwasserkomponenten kann ein bedeutendes Energieeinsparpotential optimal genutzt werden. Eine weitere Möglichkeit beim modularen Anlagenaufbau um Kosten zu senken ist die Flexibilität gegenüber konjunkturellen Anforderungen.“

Sustek berichtet von „Luftkühlung für Blasfolienanlagen mit direkter Expansion in Kombination mit frequenzgeregelten Kompressoren anstatt über Wasser mit Luft-/Wasserwärmetauscher.“ Vorteile dieser Methode sind eine höhere Energieeffizienz, höhere Temperaturstabilität, das Erreichen tieferer Temperaturen sowie effizientere Entfeuchtung der Kühlluft. Während der kalten Jahreszeit kann mittels intelligenter Mischluftkammern die Energieeffizienz weiter reduziert werden.

Natürliche Kältemittel sind gefragt

Einen für Kälteanlagen wesentlichen Aspekt, den der verwendbaren Kältemittel, spricht Reisner Cooling Solutions an: „Seit dem Inkrafttreten der neuen F-Gase-Verordnung 2015 wird das Thema Kältemittel in der Branche kontinuierlich wichtiger. Ab 2022 werden Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial (Global Warming Potential GWP) von über 2.500 verboten. Neue synthetische Kältemittel können diesen Anforderungen gerecht werden, aber auch sie enthalten Fluor und die Auswirkungen ihrer Zersetzungsprodukte auf die Atmosphäre sind noch nicht bekannt. Sinnvoller ist da der Umstieg auf Substanzen, die in der Natur vorkommen – sogenannte natürliche Kältemittel. Dieser Trend wird die Entwicklung neuer Kältesysteme und -komponenten in den nächsten Jahren entscheidend prägen.“ Vor diesem Hintergrund beleuchtet Efficient Energy eine langfristig angelegte Produktion. Wird diese „unter wirtschaftlichen Aspekten auf den Prüfstand gestellt, so werden oft die steigenden Kosten für Kältemittel und für die Wiederbeschaffung der Kältemaschinen vernachlässigt. Im Zuge der EU-F-Gase-Verordnung (EN517-2014) werden die aktuell verfügbaren Kältemittel jedoch aufgrund ihrer hohen CO2-Äquivalente noch vor 2030 nicht mehr in allen Branchen verfügbar. Dies wird eine Preissteigerung nach sich ziehen. Zudem werden alle erlaubten F-Gase bis 2030 und danach brennbar sein. Diese Brennbarkeit bedingt bauphysikalische Anforderungen, die weitere Kosten verursachen können. Diese wirtschaftlichen Gesichtspunkte sollten vor dem Ersatz von bestehenden oder der Neuanschaffung einer Kältemaschine berücksichtigt werden. Bereits jetzt gibt es interessante alternative Kältemittel wie Wasser (R-718) und CO2 (R-744).“ Auf ersteres weist auch Combitherm hin. Lister, Lüdenscheid, teilt zu dieser Problematik mit, dass „die Nachfrage nach natürlichen Kältemitteln steigt und immer mehr Kaltwassersätze mit dem natürlichen Kältemittel Propan (R-290)“ verbaut werden. Auch Efficient Energy geht diesen Weg und bietet nach eigener Aussage den „ersten serienmäßig hergestellten Kaltwassererzeuger ohne Kältemittel und ohne Kältemaschinenöl“ an. Bei dieser Anlage „werden statt Kältemittel 60 Liter Trinkwasser im geschlossenen Kreislauf unter Vakuum verdampft und somit Kaltwasser erzeugt. Die Temperaturen liegen in den üblichen Anwendungstemperaturen von Spritzguss- und Extruderanlagen. Damit ist auch erstmals der komplette Verzicht von Kältemitteln (F-Gase) im Anlagenbau möglich. Als großer Vorteil ergeben sich nicht nur sinkende Betriebskosten gegenüber den steigenden Kältemittelkosten, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur Reduzierung des CO2-Footprints.“

Schallschutz innovativ realisiert

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Bildquelle: KKT Chillers

Obwohl, wie KKT Chillers dies schon vor Jahren ansprach, der Schallschutz „im Bereich der Prozess-Chiller deutlich hinter der Energieeffizienz und der Betriebskostenoptimierung anzustellen ist, da ein Chiller meist leiser ist als die Applikation selbst und damit nur einen geringen Anteil am Summenpegel hat“, „wird immer wieder über die Begrenzung der Schallauflagen für Betriebe in gewachsenen Industriegebieten diskutiert.“ Dies stellt Efficient Energy fest und berichtet weiter, dass „dann oft Schalldämmmaßnahmen an außen aufgestellten Kältemaschinen folgen. Diese verursachen zum einen hohe Kosten und zum anderen müssen sie alle fünf Jahre überprüft und gegebenenfalls instandgesetzt werden. Der bessere Weg ist, den Schall erst gar nicht zu verursachen und die Schallquelle der Kältemaschinen ins Gebäude zu holen. Auch hier bieten modulare Systeme Vorteile. Der Schallpegel liegt auf dem Niveau einer angeregten Diskussion und die Standortwahl für die Aufstellung kennt keine Regulierungen.“ Auch Reisner Cooling Solutions berichtet, dass „mit zunehmender baulicher Verdichtung verbesserte Schalldämmung mehr nachgefragt wird. Das Thema ist auch bei der Kältetechnik relevant, zum Beispiel wegen der Schallemissionen von Kondensatorlüftern. Hier schaffen drehzahlgeregelte Komponenten interessante Synergieeffekte: Sie reduzieren nicht nur die Energieaufnahme, sondern auch die Geräuschentwicklung. Da auch die Emissionen von Verdichtern immer mehr in den Fokus geraten, werden spezielle Schalldämmhauben zunehmend nachgefragt.“

Über den Autor

Prof. Dr. Werner Hoffmanns

ist freier Mitarbeiter des Plastverarbeiter.

office@hoffmanns-texte.de