Profol setzt in seiner Produktion von Folienprodukten auf eine Clean Cooling-Lösung mit dem natürlichen Kältemittel Wasser.

Profol setzt in seiner Produktion von Folienprodukten auf eine Clean Cooling-Lösung mit dem natürlichen Kältemittel Wasser. (Bild: Profol)

Kunststoff kann ohne Kühlung nicht verarbeitet werden. Kälteversorgung basiert jedoch mehrheitlich auf energieintensiven Prozessen in Kombination mit Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial. Dass dies auch anders geht, zeigen die Unternehmen Profol und die Gebr. Schwarz. Denn die beiden Kunststoffverarbeiter setzen auf Wasser als natürliches und CO2-neutrales Kältemittel in den Kältemaschinen.

Für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft reicht es jedoch nicht aus, die Materialbeschaffenheit des Produktes hinsichtlich Nachhaltigkeit zu optimieren. Es gilt, den gesamten Prozess von der Produktion über das Verarbeiten bis hin zum Verwerten zu hinterfragen. Laut Plastikatlas 2019 der Heinrich-Böll-Stiftung und des Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland verursachte die Kunststoffindustrie 1.781 Mio. t CO2, wovon 30 %, also rund 535 Mio. t CO2, beim Verarbeiten von Kunststoffen. Um den CO2-Fußabdruck zu senken, muss die kunststoffverarbeitende Industrie auf ressourcenschonende Verfahren setzen

Extruder, Spritzgießmaschinen oder auch Walzen – Kühlung spielt beim Verarbeiten von Kunststoffen eine große Rolle und ist qualitätsentscheidend, da es zu keinen großen Temperaturschwankungen kommen darf. Die Kälteversorgung ist aber auch mit erheblichen Treibhausgas-Emissionen verbunden. Laut dem International Institute of Refrigeration werden 8 % der globalen Emissionen allein durch die Kälteindustrie verursacht. Diese setzen sich aus direkten und indirekten Emissionen zusammen. Die direkten gehen von synthetischen Kältemitteln, sogenannten F-Gasen, mit hohem Treibhauspotenzial aus. Die indirekten sind energieaufwendigen Prozessen und wenig energieeffizienten Kältesystemen geschuldet. Mit dem Umstieg auf natürliche Kältemittel wie Wasser, Luft, Ammoniak, Propan oder CO2 könnten die direkten Emissionen fast komplett vermieden werden. Die entsprechenden Kältetechnologien sind verfügbar, in der Industrie erprobt und können mittlerweile auch den gesamten Kältebedarf abdecken.

Durch den Betrieb der beiden Feldtestanlagen im Verbund kann bei Profol eine Kälteleistung von 160 kW bei 14 °C Kaltwasser bereitgestellt werden.
Durch den Betrieb der beiden Feldtestanlagen im Verbund kann bei Profol eine Kälteleistung von 160 kW bei 14 °C Kaltwasser bereitgestellt werden. (Bild: Profol)

Warum Wasser das ideale Kältemittel ist

Der Einsatz von Wasser als Kältemittel ist sicher und umweltfreundlich. Mit Themen wie Treibhauspotenzial, Toxizität oder Explosivität des Kältemittels müssen sich Betreiber einer Kältemaschine mit diesem Medium nicht beschäftigen. Auch aus Sicht der Energieeffizienz hat Wasser aufgrund seiner hohen Verdampfungswärme einen Vorteil gegenüber F-Gasen. Da Produktionsanlagen in der Kunststoffindustrie sehr kostenintensiv sind und eine stabile Infrastruktur benötigen, ist es unerlässlich, auf eine zukunftsfähige Kälteversorgung zu setzen. Gesetzesvorgaben zur Senkung der CO2-Äquivalente von F-Gasen führen jedoch dazu, dass manche Kältemittel zur Gänze verboten und andere in weniger als zehn Jahren ständig wechseln werden. Dies hat Kältemittelengpässe, Preissteigerungen, einen erhöhten Wartungsaufwand von Bestandsanlagen und im Zweifelsfall eine eingeschränkte Betriebssicherheit zur Folge.

Neben ihrem ohnehin schon hohen Treibhauspotenzial verursachen F-Gase zusätzliche CO2-Emissionen da sie produziert, transportiert, gelagert, bereitgestellt und entsorgt werden müssen. All diese Punkte entfallen beim Verwenden von Wasser als Kältemittel und helfen Unternehmen, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren.

Der bayrische Kältemaschinenhersteller Efficient Energy, Feldkirchen, liefert bereits seit 2017 Kältemaschinen mit Wasser als Kältemittel aus. Eines der ersten Unternehmen, das in der Kunststoffverarbeitung auf dieses natürliche Kältemittel setzte, ist Gardena Manufacturing in Gerstetten bei Ulm. Bereits seit vier Jahren wird dort ein E-Chiller 35 zum Kühlen eines Extruders eingesetzt.

Nun bringt der Kälteanlagenhersteller eine neue Generation der E-Chiller-Kaltwassersätze auf den Markt. Der E-Chiller 120 stellt bei 0 % direkten CO2-Emissionen bis zu 120 kW Kälteleistung bereit und ermöglicht somit im Geräteverbund den Einsatz von Wasser als Kältemittel auch für die in der Kunststoffindustrie üblichen Kälteleistungen von 400 bis 500 kW.

Wie der Feldtestbetrieb verlief

Profol mit Sitz in Halfing, ist ein Hersteller hochwertiger Cast-Folien für Verpackungen, Büroartikel, Möbel- und Fußbodenbeschichtungen. Der Kunststoffverarbeiter hat durch den Einsatz zahlreicher Extrusionsanlagen mit Kühlwalzen zur Herstellung von Folien einen großen Kühlbedarf im Temperaturbereich zwischen 12 und 16 °C. Im Rahmen des Feldtestprojektes wurden im Dezember 2020 zwei E-Chiller 120 an das bestehende zentrale Kaltwassernetz mit Temperaturen um die 14 °C angeschlossen. Durch den Betrieb der beiden Clean Cooling-Anlagen im Verbund kann eine Kälteleistung von 160 kW bei 14 °C bereitgestellt werden. Das Kaltwasser speist einen Pufferspeicher, von dem aus alle Verbraucher versorgt werden. Die Anlagen verfügen über eine energieoptimierte Rückkühlregelung und konnten an das bestehende Rückkühlsystem angebunden werden.

Mitte Juli wurden bei Gebr. Schwarz die beiden Seriengeräte in Betrieb genommen.
Mitte Juli wurden bei Gebr. Schwarz die beiden Seriengeräte in Betrieb genommen. (Bild: Efficient Energy)

Im Feldtestbetrieb wurden durch das Anpassen dieser Hydraulikregelung, unabhängig von der tatsächlichen Außentemperatur, alle Betriebszustände getestet und auch Lastgrenzen überschritten. Bei 22 °C Kaltwasseraustritt ist der Designpunkt mit 120 kW Kälteleistung und die maximale Motorleistung erreicht.

In Bezug auf die Energieeffizienz konnten die Kältemaschinen die an das Projekt gestellten Anforderungen sogar übertreffen. Die Leistungswerte in der Teillastregelung des Turboverdichters sind überdurchschnittlich im Vergleich zu alternativen Verdrängerverdichtern. So konnte beispielsweise bei einer Nennkälteleistung von 120 kW und einer Kühlwassertemperatur von 25 °C eine Energy Efficiency Ratio (EER)/Leistungszahl von 10,5 erzielt werden. Auch Free Cooling ist weiter ein wichtiger Bestandteil der Produktfamilie und wird beim E-Chiller 120 optional ausgeführt. In dieser sogenannten freien Kühlung wird bei niedrigen Außentemperaturen der Verdichter seine Drehzahl reduzieren beziehungsweise komplett ausgeschaltet. Dadurch wird die benötigte Verdichterenergie eingespart und die Betriebskosten der Kälteanlage erheblich reduziert.

Betriebsgrenzen der Kälteanlage
Betriebsgrenzen der Kälteanlage (Bild: Efficient Energy)

Warum ein Verdichter notwendig ist

Der Kältekreislauf fasst rund 85 Liter und läuft bei diesen Kaltwassersätzen identisch zu herkömmlichen Kältemaschinen ab. Ein entscheidender Unterschied ist jedoch, dass andere Kältemaschinen im Überdruck arbeiten, während bei der E-Chiller-Modellserie im Verdichter ein Grobvakuum (circa 20 mbar) herrscht, das den Einsatz von Wasser (R718) als Kältemittel ermöglicht.

Eine Besonderheit dieser Kältemaschine stellt der Aufbau und das Verdichterkonzept mit dem vom Hersteller eigens entwickelten Turbokompressor dar. Der Verdichter wurde dafür direkt in das Modul der Wärmeübertrager integriert. Der Turbokompressor erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu 50.000 Umdrehungen pro Minute. Trotz dieser hohen Geschwindigkeiten kommt es beim Anlaufen des Verdichters zu keinen Stromspitzen (Einschaltstrom <25 A). Der Verdichter schafft es in weniger als 30 s auf Startdrehzahl und in nur 2 min auf die maximale Drehzahl. Der Schallleistungspegel (DIN EN ISO 3744) der Kältemaschine mit Gehäuse ist im Verhältnis dazu mit maximal 62 dB(A) gering.

Bei Profol wurde für den Feldtest eigens eine Bühne für die Kältemaschinen mit Abmessungen von 1.950 mm x 2.015 mm x 890 mm im Maschinenraum errichtet. Eine Aufstellung ist jedoch auch außerhalb eines Maschinenraums in allen geschlossenen, frostfreien Räumen möglich.

Seit Mitte August laufen die Feldtestanlagen im Regelbetrieb und werden im Herbst gegen Serienanlagen ausgetauscht. Bis dahin können diese über die Fernwartung weiterhin in Echtzeit ausgewertet und Einstellungen optimiert werden. Der technische Leiter von Profol, Valentino Winhart, erläutert: „Die beiden E-Chiller 120 haben die Projektanforderungen erfüllt und zum Teil sogar übertroffen. Ich freue mich, dass wir nun auch in Sachen Kälteversorgung gemäß unserer Unternehmensphilosophie auf eine nachhaltige und umweltfreundliche Lösung setzen und hoffe, dass wir diese noch vermehrt bei Profol zum Einsatz bringen können.“

Die Energy Efficiency Ratio (EER) ist die Kälteleistungszahl und gibt Auskunft über die Effizienz im Kühlbetrieb.
Die Energy Efficiency Ratio (EER) ist die Kälteleistungszahl und gibt Auskunft über die Effizienz im Kühlbetrieb. (Bild: Efficient Energy)

Wasser ersetzt R134a

Auch bei Gebr. Schwarz, Hersteller von Lösungen für Kunststoff- und Werkzeugtechnik, wird seit Mitte Juli 2021 mit Wasser gekühlt. Über den Partner von Efficient Energy, das Kälte- und Klimatechnikunternehmen Hafner-Muschler, wurde bei den Gebr. Schwarz in Rottweil-Neukirch eine 22 Jahre alte Kältemaschine mit dem umweltschädlichen Kältemittel R134a durch zwei E-Chiller 120 ersetzt. Die Entscheidung für eine Clean Cooling-Anlage basiert auf der Beratung durch Sempact, Landsberg am Lech, mit deren Hilfe auch eine Förderung beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), Eschborn, beantragt und bewilligt wurde.

Die beiden Kälteanlagen speisen beim Kunststoffverarbeiter für die Kühlung unterschiedlichster Maschinen zur Kunststoffverarbeitung in die zentrale Kälteversorgung ein. „Efficient Energy hat sich hier einer äußerst wichtigen Aufgabe im Kampf gegen den Klimawandel angenommen“, so Uwe Schwarz zur Inbetriebnahme der nachhaltigen Kältelösung in seinem Unternehmen. „Nun liegt es an uns, der verarbeitenden Industrie, diese Technologien zum Einsatz zu bringen und so im Interesse aller, unseren CO2-Fußabdruck zu reduzieren.“

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