09.03.2010

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CO2 kühlt auch auf der Südhalbkugel

Im Supermarkt-Kühlregal werden zur Kälteerzeugung noch immer fluorierte Treibhausgase als Kältemittel eingesetzt. Doch von Skandinavien bis nach Australien gibt es Beispiele, wo Kohlendioxid bereits eingesetzt wird.

Der Einsatz von Kohlendioxid ermöglicht energieeffiziente Kälteanlagen und trägt nur in einem vernachlässigbaren Masse zum Treib­hauseffekt bei. In Dänemark sind seit 2007 fluorierte Kohlenwasserstoffe in neu installierten Kälteanlagen nur noch in Füllmengen bis zu 10 Kilogramm zugelassen. Deshalb ­entschied sich die dänische Supermarktkette ­Super Best in ihrer Filiale in Kopenhagen für eine mit Kohlendioxid betriebene Kas­ka­den­an­lage. Der Kälteanlagenbauer Knudsen Køling realisierte hierfür ein Kühlsystem, das mit zwei durch einen Plattenwärmetauscher gekoppelten Kältekreisläufen arbeitet.

Mit drei Temperaturniveaus
Dadurch lassen sich drei Temperaturniveaus erzielen, von denen zwei zur Kühlung und eines zur Wärmeabfuhr dienen. Das niedrigste Niveau wird für die Tiefkühlmöbel und die im Untergeschoss befindlichen Tiefkühlkammern genutzt. Bei einer Verdampfungstemperatur von –28 Grad Celsius hält das Kohlen­dioxid die Luft dort auf –20 Grad Celsius. Die zweite Stufe ist für die Kühlmöbel und -räume vorgesehen, in denen eine Lufttemperatur von wenigen Plusgraden herrschen soll. Bei –10 Grad Celsius Verdampfungstemperatur werden die Verdampfer hierfür mit Kohlendioxid versorgt. Das dritte und höchste Niveau sorgt je nach Umgebungstemperatur durch Verflüssigung beziehungsweise Gaskühlung für eine zuverlässige Wärmeabfuhr. Insgesamt erbringt die Kaskadenanlage eine Kälteleistung von 150 Kilowatt.
Die Kühlkammern hat der Zulieferer mit Verdampfern ausgestattet. Die Wärmeabfuhr ermöglicht ein Verflüssiger, der bei hohen Umgebungstemperaturen und überkritischer Prozessführung als Gaskühler funktioniert. Um die Betriebssicherheit der Anlage auch bei einem Druck von 120 bar zu gewährleisten, wurde der Gaskühler und die komplette Verrohrung aus Edelstahl mit 0,7 Millimetern Wandstärke angefertigt. Durch seine geräusch­arme Ausführung lässt sich der Gaskühler selbst in Gegenden mit hohen Schallschutz­anforderungen einsetzen. Die Einspritzung an Verdampfern und Kühlstelle regeln elektronische Komponenten. Europaweit existieren be­reits elf ähnliche Anlagen für die kombinierte Tief- und Normalkühlung sowie 100 An­lagen für die Tiefkühlung in Supermärkten.

Tesco setzt ebenfalls auf CO2
Auf natürliche Kältemittel setzt auch Gross­britanniens grösste Supermarktkette Tesco in ihrer rund 5400 Quadratmeter grossen Nieder­lassung in Shrewsbury. Getreu der Zielsetzung, im Einzelhandel die Führung in Sachen umweltfreundliche Kältelösungen zu übernehmen, liess sich Tesco von Johnson Controls ein Kältesystem mit Kohlendioxid und dem Kohlenwasserstoff R1270 installieren. Damit ist die Filiale der erste Supermarkt Gross­britanniens, dessen Kühlung ausschliess­lich mit natürlichen Kältemitteln erfolgt.
Die Maschinenräume wurden in zwei Sek­tionen eingeteilt und mit jeweils einer Kaskadenanlage ausgestattet, in deren Kältemittelkreislauf R1270 zirkuliert. Als Kälteträger dient Kohlendioxid, das aufgrund seines besonders guten Wärmeübertragungsverhaltens für die Kühlmöbel verwendet wird, die Lebensmittel bei Plustemperaturen kühlen, wie für dieje­nigen, in denen gefrorene Produkte ausliegen. Die in einem separaten Teil des Maschinenraums untergebrachte Kohlenwasserstoff-Füll­menge wurde minimal gehalten.

Kälteleistung von 255 Kilowatt
Die einzelnen Anlagen erbringen jeweils eine Kälteleistung von 255 Kilowatt im mittleren und 45 Kilowatt im Niedertemperaturbereich. Die Enthitzer nutzen Trockenkühler und verfügen zudem über einen kurzen Glykolkreislauf. In Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur kühlt dieser Kreislauf das verdichtete Gas auf die Verflüssigungstemperatur von 20 Grad Celsius ab. Die Trockenkühler wiederum sind mit Ventilatoren bestückt, die über einen Wechselrichterantrieb betrieben ­werden. Ein Temperaturregler sorgt dafür, dass die Leistung der Anlagen immer an die ak­tuellen Bedingungen angepasst wird und somit der jeweilige Kältebedarf mit dem geringstmöglichen Energieverbrauch gedeckt wird. Den ­sicheren Betrieb des gesamten Kältesystems gewährleistet ein zentrales Regelungs- und Überwachungssystem, das etwaige Lecks früh­zeitig erkennt.
Innovativen Charakter erhält das Projekt durch die Nutzung von Grundwasser für
die Kühlung des Kältemittelkreislaufs. Diese ­natürliche Wärmesenke ermöglicht einen ganzjährigen Betrieb des Kühlsystems unter stabilen Bedingungen – auch ungeachtet der hohen Aussentemperaturen während der Sommermonate.

Auch auf der Südhalbkugel
Einen ambitionierten Schritt hat Drake Foodmarkets in seiner Foodland-Filiale im südaustralischen Angle Vale gemacht. In dem Vorort von Adelaide betreibt die Kette seit ­Dezember 2007 den ersten Supermarkt auf der südlichen Welthalbkugel, der mit einem transkritischen Kohlendioxid-Kältesystem ­gekühlt wird. Unterstützt wurde das Projekt auch durch die australische Regierung, die im Rahmen eines Programms zur Verringerung der Treibhausgase die im Vergleich zu herkömmlichen Direktverdampfungsanlagen höheren Konstruktions- und Installationskosten übernahm.
Die Anlage, die mit rund 450 Kilogramm Kohlendioxid befüllt ist, setzt das Kältemittel in Direktverdampfung ein. Dabei wird es an den Kühlstellen für die Normalkühlung bei –10 Grad Celsius und in der Tiefkühlung bei –35 Grad Celsius verdampft. Die Verdichtung des gasförmigen Kohlendioxids übernehmen insgesamt zwölf Hubkolbenverdichter – acht einstufige Verdichter für die Normalkühlung, vier zweistufige für die Tiefkühlung. Zusammen erbringen die Einheiten eine Gesamt­leistung von 250 Kilowatt.

Herausforderung Temperaturschwankungen
Die grösste Herausforderung für das Kälte­system besteht im südaustralischen Klima
mit seinen gemässigten Wintern und heissen Sommern. Bei der Auslegung der Hochdruckseite galt es, Aussentemperaturen von bisweilen über 40 Grad Celsius zu berücksichtigen. Diese verhindern die Verflüssigung am Ende des Kältekreislaufs, da das verdichtete Kohlendioxid seinen kritischen Punkt von 31 Grad Celsius überschreitet und ein Zustandswechsel nicht erfolgen kann.
Zur Lösung dieses Problems wurde dem luftgekühlten Verflüssiger eine Verdunstungskühlung vorgeschaltet. Steigt die Umgebungstemperatur über 28 Grad Celsius, kühlt sie den Luftstrom ab, der in den Verflüssiger eintritt und dort die Wärme des komprimierten Kohlendioxidgases abtransportiert. Auf diese Weise kann das Kältemittel unter die Temperatur der Aussenluft abgekühlt werden. Das erhöht die Effizienz der Anlage, auch wenn die Wärmeabfuhr weiter bei überkritischem Druck abläuft. Darüber hinaus verfügt die Anlage über ein System zur Kontrolle des Hochdrucks. Dieses ermöglicht eine genaue Steuerung der Unterkühlung, die das flüssige Kältemittel beim Austritt aus dem Verflüs­siger erfährt.

Projekt wurde mit Preis auszgezeichnet
Neben Angle Vale ermöglicht das von der ­australischen Kältevereinigung Green Cooling Council verwaltete Programm zur Verringerung der Treibhausgase vier weitere Vorführ- und Evaluierungsprojekte. Dass die Investi­tionen Früchte tragen, zeigte sich letztes Jahr bei der Verleihung der Cool World Industry Awards. Das Projekt von Angle Vale wurde für seine Umweltfreundlichkeit als Kälteanlage des Jahres ausgezeichnet. pd/eurammon

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