Eiskalt an die Spitze

Zu den erwähnenswerten Referenzen gehört die Errichtung von Deutschlands erstem Kurzzeitgroßkältespeicher im Rahmen eines Forschungsvorhabens im 5. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung für die eins energie in sachsen GmbH & Co. KG in Chemnitz.

Aufgrund des großen Erfolges des Pilotprojektes erhielt die RAC-Rohrleitungsbau Folgeaufträge, zu denen u. a. der Bau von Anlagen für das Klinikum Chemnitz gGmbH und die Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG. gehörten.

Pilotprojekt in Chemnitz

Das Chemnitzer Fernkältesystem, das bereits seit 1973 in Betrieb ist, besteht aus einem 4,5 km langen Rohrsystem, in dem fünf Grad kaltes Wasser zum Kunden fließt, der dies für technologische Kühlung und Klimatisierungszwecke nutzt. Die Fernkälte wird mit überschüssiger Wärme aus dem Heizkraftwerk Chemnitz Nord in Absorptionskältemaschinen erzeugt und versorgt nahezu alle großen Kälteabnehmer in der Innenstadt, von der Oper über Museen bis zu Kaufhäusern. Auch ein Teil der Technischen Universität (TU) ist an dieses Netz angeschlossen. Im Jahr 2006 wurde die zentrale Kälteversorgung (ZKV) anlagentechnisch erweitert.

Da in der Bundesrepublik Deutschland zu dieser Zeit noch kein vergleichbarer großtechnischer Kurzzeitkältespeicher für Kaltwasser existierte, wurde die Machbarkeit der Kältespeicherung in einem Vorprojekt untersucht und positiv bewertet. "Die Professur Technische Thermodynamik der Technischen Universität Chemnitz übernahm bei diesem Verbundforschungsvorhaben die Begleitforschung (Forschung, Entwicklung, Beratung, Überwachung)", erinnert sich Dipl.-Ing. Frank Rottmann, Prokurist der RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz GmbH. "Unter anderem sollte demonstriert werden, dass große Kältespeicher energetische, ökologische und ökonomische Vorteile bewirken können."

Nur neun Monate Bauzeit

Im Frühjahr und Sommer 2006 wurden der Speicher und die Umgestaltung des Systems geplant. Die Ausführungsplanung übernahm die AIC Ingenieurgesellschaft für Bauplanung Chemnitz GmbH. Im September 2006 begann der Speicherbau, wobei die RAC-Rohrleitungs- bau Altchemnitz GmbH den Auftrag als Generalunternehmer erhielt. Im Juni 2007 konnte der neue Speicher nach nur neunmonatiger Bauzeit eingeweiht werden.

Mit einem Tank von 19 m Höhe und 16,5 m Durchmesser, in den 3.500 m³ Kaltwasser passen, versorgt der Kurzzeitkältespeicher der eins energie in sachsen die Abnehmer in der Chemnitzer Innenstadt zu Spitzenlastzeiten mit Kälte. Der gut gedämmte Kältespeicher wird nachts mithilfe überschüssiger Wärme aus dem Heizkraftwerk Nord durch die Absorptionskältemaschinen aufgeladen und kann tagsüber die Engpässe im Fernkältesystem ausgleichen.

Das Funktionsprinzip

"Der Speicher tritt bei Schwachlastzeiten wie ein Verbraucher und in Spitzenlastzeiten wie ein Erzeuger auf", erklärt Rottmann weiter. "Er bewältigt dabei nicht nur sehr große Be- und Entladeleistungen für die Spitzenlastdeckung, sondern kann auch kleine Lasten gut ausgleichen." Dadurch eignet er sich auch zur Betriebsoptimierung für die Absorptionskältemaschinen. Diese arbeiten jetzt bei bestmöglichen Wärmeverhältnissen und werden maximal ausgelastet.

Der Kältemaschinenbetrieb bei kleinen Leistungen, der in der Regel problematisch ist, kann durch einen entsprechenden Speicherbetrieb vermieden werden. Der Speicher weist bei dieser Kurzzeitspeicherung nur sehr geringe Verluste aus. Die Forscher der TU Chemnitz erarbeiteten unter Leitung von Dr.-Ing. habil. Thorsten Urbaneck, Professur Technische Thermodynamik, Fakultät für Maschinenbau, eine Mischkonstruktion, bei der viele Detaillösungen (z. B. Wärmedämmung) neu entwickelt werden mussten. Die Werkstoffe wurden nach der jeweiligen Beanspruchung bzw. Funktion ausgewählt: Eine wasserdichte Stahlbetonplatte, die die Druckbeanspruchung gut aufnehmen kann, bildet den Boden. Hartschaumplatten aus extrudiertem Polystyrol dämmen sie von außen.

Für den Wandaufbau wurden emaillierte Stahl- bleche geschraubt. Die Wärmedämmung aus synthetischem Kautschuk und Polystyrol wurde außen aufgeklebt und wird durch eine Blechverkleidung geschützt. Das Dach ist eine Leichtbaukonstruktion aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit innenliegender Wärmedämmung. Das Be- und Entladesystem im Inneren ist von der Wand- und Dachkonstruktion statisch entkoppelt und wird durch eine zentrale Stütze und Träger aus Stahl gehalten.

Be- und Entladesystem das A und O

Der Be- und Entladung des Speichers wurde besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Sie entscheidet nicht nur über die verfügbare Leistung, sondern auch darüber, wie gut eine Temperaturschichtung im Speicher aufgebaut und erhalten werden kann. Nur bei einer stabilen Temperaturschichtung ist es möglich, eingelagertes Wasser ohne signifikante Temperaturerhöhung wieder zu entnehmen. Steigt die Wassertemperatur über 6-7 °C, so kann es nicht mehr in das Fernkältesystem eingespeist werden.

Neben den Wärmeeinträgen über die Wand können insbesondere Durchmischungsvorgänge im Speicher zu einer Temperaturerhöhung führen und die Effizienz erheblich beeinträchtigen. Auf der Basis von Simulationsrechnungen entwickelten die Forscher ein Be- und Entladesystem, das eine relativ schmale Übergangszone von höchstens einem Meter generiert. Diese Übergangszone bleibt über längere Zeit erhalten. Auch nach mehreren Tagen ist noch eine optimale Kaltwasserentnahme möglich.

Bei der Entladung liefert der Speicher zuverlässig Kaltwasser mit Temperaturen von ca. 5 °C. Bei der anschließenden Beladung wird das ca. 13 °C warme Rücklaufwasser aus der oberen Speicherzone zu den Absorptionskältemaschinen transportiert und auf die geforderten Temperaturen geregelt und mit ca. 5 °C im unteren Bereich des Speichers wieder eingeladen.

Der Speicher im Fernkältenetz

Der Speicher wurde als angegliederter Speicher in das System integriert. Er kann jederzeit in einem breiten Leistungsspektrum (50-5.000 kW) als Verbraucher oder als Erzeuger agieren. Das Umschalten zwischen den beiden Betriebsarten ist in weniger als 2 Minuten erreicht, ohne dass im Netz spürbare Druck- oder Temperaturschwankungen auftreten. So sind auch in ungewöhnlichen Situationen (z. B. bei Lastabwürfen) die überschüssigen Erzeugerleistungen aus den trägen Absorbern durch den Kältespeicher sofort aufnehmbar.

Die kurzen Umschaltzeiten und die schnelle Nachführung der Leistungsabgabe bzw. -aufnahme machen eine viel stabilere und effizientere Fahrweise der Absorptionskältemaschinen möglich. Diese müssen nicht mehr ausschließlich in Abhängigkeit von der Netzlast geregelt werden. Sie können jetzt mit konstanter Leistungsabgabe im optimalen Lastpunkt betrieben werden. Bei allen Leistungsanpassungen in Richtung Netzseite übernimmt der Kältespeicher den Lastausgleich.

Betriebserfahrungen

Seit der Inbetriebnahme des Kältespeichers im Juni 2007 wurden die Kompressionskältemaschinen kaum mehr benötigt. Die Versorgung der Kunden erfolgte fast ausschließlich durch Kälte aus Wärme. Die für die Spitzenlast erforderliche Kälte wird in der Nacht vorproduziert und gespeichert. Mehrere GWh Abwärme pro Jahr können jetzt zusätzlich zur Kälteerzeugung genutzt werden. Damit werden pro Jahr hunderte MWh elektrische Energie substituiert, die sonst zu relativ hohen Spitzenlast-Strompreisen bezogen werden müssten.

Der variable Betrieb der drei Absorptionskältemaschinen in Kombination mit dem Kältespeicher sorgt für die Spitzenlastdeckung und den Lastausgleich. In der Nacht reichen die Leistungskapazitäten der Absorptionskältemaschinen für die Speicherbeladung. In Kombination mit dem Kältespeicher decken die Absorptionskältemaschinen Netzlasten bis zu 8 MW komplett ab. Die nächtliche Beladung des Speichers mit den vorhandenen Absorptionskältemaschinen deckt die Spitzenlast des folgenden Tages vollständig.

Die Kompressionskältemaschinen (4,2 MWk) dienen jetzt als Notfallreserve. Elektrische Energie zu Mittel- und Spitzenlastzeiten (bezogen auf die Kälteversorgung) wird durch eine verstärkte Abwärmenutzung eingespart. Die Betriebsergebnisse lassen sich auf viele andere Systeme übertragen: Ein Kältespeicher erhöht die Effizienz der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Der Verbrauch von elektrischer Energie in der Mittel- und Spitzenlast kann zugunsten von Abwärme reduziert werden. Der Nutzungsgrad des angeschlossenen Heizkraftwerks verbessert sich.

Folgeaufträge 
nach erfolgreichem Pilotprojekt


Im Jahr 2012 hat die RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz auch die bestehende Anlage im Klinikum Chemnitz erweitert und unter laufendem Betrieb einen Kältespeicher errichtet. Mit der neuen Kälteanlage am Standort Flemmingstraße wurden einerseits die verfügbaren Kapazitäten ausgebaut und die Versorgungssicherheit für den Klinikbetrieb erhöht, andererseits wurde das System über den Großspeicher energie-ökonomisch optimiert.

Herzstücke der Anlage sind die Absorptionskältemaschine und der Kältespeicher neuer Technologie, für dessen Prinzip und Betriebssystematik die TU Chemnitz und eins energie in sachsen Patente halten. Durch die neue Technik erhöht sich die Spitzenleistung der Kälteerzeugungsanlage von 1.200 auf bis zu 2.800 kW. Die Lösung mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und Kältespeicher gibt pro Jahr etwa 600 t Kohlendioxid weniger an die Umwelt ab als bei einer konventionellen Lösung mittels einer Kompressionskältemaschine. Der Energieversorger erzeugt die Fernkälte aus der Fernwärme des Heizkraftwerkes Chemnitz Nord mittels Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Über Fernwärmerohre gelangt ca. 120 °C heißes Wasser in die Kälteanlage. Die Absorptionskältemaschine verwendet die Energie der Fernwärme, um Wasser auf 6 °C abzukühlen.

Das gekühlte Wasser fließt über ein gut isoliertes Rohrnetz zu den Lüftungsanlagen, wo es die Kälte abgibt und die Wärme aus den Räumen aufnimmt. Das aufgewärmte Wasser, das dann eine Temperatur von ca. 12 °C aufweist, wird zurück in die Kälteanlage transportiert, wieder abgekühlt und der Kreislauf beginnt von vorn. Entstehende Prozesswärme wird nach außen abgegeben. Bei hohem Bedarf wird Kälte zusätzlich aus dem Kältespeicher mit einem Volumen von 1.000 m³ entnommen. Das Wasser im Kältespeicher hat im unteren Bereich eine Temperatur von 6 °C und im oberen Bereich von etwa 12 °C und ist durch die ausgeklügelten Be- und Entladesysteme verwirbelungsfrei stabil geschichtet.

Auch für die Industrie

Die RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz GmbH hat bisher nicht nur für Versorgungsunternehmen Kältespeicher-Anlagen erweitert oder eingerichtet. Nach der erfolgreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeit der TU Chemnitz konnte RAC die zukunftsweisende Technik auch für ein Industrieunternehmen umsetzen - und das in wesentlich größerer Dimension. 6,5 Millionen Liter Wasser passen in den Kältespeicher, den das Pharmaunternehmen Boehringer Ingelheim im baden-württembergischen Biberach durch die RAC errichten lassen hat.

Der Speicher ist damit fast doppelt so groß wie die Pilotanlage in Chemnitz. Bei den letzten beiden Projekten wurde der eigentliche Speicher als geschweißter Stahlbehälter mit einer vor Ort geschäumten Wärmedämmung ausgeführt, die eine sinnvolle technische Alternative zu einem geschraubten Behälter darstellte. Das Unternehmen hat sich bei der Umsetzung des Konzeptes zur Versorgung der Klimatisierung die Vorteile der Kältespeicherung zunutze gemacht: Der Platzbedarf im Gebäude ist gering, es müssen keine Geräte an die Fassade angebracht werden, es gibt keinen Maschinenlärm, Wartungen und aufwändige Bedienung von Geräten übernehmen Spezialisten und sorgen für einen sicheren und effektiven Betrieb.

Die Lösung des Kältespeichers ist nicht nur umweltfreundlich, sondern auch ökonomisch ausgewogen. Hinzu kommt: Für die Kälteversorgung in der pharmazeutischen Industrie ist nach Angaben des Unternehmens ein stark schwankender Bedarf typisch. Genau hier greift ein Vorteil des Kaltwasserspeichers: Der Kältespeicher entkoppelt die Kälteerzeugung vom Kälteverbrauch. Dadurch kann das System sehr schnell auf eine schwankende Nachfrage reagieren. Dieses Verhalten ist bei allen drei geschilderten Projekten zur vollen Zufriedenheit nachgewiesen worden.

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