Projekt 12950/01

Demonstration einer Kälteanlage mit Wasser als Kältemittel zur Erzeugung von Kaltwasser und binärem Eis (Vakuumeis)

Projektdurchführung

INTEGRAL Energietechnik GmbH
Lise-Meitner-Str. 2
24909 Flensburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Kältetechnik bedient sich klassischerweise der Fluorkohlenwasserstoffe FKW (Treibhausgase) oder des Ammoniaks (Toxizität, Brennbarkeit). Kohlenwasserstoffe (Brennbarkeit) und Kohlendioxid (Drücke, Verfügbarkeit von Maschinen) haben nur in eng begrenzten Anwendungssegmenten eine Zukunft. Daher ist Wasser als Kältemittel eine ökologisch sinnvolle Alternative, sofern den Besonderheiten des Wassers entsprochen wird. Insbesondere der enorme Fördervolumenstrom und das hohe Druckverhältnis sind technologische Hürden. Das Vorhaben soll zeigen, dass Kälteanlagen mit Wasser als Kältemittel machbar sind. Die in bestehenden Anlagen mit (H)-F(C)KW enthaltenen ca. 150.000 t sowie der jährliche Neuzugang von 35.000 t könnten durch Wasser ersetzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben ist in vier Projektschritte unterteilt. Die Demonstrationsanlage an der Fachhochschule Flensburg dient letztlich als Beweis des Funktionierens des Prozesses und seiner Hauptkomponenten.
Verdampfer, Verflüssiger, Vakuumhaltung, Verdichter und Antriebsmotor sowie die MSR Technik wurden in der ersten Phase konstruiert und angefertigt.
Die nach den Konstruktionsplänen gebauten Komponenten wurden anschließend in der zweiten Phase montiert und in Betrieb genommen. Die Anlage ist seit März 1998 betriebs- und messfähig.
In der dritten Phase wurde die Anlage im Belastungs- und Messbetrieb gefahren. Die vorliegenden Resultate lassen erkennen, dass der Verdichter ungeheuer robust ist und extremen Betriebszuständen ausgesetzt werden kann, ohne mechanisch defekt zu gehen. Die Schaufelgeometrie des Verdichters bei tiefen Drücken/Temperaturen muss allerdings noch optimiert werden, da Pumpbetrieb bzw. die Verstopfungs-Machzahl erreicht werden. An diesem Problem wird derzeit gearbeitet. Vermutlich müssen die Leitschau-feln umkonstruiert werden.
Wie aufwendig und langwierig eine Leitschaufeländerung sein kann, wird sich noch zeigen müssen. Nach Wiederaufnahme des Messbetriebes werden die Versuche ausgewertet und für die praxistaugliche Version der Kälteanlage übernommen.
Die vierte Phase ist zur Verbreitung der Erkenntnisse vorgesehen. Daneben gilt es, die gewonnenen Erfahrungen auf drei nächstgrößere Verdichter zu übertragen, was jedoch nicht Gegenstand dieses Fördervorhabens ist.


Ergebnisse und Diskussion

Nach anfänglichen Erstinstallationen von Kälteanlagen und Wärmepumpen mit Wasser als Kältemittel in der ersten Hälfte der 90er Jahre wurde es notwendig, sich einer universellen, robusten, praxistauglichen, kleinbauenden, fundamentlosen und preiswerten Maschinentechnik zuzuwenden, wobei der Wasserdampfverdichter im Vordergrund steht.
Die bis dato verwendeten Radialmaschinen haben den prinzipiellen Nachteil, dass sie sehr empfindlich und somit zumindest für die universelle Praxis ungeeignet sind (erforderlich sind hohes Druckverhältnis, Unempfindlichkeit bei Eisansatz, gegenüber mitgerissenen Wassertröpfchen und gegen Vibration). Daher wurde die Axialmaschine gewählt. Diese benötigt ein enormes Know-how in der Strömungstechnik und eine völlig neue Produktionsgrundlage, um den Preisrahmen einzuhalten. Marktziel dieser Entwicklung ist der weltweit verbreitete F(C)KW- und Ammoniak-Kaltwassersatz, den es technisch und preislich zu egalisieren gilt.
Die Ergebnisse, die an einer Maschine vergleichsweise kleiner Kälteleistung gewonnen wurden, dienen zur Schaffung und Konstruktions-, Berechnungs- und Betriebsgrundlage für große Maschinen. Der isentropische Wirkungsgrad lag bei Abschluss des Projektes bereits bei 0,74 und lässt erwarten, dass die größeren Serienmaschinen bei 0,8 liegen werden. Dies ist dieselbe Größenordnung, wie sie bei konventionellen Kaltwassersätzen herrschen!
Die Leistungszahl des Kaltwassersatzes mit Wasser als Kältemittel bei üblichen Praxisbedingungen mit 6°C Kaltwasser und 30°C Kondensation liegt bei 5,6, was einem Carnot-Gütegrad von ca. 48 % entspricht. Hier liegen sehr gute Maschinen konventionellen Typs bei etwa 0,55 - 0,62. Mit der erwarteten Verbesserung bei größeren Maschinen werden zumindest dieselben Leistungszahlen erreichbar werden können. Als Eismaschine liegt die Leistungszahl des Aggregates mit Wasser als Kältemittel bei 4,5, was übliche Maschinen nicht erreichen können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen der EXPO 2000 wurde die Versuchsanlage in Flensburg den Besuchern der EXPO vorgeführt. Hierfür kamen Einzelbesucher und ganze Gruppen nach Flensburg und konnten sich an Ort und Stelle vom Betrieb und der Funktion der Anlage überzeugen.
Da die Entwicklung der serienreifen Maschinen noch nicht abgeschlossen ist, wurde auf eine lauthalse Präsentation verzichtet. Statt dessen wurden potenzielle Erstkunden, Technologiemultiplikatoren und Fachleute national wie international angesprochen. Ebenso wurden Vertriebspartner unter Vertrag genommen.
Vorträge vor geladenem Publikum, interne Dokumentationen und Fachberichte wurden dem engen Kreis der o. g. Vertriebspartner und Kunden zugänglich gemacht. Eine groß angelegte Kampagne ist bewusst nicht erfolgt.


Fazit

Der Wasserkühlung und Eiserzeugung mit Wasser als Kältemittel gehört ohne Zweifel die Zukunft, wenn es gelingt, den etablierten F(C)KW-Kaltwassersätzen und Ammoniakmaschinen praxistaugliche, effiziente und preiswerte Maschinen entgegen zu setzen. Das größte Risiko ist dabei nicht die Technik, deren Funktionieren nachgewiesen werden konnte, sondern das für die Zukunft zu befürchtende Auftreten von Unternehmen, die mit gebrauchsuntauglichen oder schlecht funktionierenden Maschinen diesen neuen Markt kaputtmachen könnten.