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Vakuum-Flüssigeis-Technologie

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... für eine effiziente Kältespeicherung, Kühlung und Heizung

Bei der Eiserzeugung mit dem sogenannten Vakuumeis- oder auch Tripelpunktsverfahren, wird Wasser aus einer freien Wasseroberfläche bei etwa -0,5 °C im Vakuum verdampft. Dabei wird der umgebenden Flüssigkeit Energie entzogen und es bilden sich Eispartikel. Je mehr Wasser verdampft wird, umso größer wird der Eisgehalt im Wasser-Eis-Gemisch - dem Flüssigeis.

Das ILK Dresden nutzt dieses Phänomen bei der Vakuum-Flüssigeis-Erzeugung. Dabei werden spezielle, vom ILK entwickelte Wasserdampf-Turboverdichter eingesetzt.

Die Flüssigeistechnologie hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:

  • Kältespeicherung zur Absenkung von Kältebedarfsspitzen bzw. elektrischen Spitzenlasten
  • Kältespeicherung zur Kapazitätserweiterung bestehender Kältenetze sowie zur Erhöhung der Versorgungssicherheit
  • Integration bzw. Speicherung von regenerativer Energie ("Power-to-Cold")
  • Flexibilisierung von Kraft-Wärme-Kälte-Anwendungen
  • Flüssigeis als Kälteträger zur Prozesskühlung / Luftkühlung rund um 0 °C
  • Erschließung von Oberflächengewässern als Wärmequelle für Wärmepumpenanwendungen

Flüssigeis zur Kältespeicherung

Die Technologie kann zur Speicherung von Kälte eingesetzt werden. Damit kann sowohl die elektrische Spitzenlast gesenkt als auch die Kälteerzeugung in Zeiträume verlagert werden, in denen preiswerter bzw. "überschüssiger" regenerativer Strom verfügbar ist.

Das Flüssigeis-Kältespeichersystem bietet gegenüber herkömmlichen Kälte-bzw. Eisspeicherverfahren folgende Vorteile:

  • Hohe Speicherdichte durch Nutzung des Phasenwechsels, dadurch kompakte Speichergrößen und geringere Verluste
  • Höchste Effizienz aller Eiserzeugungsverfahren
  • Kein Glykolkreislauf erforderlich, einfache Anbindung an das (bestehende) Kaltwassersystem
  • Gleichbleibend hohe Entladeleistung unabhängig vom Ladezustand des Speichers
  • Sehr flexibler Speicherbetrieb: keine vollständige Entladung vor Beladung notwendig, schneller Wechsel zwischen Be- und Entladung und umgekehrt möglich
  • Ladezustand des Speichers ermittelbar
  • Bildung der Eiskristalle an der freien Wasseroberfläche im Verdampfer, d.h. im Gegensatz zu anderen Flüssigeisverfahren kein Abkratzen oder Abschlagen des Eises von einer Wärmeübertrageroberfläche – dadurch geringerer Verschleiß und Wartungsaufwand
  • Kein Wärmeübertrager im Speicherbehälter, d.h. Speicherkapazität, Beladeleistung und Entladeleistung sind unabhängig voneinander und frei kombinierbar
  • Eis/Wasser als Phasenwechselmaterial zur Kältespeicherung ist kostengünstig, unterliegt keiner Degradation und ist umweltfreundlich 

Das Eisspeichersystem kann an eine bestehende Kaltwasserversorgung bzw. einen Kaltwassererzeuger angekoppelt werden. Bei der Beladung des Speichers (Eiserzeugung) wird das Kaltwasser zur Abfuhr der Kondensationswärme des Eiserzeugungsprozesses genutzt.

Bei hohem Kältebedarf wird die Schmelzwärme des gespeicherten Flüssigeises zur Abkühlung des Kaltwassers eingesetzt. Dieser Speicherentladeprozess findet in einem externen Wärmeübertrager statt. Die erzielbare Entladeleistung kann somit vergleichsweise einfach an den Anwendungsfall angepasst werden, indem der kostengünstige, externe Plattenwärmeübertrager entsprechend ausgelegt wird.

An der Westsächsischen Hochschule in Zwickau wurde eine erste Pilotanlage errichtet, die seit 2014 in Betrieb ist.

Mit einem Verdichter können bis zu 500 kW Kälte- bzw. Eiserzeugungsleistung dargestellt werden. Die Speicherkapazität sowie die Entladeleistung können durch die Größe des Speicherbehälters bzw. des externen Entladewärmeübertragers auf die Anforderungen des Anwendungsfalls abgestimmt werden. 

Hoch effiziente Kältespeicherung

Die Verdampfungstemperatur liegt mit -0,5 °C deutlich über der klassischer Eiserzeugungsverfahren und ist nur geringfügig niedriger als bei der direkten Kaltwasserbereitstellung. Aufgrund der höheren Verdampfungstemperatur wird die Effizienz der Eiserzeugung gesteigert und der energetische Mehraufwand gegenüber der reinen Kaltwassererzeugung gering gehalten. Bei Ausnutzung günstiger nächtlicher Kondensationstemperaturen kann sogar eine höhere Systemeffizienz erzielt werden als bei der bedarfsgeführten Kaltwassererzeugung ohne Zwischenspeicherung.
Wirtschaftliche Vorteile ergeben sich aus der Nutzung von Nebenzeit-Tarifen, der Reduzierung der elektrischen Anschlussleistung oder aus dem gesteigerten Eigenverbrauch kostengünstigen, selbsterzeugten Stroms.

Flüssigeis als Kälteträger zur Prozesskühlung - eine Alternative zur Ammoniak- Direktverdampfung

Die Energiespeicherdichte des Flüssigeises ist wesentlich höher als von herkömmlichen Kälteträgern. Das Flüssigeis ist pumpfähig und kann somit direkt als Kälteträger für eine Prozesskühlung eingesetzt werden. Durch das Aufschmelzen des Flüssigeises im jeweiligen Prozess wird auf der wärmeaufnehmenden Seite eine konstante Temperatur gewährleistet, ebenso wie bei direktverdampfenden Anlagen, z.B. mit Ammoniak-Pumpenumlauf.

Ammoniak (R717) ist ein natürliches und weitverbreitetes Kältemittel der Sicherheitsklasse B (toxisch). In großen Kältesystemen wird Ammoniak häufig auch zur Kälteverteilung (Direktverdampfung) eingesetzt, wodurch die Füllmenge erheblich steigt. In Abhängigkeit der Ammoniak-Füllmenge sind teilweise kostspielige Sicherheitsauflagen zu erfüllen. Insbesondere bei Anwendungen der Normalkälte (> 0 °C) stellt die Verwendung von Flüssigeis eine attraktive Alternative dar. Wenn die Kälteverteilung mit Flüssigeis erfolgt, kann die Nutzung von Ammoniak auf die Kälteerzeugung im Maschinenraum beschränkt und damit die gesamte Füllmenge begrenzt werden.  

Potentielle Anwendungsgebiete sind:

  • industrielle Prozesse bei 0 - 5°C
  • pharmazeutische Anwendungen
  • Brauereien
  • Molkereien
  • Käseherstellung
  • Bäckereien
  • Fleisch- und Wurstverarbeitung

Heizen mit Flüssigeis

Aufgrund der Vereisungsgefahr am Verdampfer werden in unseren Breiten bislang kaum Oberflächengewässer als Wärmequelle für Wärmepumpen eingesetzt. Mit dem Flüssigeissystem als erste Stufe in einer Wärmepumpenkaskade können leicht erschließbare, natürliche oder künstliche Wasserreservoire selbst bei Wassertemperaturen am Gefrierpunkt als effektive Wärmequelle verwendet werden.

Der Energieentzug findet durch gezielte (Flüssig-)Eisbildung bei gleichzeitiger Verdampfung statt. Da das Wasser dabei nicht durch einen Wärmeübertrager strömt, können Probleme durch Verschmutzungen prinzipbedingt ausgeschlossen werden.

Aufgrund der konstanten und gegenüber Luftwärmepumpen höheren Wärmequelltemperaturen wird ein signifikanter Effizienzvorteil erreicht. Der Erschließungsaufwand gegenüber Wärmepumpen, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen, ist deutlich geringer.

Bei der Wärmepumpenanwendung ist darüber hinaus die Kopplung mit saisonalen Wasser-/Flüssigeisspeichern denkbar. Dabei steigt während der Heizperiode der Eisanteil kontinuierlich an. Im Sommer wird das Eis genutzt, um Kälte für die Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung bereit zu stellen.  

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Institut für Luft- und Kältetechnik - Gemeinnützige Gesellschaft mbH
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