Innovative Kälteanlage schafft Nachhaltigkeit in der Kunststoffproduktion

Die Gebr. Schwarz GmbH betrieb einen Kaltwassersatz mit zwei Kolbenverdichtern zur Werkzeugkühlung. Dabei musste das gekühlte Wasser vom sonnigen Dach in den Keller gepumpt und von dort aus an die Spritzgussmaschinen verteilt werden. Die bestehende Kälteanlage war lediglich zweistufig regelbar, die Vorlauftemperatur des Kaltwasserkreises betrug 15°C. Zusätzlich verfügte das System über eine Wärmerückgewinnung für die Lüftungsanlage und Warmwasserbereitung. Die Idee war, die Abwärme der Kälteanlage zur Vorwärmung der Zuluft im Produktionsgebäude und für die Erwärmung des Brauchwassers zu nutzen.

Um die Effizienz der Kälteerzeugung zu bewerten, wurden wesentliche Energieverbräuche und Prozessparameter des bestehenden Systems über einen Zeitraum von fünf Tagen gemessen und analysiert. Dabei wurde deutlich, dass die ungeregelte Wärmerückgewinnungsanlage in der produktionsfreien Zeit Wärme in die Kältemaschine führte. Ein erhöhter Energieverbrauch war die Folge.

Die Analyse der Messergebnisse machte klar, dass die zukünftige Lösung eine Freikühlfunktion anstelle einer Wärmerückgewinnung enthalten sollte. Aufgrund der unternehmerischen Verantwortung für Mensch und Umwelt schied der Einsatz halogenhaltiger Kältemittel für die Gebr. Schwarz GmbH aus.

SEMPACT empfahl die Implementierung einer innovativen Technologie, die Wasser als Kältemittel nutzt. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Anlagen mit dem Kältemittel Propan (R290, GWP = 3, brennbar) liegen auf der Hand: Wasser ist nicht brennbar, ozonschonend und hat keinerlei Treibhauseffekt (GWP = 0).

Im Zuge der ganzheitlichen Neugestaltung der Kühlanlage wurde auch der Standort optimiert. Statt auf dem sonnigen Dach befindet sich die Kälteanlage nun im Keller, während die zugehörigen Rückkühler/Freikühler auf der schattigen Nordseite der Produktionshalle ebenerdig platziert sind.

Stromeinsparungen im
vgl. zur bisherigen Anlage

Unter Beachtung der Messergebnisse und der geforderten Ausfallsicherheit wurde die neue Anlage mit zwei Kältemaschinen à 120 kW aufgebaut, was einer Redundanz von 75 % entspricht. Dies stellt einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Ausfallsicherheit und Energieeffizienz dar. Sowohl Rückkühler als auch Pumpen wurden redundant ausgelegt.

Die Nutzung der Rückkühler als Freikühler bzw. adiabate Rückkühler steigert die Effizienz des Gesamtsystems und führt zu Energieeinsparungen. Durch die Verlagerung der Kälteerzeugung in den Keller wird die durchschnittliche Umgebungstemperatur für den Rückkühler um mindestens 5 Kelvin reduziert. Pro 1 Kelvin Senkung der Kondensationstemperatur werden ca. 3 % elektrische Energie am Verdichter eingespart.

Die Anhebung der Solltemperatur des Kaltwasserkreises von 15°C auf 18°C ermöglicht eine längere Betriebszeit (jährlich +600h) der effizienten Freikühlung und spart pro 1 K Anhebung der Kaltwassertemperatur etwa 4 % Strom beim Verdichter. Diese Maßnahme resultiert in einer jährlichen Einsparung von ca. 20.000 kWh Stromverbrauch.

Insgesamt führen alle Optimierungen zu einer eindrucksvollen Stromeinsparung von mehr als 270.000 kWh/a bzw. 80 % im Vergleich zur bisherigen Anlage. Durch den Verzicht auf die Wärmerückgewinnung im neuen Kältekonzept ergibt sich trotz des erhöhten Heizölverbrauchs um ca. 40.000 kWh/a in der Gesamtbilanz eine jährliche Einsparung von gut 140 Tonnen CO2.

Die Kälteanlage der Gebr. Schwarz GmbH repräsentiert eine der ersten Anwendungen der neuen Serienmaschine eChiller mit 120 kW. Die Nutzung von Wasser als Kältemittel ist zwar noch nicht weit verbreitet, jedoch aufgrund ihrer Umwelt- und Klimaverträglichkeit von hoher Bedeutung. Wasser als Kältemittel zeichnet sich durch Effizienz, Klimafreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit aus.

Adiabate Maschinen- und Werkzeugkühlung mit einem natürlichen Kältemittel kommt insbesondere in produzierenden Gewerben zum Einsatz, bei denen Prozesswärme entsteht, die abgeführt werden muss. Dies gilt nicht nur für die Kunststoffindustrie, sondern auch für andere Branchen wie z.B. die Metallverarbeitung. Darüber hinaus können diese Anlagen für die Kühlung von Serverräumen, Schaltschränken und die Gebäudeklimatisierung verwendet werden.

Ein integraler Bestandteil unseres systemischen Ansatzes ist die Lebenszyklusanalyse unserer geplanten Anlagen. Wir berücksichtigen nicht nur die Anschaffungskosten, sondern kalkulieren über die gesamte geplante Nutzungszeit der Anlage. Neben den direkten Energiekosten fließen auch weitere Betriebskosten wie Wartung, Wasserverbrauch und die zunehmenden CO2-Abgaben nach dem Brennstoff-Emissionshandelsgesetz (BEHG) in unsere Berechnungen ein.