Kompressionskältemaschine

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Elektrischer Strom	Kälte	Wärme < 100 °C

Kurzbeschreibung

Durch die Energieaufnahme beim Verdampfungsvorgang des Kältemittels wird der Umgebung Wärme entzogen. Es wird dabei die Tatsache genutzt, dass die Temperatur, bei der das Kältemittel verdampft bzw. kondensiert druckabhängig ist. Die einzelnen Schritte des geschlossenen Kreisprozessen sind:

Gasförmiges Kältemittel wird im Verdichter unter der Zufuhr elektrischer Energie komprimiert
Im Verflüssiger wird das Kältemittel bei hohem Druck (=hohe Temperatur) unter Wärmeabgabe verflüssigt. Aus diesem Grund muss eine Kompressionskältemaschine stets rückgehkühlt werden
In Expansionsventil wird der Druck weiter gesenkt
In Verdampfer wird das Kältemittel bei niedrigem Druck (=niedrige Temperatur) unter Wärmeaufnahme verdampft.

(Ihle, C 2006)

Funktionsskizze

Benutzer:Hadhuey, Schema Kompressionskältemaschine, als gemeinfrei gekennzeichnet

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Maß für die Effizienz einer Kompressionskältemaschine ist die Leistungszahl EER (Energy Efficiency Ratio). Der theoretisch maximale Wirkungsgrad ist der des idealen Kreisprozesses ohne Verluste („Carnot-Prozess“). Dieser berechnet sich aus dem Quotienten aus Temperatur im Verdampfer und der Differenz zwischen der Temperatur im Verdampfer und dem Kondensator (Langeheincke, Jany, Thieleke, Langeheincke, Kaufmann 2013).

$EER = \frac{{{{\dot Q}_{k\"u hl}}}}{W} \ge \;\frac{{{T_{Verdampfer}}}}{{{T_{Kondensator}} - {T_{Verdampfer}}}}$

Typische Werte liegen für luftgekühlte Systeme im Bereich zwischen 1,6 und 4 und für wassergekühlte Systeme zwischen 2,6 und 6,4 [12].

Bauarten

Bauart	Turboverdichter	Schraubenverdichter	Scrollverdichter	Hubkolbenverdichter

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Turboverdichter	Schraubenverdichter	Scrollverdichter	Hubkolbenverdichter
Typische Anfahrzeiten	Kompressionskältemaschinen haben im Vergleich zu Absorptionskältemaschinen eine höhere Anfahrdynamik jedoch schlechtere Leistungszahlen im Teillastbetrieb (Benz 2012)
Regelbarkeit	Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter möglich	Häufig nur einzelne Leistungsstufen einstellbar (über Regelkolben) Stufenlose Drehzahl-regelung über Frequenz-umrichter möglich	Durch „On-Off“-Betrieb Leistungsmodulation möglich (wie Pulsweitenmodulation) Stufenlose Drehzahl-regelung über Frequenz-umrichter möglich	Meist nur gestufte Regelung über Zylinder-abschaltung
Regelbarkeit	Unabhängig von der Verdichterbauart kann die Leistung des Kältekreislaufprozesses über Saugrdrossel- und Heißgas-Bypass-Regelungen (nicht energieeffizient) oder über Verbundsysteme aus mehreren kleinen Anlagen geregelt werden (Siemens)

Energetische Kennwerte

Bauart	Turboverdichter	Schraubenverdichter	Scrollverdichter	Hubkolbenverdichter
Verfügbare Leistungsstufen/ -klassen	4.000 – 30.000 kW	80 – 12.000 kW	10 – 100 kW	3 – 650 kW
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung	Je geringer die Verdichterdrehzahl, desto höher ist die Energieeffizienz. Theoretisch ist die Antriebsleistung des Verdichters proportional zur dritten Potenz der Drehzahl (Siemens). Allgemein ist es jedoch stark von der Regelungsart abhängig, wie sich der Wirkungsgrad mit der Auslastung verhält.
Nutzbarer Anteil der Verlustleistung	Die Abwärme von Kompressionskältemaschinen kann prinzipiell genutzt werden, wenn Wärme auf dem zur Verfügung stehenden Temperaturniveau (meist ca. 30-40°C) benötigt wird.

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart

Turboverdichter

Schraubenverdichter

Scrollverdichter

Hubkolbenverdichter

Nutzenergiekosten / kWh

Abhängig von Strompreis, vom EER und von der Art der Rückkühlung

Investkosten/kW

200-1.200 €/kW

spezifische Kosten in Euro/kW / Kälteleistung in kW

Technologische Kennwerte

Bauart	Turboverdichter	Schraubenverdichter	Scrollverdichter	Hubkolbenverdichter
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	Für die Umweltbilanz von Kompressionskältemaschinen ist neben dem Wirkungsgrad auch das eingesetzte Kältemittel entscheidend. Typische Kältemittel sind Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW). Es existieren aber auch „natürliche“ Kältemittel wie Ammoniak (R717), Propan (R290) oder Kohlenstoffdioxid (R744). (Siemens; Kulterer 2007)

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Best Available Technology

Ja – Mit Kompressionskältemaschinen kann prinzipiell Energieflexibilität bereitgestellt werden. Die Höhe des Flexibilitätspotenzials ist abhängig von den vorhandenen Speicherpotenzialen für die produzierte Kälte.

Entwicklungstendenz

Die Technologie ist weitestgehend ausgereift. Es wird jedoch an natürlichen Kältemitteln und an der weiteren Steigerung der Wirkungsgrade geforscht.

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

Geschlossener Kreislauf
hohe Dynamik
geringer Platzbedarf

Nachteile

Hoher Energieverbrauch
Kältemittel haben hohes Treibhauspotential
empfindlich gegenüber Undichtigkeiten

Anwendungsbeispiele

Kompressionskältemaschinen werden i.d.R. überall dort verwendet, wo eine direkte Kühlung über die Umgebungsluft aufgrund der benötigten Temperaturniveaus nicht immer möglich ist. Beispiele sind z.B. die Kühlung verschiedenster Maschinen oder Laborgebäuden.

Literaturverzeichnis

Albers, K (2017): Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik. 78. Auflage. Band 2: München: Recknagel
BUCHER AG: Kälteanlagen Kältemaschine. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
Benz, A (2012): Kälte durch Wärme erzeugen. zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF Download)
Hesselbach J (2014): Energie- und klimaeffiziente Produktion
Ihle, C (2006): Klimatechnik mit Kältetechnik
Kältetechnik, Siemens
Kulterer K (2007): Energieeffizienz in Kältesysteme. zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF Download)
Kompressor.one: Schraubenkompressor Funktionsweise. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
Langeheincke, Jany, Thieleke, Langeheincke, Kaufmann (2013): „Thermodynamik für Ingenieure“ S. 256

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht