Fachartikel „Natürliche Kältemittel für Technologiekonzern“
für die Fachzeitschrift DIE KÄLTE+KLIMATECHNIK
Die Schott AG hat im Sommer 2019 eine erste Kältemaschine in Landshut erneuert. Für die neue Prozesskühlung hatte das Unternehmen den Wunsch, das natürliche Kältemittel Propan (R290) zu verwenden.
Für den Betreiber bietet das natürliche Kältemittel eine langfristige und zukunftssichere Alternative zu chemischen Optionen. Durch die F-Gas-Verordnung (EU) Nr. 517/2014 und das darin beschlossene Phase-Down, sehen sich Unternehmen einem langfristig nicht kalkulierbaren Risiko zum Betrieb der Anlage ausgesetzt. Die im Phase-Down beschriebene stufenweise Reduzierung der am Markt verfügbaren Menge CO2-Äquivalent für Kältemittel, bis auf 21 Prozent im Jahr 2030, wirkt sich bereits heute stark auf die Kältemittelpreise aus. Natürliche Kältemittel sind von der F-Gas-Verordnung nicht betroffen. Propan (R290) zeichnet sich durch seine hohe Energieeffizienz, niedrige Drucklage und das einfache Anlagenhandling im Betrieb aus. Im Vergleich zu anderen HFO und HFKW Kältemitteln kommt das natürlich brennbare Gas in der Atmosphäre vor, es handelt sich somit nicht um ein künstlich erzeugtes Fremd-Gas, bei dem etwaige Umweltschäden aktuell noch nicht absehbar sind. Bei der Schott AG handelt es sich um einen international agierenden Technologiekonzern, der auf den Gebieten Spezialglas und Glaskeramik führend ist.
LUFTGEKÜHLTER PROPAN KALTWASSERSATZ
Der Propan (R290) Kaltwassersatz verfügt in seiner energieeffizienten Anlagenkonfiguration bei 35 °C Umgebungstemperatur über 320 kW Kälteleistung. Ausgestattet mit zwei getrennten Kältekreisläufen, einer sechsstufigen Leistungsregelung, sechs ECVentilatoren und einer industriellen SPS mit 7“ Touch Display. Die Überhitzungsregelung erfolgt über elektronische Einspritzventile. Jeder Kältekreislauf wird durch zahlreiche Sensoren und einem intelligenten Regelalgorithmus gesteuert, analysiert und überwacht. Beim Einsatz von Propan als Kältemittel wird von den Verdichtern-Herstellern oftmals eine vergleichsweise hohe Gesamtüberhitzung vorgegeben. In der Regel wird diese durch die Verwendung eines Sauggaswärmetauschers erreicht. Jedoch gerade bei niedriger Umgebungstemperatur und verringertem Kältemittelmassenstrom verliert dieser an Leistung, was schnell zu einer zu niedrigen Gesamtüberhitzung und somit zu Verdichterschäden führen kann. Um das zu vermeiden, erfassen Skadec Kaltwassersätze standardmäßig die Verdampfer- und die Gesamtüberhitzung. In Kombination mit der dynamischen Überhitzungsregelung ist so der Verdichter-Schutz garantiert. Als positiver Nebeneffekt ist es so auch möglich, bei hohen Umgebungstemperaturen die Plattenüberhitzung zu reduzieren und somit die Maschine deutlich effizienter zu betreiben.
GLT SOFTWARE IM KALTWASSERSATZ INTEGRIERT
Neben der alten Kältemaschine wurde auch ein Teil der Hydraulik erneuert. Die hohe Vorlauftemperatur von 10 °C kann dabei bereits ab einer Umgebungstemperatur von +5 °C vollständig durch einen neben der Kältemaschine platzierten 295 kW Freikühler abgedeckt werden. Der Einsatz von freier Kühlung ist bei so hohen Systemtemperaturen eine sinnvolle und nachhaltige Entscheidung, welche die Energiebilanz der Gesamtanlage zusätzlich verbessert. Das Hydrauliksystem wurde so aufgebaut, dass sowohl der Einzelbetrieb von Kaltwassersatz oder Freikühler sowie Mischbetrieb (Reihenschaltung) möglich sind. Hierdurch kann bereits in der Übergangszeit ein Teil der benötigten Kälteleistung durch die freie Kühlung abgedeckt werden. Ein innovativer Regel-Algorithmus berechnet dabei, ab welcher Temperaturspreizung sich der Einsatz der freien Kühlung tatsächlich lohnt. Als übergeordnete Steuerung der Gesamtanlage, bestehend aus Kaltwassersatz, Freikühler, Drei-Wege- Ventil, redundante Pumpengruppe für Primärkreislauf mit Glykol/ Wassergemisch und einer redundanten Pumpengruppe für den Sekundärkreislauf im Gebäude mit dem Medium Wasser, war in der Ursprungsplanung ein separater Schaltschrank geplant. Durch enge Zusammenarbeit von Betreiber, Planer, Installateur und Maschinenhersteller konnte das Konzept so angepasst werden, dass die Ansteuerung und Überwachung aller genannten Komponenten in die SPS des Kaltwassersatzes integriert wurden. Die Visualisierung kann im Gebäude am PC, per Fernwartung oder direkt an der Maschine bedient werden. Für Servicemonteure und Bedienpersonal erleichtert dies die alltägliche Arbeit erheblich. Die modular erweiterbare speicherprogrammierbare Steuerung kann von Anlagenbauern intuitiv bedient werden. Ähnlich wie bei modernen Smartphones wird dabei keine umfangreiche Bedienungsanleitung benötigt. Alle Prozesswerte und Fehlermeldungen werden in Klartext auf Deutsch angezeigt. Je nach Betriebszustand werden die einzelnen Aktoren und Prozesswerte farblich hinterlegt. Im Fall einer Störung kann so bereits auf den ersten Blick die Ursache eingegrenzt werden. Serviceleiter im Büro können sich auf die Gesamtanlage aufschalten und sehen dabei die identische Visualisierung wie der Servicemonteur vor Ort im Werk. Einstellungsänderungen und auch Programme können durch einen Fernwartungszugang upgedatet werden. Die Anbindung an das Internet erfolgt über Netzwerk oder auch über eine Mobilfunkkarte. Gerade bei Störungen im Kälteprozess ist es wichtig, dass das Betriebsverhalten im Detail nachvollziehbar gemacht werden kann. Dabei hilft der standardmäßig integrierte, leistungsstarke Datenlogger, der im einstelligen Sekundentakt alle Prozesswerte (60 bis 80 Stück) über einen Zeitraum von mehreren Jahren speichert. Anlagenbauer können diese Werte aus der Ferne abrufen und analysieren, bevor sie einen Servicemonteur vor Ort schicken.
RISIKOMANAGEMENT
In der vom Betreiber erstellten Gefährdungsbeurteilung wurden die Risiken bei einer Außenaufstellung mit sehr geringer Kältemittelfüllmenge betrachtet. Der Zugang zur Kältemaschine ist beschränkt und nur für unterwiesenes Personal möglich. Des Weiteren ist innerhalb der Maschine ein Propan-Gassensor installiert, der über zwei Schaltstufen die Anlage spannungsfrei schaltet. Die EX-geschützten Anlagenbauteile sind mit einer separaten Zuleitung versorgt. Ein integrierter EX-Lüfter belüftet das Gehäuse und stellt sicher, dass sich kein explosives Gemisch bilden kann. Auftretende Störungen werden direkt an die übergeordnete Gebäudeleittechnik weitergeleitet. Optional können diese auch als E-Mail versandt werden.
