Regelungstechnik
Kälteanlagen: Im Verbund effizienter

An zehn über ganz Deutschland verteilten Standorten führen die Wissenschaftler ihre Untersuchungen durch. Die Absorptionskälteanlagen (AKA) in den Zentralen stammen aus dem Vorgängerprojekt FAkS. „Ich gehe davon aus, dass wir durch die von uns entwickelten Betriebs- und Regelungsstrategien langfristig Dreiviertel weniger Elektroenergie benötigen werden als bisher,“ so der Projektleiter Stefan Petersen von der Technischen Universität Berlin. „Kern des kürzlich gestarteten Projektes ReKs ist es, das System der Kältezentrale und nicht nur den Betrieb der einzelnen Kälteanlagen zu optimieren. So kann die Effizienz als Ganzes verbessert werden.“

Konzept von Grundlast und Spitzenlast greift zu kurz

Petersen will mit seinem Projekt über den aktuellen Stand der Technik hinaus: „Die unterschiedlichen Anlagen sollen je nach Bedarf eingesetzt und entsprechend angebots- und bedarfsgerecht gesteuert werden. Dabei gehen wir weg von der reinen, bisher üblichen Folgeschaltung.“ Hierbei kommen die Absorptionskälteanlagen „der Reihe nach“ zum Einsatz: Wenn ein Erzeuger den Kältebedarf nicht mehr decken kann, wird ein weiterer hinzugeschaltet. Das Problem dabei: Kälteanlagen arbeiten eigentlich immer außerhalb des berechneten Lastfalls. Die einzelne Anlage sowie das System so zu betreiben, als gäbe es diesen Lastpunkt, kostet viel Energie. Das Konzept von Grundlast- und Spitzenlastanlagen greift also für einen effizienten Betrieb zu kurz. Je nach Lastfall und Umgebungsbedingungen ist es deshalb besser, nicht in Folge, sondern angebots- und bedarfsgerecht zu steuern. Der gleiche Lastfall, zum Beispiel bei anderer Umgebungstemperatur, kann anders bedient werden. Eine intelligente Regelung kann somit das Gesamtsystem effizienter machen.

Praxistest in Kulturzentren

Aktuell testen die Forschenden verschiedene Regelstrategien in Rosenheim und Hannover. Die Ziele vor Ort sind dabei unterschiedlich. Im Congress Centrum Hannover werden etwa 50 Veranstaltungsräume klimafreundlich mit Kälte versorgt. Die im Projekt FAkS neu installierten Absorptionskälteanlagen sollen dynamisch über längere Zeiträume im Jahr den stark fluktuierenden Lastbedarf decken. Zu Spitzenlastzeiten werden sie von den älteren Anlagen unterstützt. Die neuen Absorptionskälteanlagen sollen für eine höhere Temperaturspreizung in der Fernwärme sorgen als dies mit den bisherigen Bestandsanlagen möglich war.

Im Rosenheimer Kultur- und Kongresszentrum wurden zwei neue Absorptionskälteanlagen vom Typ „Hummel“ (Nennleistung: 160 kW) installiert. Eine vierstufige Kompressionskälteanlage deckt die Spitzenlast. Vor allem in den Sommermonaten soll der KWK-Anteil an der Klimatisierung steigen. Die Absorptionskältemaschinen nutzen dazu die von den KWK-Anlagen bereitgestellte Wärme. Des Weiteren soll mit den neuen Kälteanlagen bei der Fernwärme eine Senkung der Rücklauftemperatur erreicht werden.

Die jetzt entwickelten Betriebs- und Regelstrategien sollen das Zusammenspiel der verschiedenen Anlagenkomponenten verbessern. Mit diesen Strategien benötigen die Verbraucher am wenigsten Energie für den jeweiligen Kältelastfall. Auch an Standorten in Berlin, Essen, Hamburg und Garmisch-Partenkirchen werden einzelne dieser Verfahren getestet.

Mit Pumpenregelung mehr als 50 Prozent Jahresenergie einsparen

Bei jeder AKA gibt es vier wesentliche Elektroenergieverbraucher: Drei Pumpen in drei Versorgungskreisen sowie ein Rückkühlwerk (RKW). Dabei sind die Heißwasserpumpen nach dem bisherigen Stand der Installations- und Betriebstechnik von Kältezentralen ungeregelt. Nur die Ventilatoren des Rückkühlwerks werden bedarfsgerecht angesteuert. Petersen: „Heutzutage gibt es in neuen Installationen kaum noch Pumpen, die nicht geregelt werden könnten. Tatsächlich wird nur bisher in der Kältetechnik kein Gebrauch davon gemacht. Dies liegt daran, dass Konzepte dazu fehlen, was die Zielgröße der Regelung ist oder wie diese für eine sinnvolle Regelung eingesetzt werden kann. Das wird ReKs ändern.“
Die Heißwasserpumpe, die als Antriebssole der Absorptionskälteanlagen dient, macht zwar nur etwa ein bis zwei Prozent des Elektroenergiebedarfs aus. Aber auf systemischer Ebene kann man über die Regelung dieser Pumpe auf der Kühlwasserseite (hier befinden sich Pumpe und Rückkühlwerk) mehr als 50 Prozent der Jahresenergie einsparen. Bisher ist die Kühlwasserseite für etwa 80 Prozent des Elektroenergiebedarfs verantwortlich.

Verschiedene Taktiken für mehr Effizienz

Die Forschenden testen eine zweite Regelstrategie in der die Kühlwasserpumpe und das RKW gemeinsam im Optimum betrieben werden. Dieses Verfahren kann sowohl bei elektrisch als auch thermisch angetriebenen Anlagen eingesetzt werden. Für Absorptionskälteanlagensysteme ergibt sich hier eine Einsparung von bis zu 50 Prozent auf der Kühlwasserseite.

Der dritte Schwerpunkt konzentriert sich auf den Abgleich zwischen den aktiven Erzeugern und dem Verbraucher. Mit einfachen Informationen lässt sich die Qualität und Effizienz der Kälteversorgung effizient verbessern. Die Daten werden über Temperaturfühler im zentralen Vor- und Rücklauf der Kältenutzer ermittelt und auf Systemebene den Erzeugern zur Verfügung gestellt.

Parallel verbessern die Forschenden kontinuierlich Speicherbe- und entladestrategien. Außerdem optimieren sie den gemeinsamen Betrieb der unterschiedlichen Erzeuger Kompressionskälteanlage, Absorptionskälteanlage und Speicher und passen die Umschaltung zum freien Kühlen („Fensterlüftung“) an. Für den Sommer 2021 planen die Projektpartner hierzu wesentliche Demonstrationsfahrten und Umsetzungen. (bs)