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Industriekälte • Gewerbekälte • Klima-Kälte • Wärmepumpe

Bitzer ist in Verdichtertechnik und Nachhaltigkeit wegweisend in der Branche. Als technologischer Vorreiter bietet das Unternehmen schon seit vielen Jahren Lösungen, die mit natürlichen Kältemitteln wie Ammoniak, Kohlenwasserstoffen und Kohlendioxid arbeiten. Im Mittelpunkt dieses Beitrags stehen die jüngsten Entwicklungen im Bereich der CO2-Anwendungen. Entsprechend werden nur halbhermetische Kolbenverdichter besprochen.

Bereits in den Jahren 1995 bis 1998 konzipierte Bitzer die ersten Verdichterprototypen für subkritische CO2-Anwendungen. Die ersten dieser Verdichter lieferte Bitzer hauptsächlich an Forschungseinrichtungen wie das DTI in Dänemark oder an OEM-Kunden in Skandinavien und Deutschland. Im Jahr 2000 wurde schliesslich das erste gewerblich genutzte Kaskadensystem mit HFKW / CO2 bei der Firma Linde im luxemburgischen Bettembourg installiert. Ein weiterer Höhepunkt folgte im Jahr 2002 mit der Eröffnung des ersten HFKW-freien McDonald’s-Restaurants in Vejle, Dänemark.

Erste CO2-Anlage in Wettingen

Für die relativ kleinen Kälteleistungen stellte Bitzer einen individuell angepassten Verdichter bereit. Ab 2003 startete Bitzer die Entwicklung von Verdichtern für transkritische Anwendungen. Anlass war die Idee von Linde, eine neue Generation von CO2-Systemen für die Gewerbekälte zu lancieren, das sogenannte Flashgas-Bypass-System. Im Jahr 2004 nahm Linde dann schliesslich die erste CO2-Anlage für transkritische Anwendungen in Wettingen (Schweiz) in Betrieb. Bis Juni 2017 hat Bitzer bereits mehr als 84 000 CO2-Verdichter verkauft. Die meisten dieser Verdichter kommen in gewerblichen Kälteanlagen in der Normalkühlung oder in Parallelverdichtungsstufen zum Einsatz. CO2-Verdichter von Bitzer treiben zudem die Kälteanlagen in Leuchtturm-Projekten führender Supermarktketten rund um den Globus an – beispielsweise in Australien, Brasilien, Deutschland, Italien, Südafrika und Spanien.

Auswirkung der Kältetechnik auf das Klima

Bitzer ist auch bei der Energieeffizienz Innovationstreiber der Branche. Das zeigt sich besonders bei Produkten, die mit Fokus auf Nachhaltigkeit und Umweltschutz konzipiert sind. Denn eine hohe jährliche Energieeffizienz war und ist entscheidend, um die Auswirkungen von Kältetechnik und Klimaanlagen auf das Klima erfolgreich zu minimieren. Dazu dient etwa der bekannte TEWI-Kennwert (TEWI=Total Equivalent Warming Impact). Nutzt man ein Kältemittel mit geringem Treibhauspotenzial (GWP), gewinnen die indirekten Emissionen, die durch Treibhausgasemissionen für die Energieversorgung verursacht werden, noch mehr Bedeutung im Vergleich zu den direkten Emissionen, die hauptsächlich auf Leckageraten und das Treibhauspotenzial des eingesetzten Kältemittels zurückzuführen sind.

Laut dem EU Reference Scenario 2016 [1] und den Daten des BUMD [2] beliefen sich die Treibhausgasemissionen in Deutschland im Jahr 2015 auf 944 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente. Dabei machte der Anteil der Kälte- und Klimaindustrie 49 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente aus. Die grosse Bedeutung der Energieeffizienz zeigt sich darin, dass in diesem Zeitraum mengenmässig 46 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente an indirekten Emissionen anfielen. Unter diesem Gesichtspunkt wurden 4,9% des Gesamtausstosses an Treibhausgas für den Betrieb von Kälte- und Klimaanlagen in Deutschland produziert. Ebenso interessant ist der Gesichtspunkt, dass der Gesamtstromverbrauch für Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik in Deutschland seit 1999 um 25% gestiegen ist. Aus der Bilanz bei den direkten Emissionen geht hervor, dass in Deutschland 3 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente emittiert wurden, was 0,3% der gesamten Treibhausgasemissionen entspricht. Doch Vorschriften wie die F-Gase-Verordnung in Europa zwingen die Branche zu einer Reduzierung der F-Gase-Emissionen.

Als führendes Unternehmen in Bezug auf Effizienz führt Bitzer in einem innovativen Vorstoss die Verdichterbaureihe Ecoline+ für das natürliche Kältemittel CO2 ein. Ecoline+ kombiniert das natürliche Kältemittel CO2 mit einem GWP-Wert von 1 und höchster Effizienz für eine bestmögliche CO2-Bilanz mit Einfachheit, eingebauter Intelligenz und Wirtschaftlichkeit. Abbildung 1 zeigt den 6-Zylinder-Verdichter der Baureihe Ecoline+.

Robuste Motortechnologie mit hoher Effizienz

Bereits im Jahr 2010 startete Bitzer die ersten Feldversuche mit Direktanlauf-Permanentmagnetmotoren (LSPM). Diese Motortechnologie ist eine Hybridlösung, die einen asynchronen Stator und einen Käfigläufer mit zusätzlichen Permanentmagneten enthält. Die Technologie verbindet die Robustheit des Asynchronmotors (AS) mit dem höheren Wirkungsgrad eines Synchronmotors. Nach Anlauf des Verdichters synchronisiert sich der Rotor mit dem Drehfeld und läuft so in Synchrongeschwindigkeit. Das bedeutet, keine Verluste durch Rotor und Induktion, was sich in einem verbesserten Wirkungsgrad des Motors niederschlägt. Abbildung 2 zeigt den Motorwirkungsgrad von LSPM- und AS-Motor im Vergleich, abhängig von der relativen Leistungsaufnahme. Darüber hinaus ist die angewandte Motortechnologie äusserst flexibel. Der Motor kann direkt an das Stromnetz angeschlossen oder in Verbindung mit einem Frequenzumrichter verwendet werden.

Der Vorteil eines halbhermetischen Verdichters liegt jedoch nicht nur allein im höheren Motorwirkungsgrad, sondern auch in den höheren Massenströmen. Da der Rotor eines LSPM-Motors synchronisiert läuft, kann das Triebwerk des Verdichters einen höheren Massenstrom verdichten als bei einem Asynchronmotor. Dabei sind die Umdrehungen pro Minute stark abhängig vom Drehmomentbedarf. Zusätzlich wird der Massenstrom durch eine geringere Wärmeübertragung von elektrischen Verlusten auf das Sauggas erhöht. Dadurch erhöht sich die Sauggasdichte des Kältemittels, ehe es in die Sauggaskammer des Zylinderkopfes aufgenommen wird. In Anbetracht dessen kann von einer erheblichen Steigerung der Leistungszahl (COP) ausgegangen werden. Natürlich ist die Steigerung des COP letztendlich abhängig von der Motorgrösse und dem Drehmomentbedarf im jeweiligen Betriebspunkt.

Markante Verbesserung der Jahresarbeitszahl

Wichtiger als der Gesichtspunkt der COP-Steigerung ist jedoch der Fokus auf einer höheren jahreszeitlichen Energieeffizienz. Auf Grundlage einer detaillierten Berechnung, die die Motorgrösse, Systemkonfigurationen, die Nutzung von Frequenzumrichter und das Lastprofil eines Supermarktes bei Tag und Nacht berücksichtigt, bietet der Einsatz von LSPM-Motoren in der Normalkühlung signifikante Vorteile für die Jahresarbeitszahl. Sogar bei Zugrundelegung der standardisierten Berechnungsmethode gem. EN 13215 verbessert sich die Jahresarbeitszahl eines Ecoline+ Verdichters im Schnitt um 6–8% gegenüber einem Verdichter mit AS-Motor. Die EN 13215:2016 trat im vergangenen Jahr in Kraft und beschreibt die Bewertung von Teillastdaten und die Berechnung einer Jahresarbeitszahl, wie es gemäss der EU-Verordnung Nr. 2015/1095 für luftgekühlte Verflüssigungssätze vorgeschrieben ist. Anstelle von der Jahresarbeitszahl wird gerne von einem SEPR-Wert gesprochen, dabei steht SEPR für «Seasonal Efficiency Performance Ratio». Die Ergebnisse in Abbildung 3 zeigen einen Vergleich nach der oben genannten Norm für drei verschiedene Klimazonen. Es handelt sich um einen Vergleich der Modelle von zwei verschiedenen Generationen: 4DTC-25K mit AS-Motor gegenüber 4DTEU-25LK mit LSPM-Motor. Dieser Vergleich zeigt, dass sich die maximale Steigerung des SEPR-Werts auf 14% und im Durchschnitt auf 13% bei kalten, gemässigten und heissen Klimabedingungen beläuft [3].

Weltneuheit bei mechanischer Leistungsregelung

Die Leistungsregelung dient dazu, die Kälteleistung des Verdichters beziehungsweise der Verdichter optimal auf den erforderlichen Kältebedarf der Anlage einzustellen. Kleine Leistungsstufen sind erforderlich, um das breite Spektrum an Laststufen in einer Kälteanlage effizient bedienen zu können. Eine einfache und effektive Lösung ist die mechanische Leistungsregelung. Bei Hubkolbenverdichtern lässt sich dies durch ein am Zylinderkopf befindliches Magnetventil erreichen. Dieses Magnetventil steuert interne Bauteile an, sodass das Kältemittel in der entsprechenden Zylinderbank nicht verdichtet wird und der Verdichter folglich im Teillastbetrieb läuft. Eine mechanische Leistungsregelung bei Hubkolbenverdichtern für transkritische CO2-Anwendungen ist eine Weltneuheit in der Branche.

Erheblich gesteigerte Systemeffizienz

Das CRII-System ist speziell auf eine hohe Schalthäufigkeit ausgelegt, wodurch eine quasi stufenlose Leistungsregelung erfolgen kann. Der grosse Vorteil dieser hohen Schalthäufigkeit liegt in der perfekten Anpassung an den Kältebedarf der Anlage und in den schnellen Reaktionen auf Systemänderungen. Die damit verbundenen Saugdruckschwankungen lassen sich im Vergleich etwa zum Ein-/Ausschaltbetrieb auf ein Mindestmass begrenzen, was Abbildung 4 grafisch veranschaulicht. Man sieht, dass der Saugdruck bei der mechanischen Leistungsregelung CRII sehr viel stabiler ist als im Ein-/Ausschaltbetrieb. Das führt zu einem höheren durchschnittlichen Saugdruck, was die Anlagenleistung erheblich steigert. Zusätzlich kann die Raumtemperatur auf einem sehr viel stabileren Niveau gehalten werden, was sich in einer hervorragenden Qualität der gekühlten Produkte bemerkbar macht. Abbildung 4 stellt ausserdem den Betrieb mit Frequenzumrichter am Beispiel Varipack Frequenzumrichter dar. Hierbei sind die Tendenzen in Bezug auf Saugdruck und Raumtemperatur hinsichtlich Stabilität und Konsistenz optimal. Die mechanische Leistungsregelung ist eine optimierte Alternative zu Bitzer Varipack Frequenzumrichtern. Sie ermöglicht eine sehr gute Regelgenauigkeit für stabilen Saugdruck. Intelligente Logik ermöglicht eine optimale Nutzung des CRII mit Blick auf Systemeffizienz und Betriebsstabilität. Die verbundene Logik für die quasi stufenlose Leistungsregelung kann eine Neutralzonenregelung mit relativ geringer Abweichung vom Sollwert sein. Das führt zu einem stabileren und höheren durchschnittlichen Saugdruck und damit zu einer erheblich gesteigerten Systemeffizienz.

Ölrückführungs­management integriert

Das IQ-Modul CM-RC-01 rundet die Ecoline+ Serie ab. Dieses IQ-Modul verbessert insbesondere den Einsatzbereich der Verdichter und erhöht die Verfügbarkeit. Es ist praktisch in den Anschlusskasten des Verdichters integriert und werkseitig verdrahtet. Abbildung 5 zeigt ein Foto des CM-RC-01. Das CM-RC-01 aktiviert erstens den eingebauten mechanischen CRII-Leistungsregler und erzielt so höchste Wirkungsgrade. Zweitens ist in das Modul zugleich ein Ölrückführungsmanagement integriert, das einen Ölspiegelregulator gleichwertig ersetzt. Ausserdem aktiviert der CM-RC-01 auch die Ölheizung. Zusätzlich sind weitere Funktionen wie die Überwachung der Betriebszustände und der Einsatzgrenzen optional erhältlich.

Das CM-RC-01 bietet verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten. Mit der BEST-Software (Bitzer Electronics Service Tool) ist über Bluetooth nicht nur eine Liveüberwachung der Betriebsparameter möglich, sondern auch der Zugang zu Datenaufzeichnungen und Verdichteralarmen. Alternativ lässt sich der Modbus für die Kommunikation mit einem Anlagenregler verwenden. Zusätzlich ist das CM-RC-01 mit LEDs ausgestattet, die eine schnelle Diagnose ermöglichen, indem sie den Betriebszustand des Verdichters anzeigen.

Zusammenfassung

Durch die Einführung innovativer Technologien und Ideen lassen sich mit der Ecoline+ Baureihe unter Einsatz eines natürlichen Kältemittels perfekte Jahresarbeitszahlen einfach und kostengünstig erzielen. Die eingesetzten LSPM-Motoren zeichnen sich durch hohe Motorwirkungsgrade, Robustheit und flexiblen Betrieb durch Anschluss am Stromnetz oder mit Frequenzumrichtern aus. Die Leistungsregelung mittels CRII ist eine Weltneuheit bei Hubkolbenverdichtern für transkritische CO2-Anwendungen und stellt eine kostenoptimierte Methode dar, die eine gute Regelgenauigkeit für stabilen Saugdruck ermöglicht. Und schlussendlich kann das IQ-Modul CM-RC-01 den Betriebsbereich des Verdichters erweitern, seine Flexibilität verbessern und die eingebauten Funktionen des Verdichters aktivieren.

*Autoren
– Oliver Javerschek: Projektmanager Anwendungstechnik und Sonderprojekte
– Manuel Reichle: Anwendungsberater Anwendungstechnik und Sonderprojekte

Literaturhinweise
[1] European Commission, 2016, EU Reference Scenario 2016 – Energy, Transport and GHG Emissions Trends to 2050, EU Publications Office, ISBN 978-92-79-52373-1, Seite 162, 202.
[2] Wolfgang Müller, Bundesumweltministerium, anlässlich der Informationsveranstaltung Energieeffizienz von Kälteanlagen, VDMA-Haus, Frankfurt am Main, 16. März 2016.
[3] Javerschek, O., Pfaffl, J., Karbiner, J.: Reduction of Energy Consumption by Applying a New Generation of CO2 Compressors, Proc., 2017. International Conference Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies, Ohrid, IIF/IIR. 

Weitere Informationen:
www.bitzer.de