Alternative Antriebstechnologien bei ... - Archiv - IAA

Alternative Antriebstechnologien bei Transportkältesystemen
zur Reduzierung von CO 2-Emissionen
Peter Großkopf, Dr. Manfred Burke, Prof. Ullrich Hesse*
* Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für
Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik, TU Dresden
IAA-Symposium der Transfrigoroute Deutschland und des VDA:
Die verhinderte CO 2-Reduktion im temperaturgeführten Transport
09/2012 - 1

Halber Kraftstoffverbrauch mit herkömmlichen Generator-Kälteanlagen und
ein Drittel weniger Kraftstoffverbrauch mit Common Rail-CDI-Turbo-Diesel
CO 2 -Emissionen in %
250
200
150
100
50
0
217%
Stickstoff
100%
herkömmliche
Diesel-Kälteanlagen
67%
CDI-Diesel
50%
Generator
37%
Höchster Energieverbrauch und höchste CO 2-Emissionen
mit allen Flüssiggas-Kälteanlagen
Studie des britischen Verkehrsministeriums zum EU-weit geforderten
Energy Labelling - Ergebnis für 5 kW Kälteleistung bei -20°C
Netz
Programmes
2002/2003
Konversionsfaktor in UK:
2,68kg CO 2 / l Diesel,
0,44kg CO 2 / kWh Netzstrom
09/2012 - 2

Je tiefer die Verdampfungstemperatur, desto höher der
Energiebedarf zur Gasverflüssigung – zusätzlich mehr als 10-fache
CO 2-Emissionen beim Kühlen mit CO 2-Kälteanlagen
26-facher Energiebedarf für Flüssigstickstoff und 5-facher Energiebedarf
für Flüssig-CO 2/Trockeneis ohne unvermeidliche Betankungs-,
Logistik-, Lagerungsverluste, die in der Praxis 20-30% betragen.
Theoretischer Energieverbrauch bei der Herstellung tiefkalter Gase
gemäß dem Carnot-Vergleichsprozess bei 30°C Kondensationstemperatur
09/2012 - 3

CO 2 -Emissionen
Bei weitem höchste CO 2-Emissionen und höchste Betriebskosten mit allen
Flüssiggas-Kälteanlagen – sowohl bei offenen als auch Verdampfer-Anlagen
150
100
50
0
1200%
CO 2 CO 2- Herstellung Kühlen mit CO 2
Flüssiggas-
Kälteanlagen
700%
Stickstoff
Ohne Tank- und Logistikverluste, die bei Gaskälteanlagen in der Praxis 20-30% betragen.
Energieaufwand Stickstoff: Ø 1 kWh /kg, Prof. Hesse TU Dresden
Energieaufwand CO 2 Ø 0,125 kWh/kg, Prof. Eggers TU Hamburg
100%
Industriediesel
67%
Konversionsfaktor Diesel 2,68 kg CO 2 /Liter
Konversionsfaktor Strom 0,589kg CO 2/kWh
CO 2-Emissionen verschiedener Kältesysteme für 10 kW Kälteleistung bei 0°C
CDI-Diesel
45%
Generator
41%
Netz
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Dieselverbrauch in Liter pro Stunde
09/2012 - 4

Auswertung aller ATP-Typprüfberichte für Motorwagenkälteanlagen vom UBA:
Halber Dieselverbrauch von FRIGOBLOCK-Generatorkälteanlagen
im Vergleich zu herkömmlichen Dieselkälteanlagen
Motorwagenkältemaschinen
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
G
F E D C B A
geplantes EU Energy Label
Label von bis
A ist größer 3,27
B 3,01 3,27
C 2,75 3,01
D (MW) 2,48 2,75
E 2,22 2,48
F 1,96 2,22
G ist kleiner 1,96
0 1 2 3 4 5 6
Kälteenergie in kWh pro Liter Dieselverbrauch
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
Vom UBA 2008 geplantes EU-weites Energy Labelling für Transportkältemaschinen
auf Basis der Auswertung aller ATP-Typprüfberichte
FRIGOBLOCK-
Generatorkälteanlagen
herkömmliche
Dieselkälteanlagen
09/2012 - 5

Bis zu 98% geringere Schadstoffemissionen mit FRIGOBLOCK-Generatorantrieb
im Vergleich zu herkömmlichen Dieselkälteanlagen
DAIMLER OM 470 Euro 6
325-430 PS
mit neuen wassergekühlten
FRIGOBLOCK-Generatoren
LKW Euro 6
0,4
0,13
1,5
0,01
g/kWh
HC
PT
Generatorantrieb
NO x
Euro 6
Euro 5
-93%
CO -73%
-98%
FRIGOBLOCK-Generatorantrieb am Euro 6-LKW-Motor und dessen Schadstoffemissionen
im Vergleich zu herkömmlichen Industriedieselmotoren
Standard-
Industriediesel
Stufe IIIA
7,5
5,5
0,6
g/kWh
Herkömmliche
Dieselkälteanlagen
09/2012 - 6

Höhere Kälteleistung und geringerer Energieverbrauch durch größere,
effizientere Wärmetauscher und langsamer drehende, effizientere Verdichter
Vereinfachter Kältekreislauf
09/2012 - 7

Energieeffizienz (COP) in %
260%
240%
220%
200%
180%
160%
140%
120%
Absenkung der Verdichterdrehzahl
+34% Deutliche Steigerung der Energieeffizienz durch
100%
-40 -30 -20 -10
Verdampfungstemperatur [°C]
Bei gleicher Kälteleistung kann der Kälteverdichter mit R32 und R410A 500 bis 1000 1/min
langsamer drehen. Die Energieeeffizienz von R32 und R410A ist dann um 10 bis 20% besser als die
von Propen und damit die Umweltbelastung deutlich niedriger als mit allen natürlichen Kältemitteln.
Deutliche Steigerung der Energieeffizienz durch
Absenkung der Verdichterdrehzahl
+41%
09/2012 - 8 8

FRIGOBLOCK mit bis zu 4-facher Verdampfer- und Verflüssigerfläche
und bis zu 3-fachem Luftvolumenstrom
Die extrem großen Flächen halbieren die Temperaturvoreilung der Wärmetauscher bei mehr als
doppeltem Luftdurchsatz und senken dadurch den Gesamtenergieverbrauch um bis zu 50%.
Die FRIGOBLOCK-Walzengebläse verdreifachen den Luftvolumenstrom auf über 10.000 m 3 /h.
Vergleich der Verdampfer- und Verflüssigerflächen
der leistungsstärksten Motorwagenkältemaschinen
09/2012 - 9

FRIGOBLOCK FK35 mit zwei extrem großflächigen Verflüssigern
und vollständig schallgekapseltem Motor-/Kälteverdichterraum
300 mm geringere Aufbauhöhe durch Kipphydraulik: Weniger Energieverbrauch/Kaltluftverlust.
Die großen Luftansaugflächen der beiden Verflüssiger senken den Verflüssigungsdruck.
Die drei langsam drehenden Axialgebläse reduzieren das Geräuschniveau um 15dB(A) ≈ 95%.
FRIGOBLOCK FK35 mit zwei extrem großflächigen Verflüssigern
und vollständig schallgekapseltem Motor-/Kälteverdichterraum
09/2012 - 10

Wechselseitiges Abtauen der Verdampfer ermöglicht erstmals ein
kontinuierliches und effizientes Abkühlen von Fleisch bzw. Obst und Gemüse
Die große Luftansaugfläche mit doppeltem Lamellenabstand bewirkt
extrem lange Kühlzeiten zwischen Abtauzyklen.
Minutenschnelles Abtauen durch 4-Wege-Wärmepumpenschaltung.
FRIGOBLOCK FK35i mit bis zu drei großflächigen, außerhalb des Laderaums
liegenden Verdampfern zur Nutzung der vollen Fahrzeugbreite
09/2012 - 11

Mit 2-stufigem Kältekreislauf erstmals paralleles Kühlen von TK- und FD-
Verdampfern ohne Leistungseinbuße und bis zu 50% geringerem Energieverbrauch
Bei 1-stufigem Kältekreislauf bricht die
Leistung des TK-Verdampfers zusammen,
sobald der FD-Verdampfer zuschaltet.
Im 2-stufigen Kältekreislauf bleibt die
Leistung des TK-Verdampfers konstant,
auch bei zugeschaltetem FD-Verdampfer.
2-stufiger FRIGOBLOCK-Kältekreislauf mit Economizer-Schaltung
09/2012 - 12

Energieeffizienz (COP) relativ zu R 404 A
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
2-stufig
–40°C/+35°C Verdampfungs-/Verflüssigungstemperatur –20°C/+45°C Verdampfungs-/Verflüssigungstemperatur
1-stufig
überkritisch ineffizient,
daher nicht eingesetzt
84%
CO 2
Höchste Energieeffizienz mit R 32, Propen und R 410 A
in 1-stufigen und 2-stufigen Kältekreisläufen
+57%
132%
Propen (R 1270)
leicht entflammbar
136%
R 32/R 32-Gemisch
schwer entflammbar
131%
R 410 A
unbrennbar
herkömmliche
Diesel-Kälteanlagen
R 404 A
herkömmliche direkt angetriebene
Kälteanlagen
R 134 a
CO 2 auch 2-stufig keine umweltfreundliche Alternative zu R 32, R 410 A und Propen.
überkritisch ineffizient,
daher nicht eingesetzt
66%
CO 2
125%
Propen (R 1270)
leicht entflammbar
Energieeffizienz verschiedener Kältemittel im Vergleich
zu R 404 A in 1-stufigen und 2-stufigen Kältekreisläufen
+89%
123%
R 32/R 32-Gemisch
schwer entflammbar
119%
R 410 A
unbrennbar
herkömmliche
Diesel-Kälteanlagen
R 404 A
herkömmliche direkt angetriebene
Kälteanlagen
R 134 a
09/2012 - 13

FRIGOBLOCK-Inverter-Hybrid mit kostenloser Speicherung der im Brems- und
Schubbetrieb erzeugten Kälteenergie in der Ware, ohne jeden Kraftstoffverbrauch
Nur 2°C Temperaturabsenkung in 20 t Ladung
ergibt bereits 40 kWh Energiespeicher.
Keine kurzlebige und teure Li-Ion-Batterie erforderlich.
FRIGOBLOCK-Kältespeicher-Inverter-Hybrid-System
09/2012 - 14

ATP-Kälteleistung [kW]
FRIGOBLOCK FK35 mit innovativer Inverter-Regelung, extremer Kälteleistung
und mehr als 75% weniger Energieverbrauch und CO 2-Emissionen
35
30
25
20
15
10
5
Ø 14,2 kW
Ø 8,6 kW
18 kW
11kW
28,5 kW
19 kW
UBA-ATP-Daten:*
Ø 30,5 kW
kein Dieselverbrauch
Ø 20,5 kW
0C
-20 C
32 kW
22 kW
COP Energieeffizienz in kWh Kälte pro Liter Diesel
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
Ø 7,7 kWh/l
Ø 5,9 kWh/l
7,4 kWh/l
5,7 kWh/l
kein Dieselverbrauch
5,6 kWh/l
4,5 kWh/l
UBA-ATP-Daten: *
0
Energiesparbetrieb
Standard-Inverterbetrieb Brems- und
Schubbetrieb
1,0
Energiesparbetrieb
Standard-Inverterbetrieb Brems- und
Schubbetrieb
500 1000 1500 2000 2500
500 1000 1500 2000 2500
Drehzahl Verdichter [U/min]
Drehzahl Verdichter [U/min]
* ATP-Daten des Umweltbundesamtes (UBA) von Dieselkältemaschinen für ein EU-weites Energy-Labelling
Höchste Kälteleistungen im Brems- und
Schub betrieb ohne jeden Dieselverbrauch:
32 kW bei 0/+30 C
22 kW bei -20/+30 C
Kälteleistung und COP-Daten des FRIGOBLOCK FK35i im
Vergleich zu herkömmlichen Motorwagen-Dieselkälteanlagen
0C
-20 C
Höchste Energieeffizienz und niedrigster Dieselverbrauch
in Energiesparbetrieb:
nur 1,8 l/h bei 14,2 kW Kälteleistung (0/+30 C)
nur 1,5 l/h bei 8,6 kW Kälteleistung (-20/+30 C)
09/2012 - 15

ATP-Kälteleistung [kW]
35
30
25
20
15
10
5
FRIGOBLOCK FK25i / HK25i mit innovativer Inverter-Regelung und
individueller Drehzahlregelung aller Komponenten von 500-2.500 U/min
Ø 11,5 kW
Ø 6,1 kW
14,5 kW
7,9kW
23,3 kW
13,7 kW
kein Dieselverbrauch
Ø 24,8 kW
Ø 15 kW
UBA-ATP-Daten: *
0C
-20 C
Energiespar- Standard-Inverterbetrieb Brems- und
Energiespar- Standard-Inverterbetrieb Brems- und
0
betrieb
Schubbetrieb
1,0
betrieb
Schubbetrieb
500 1000 1500 2000 2500
500 1000 1500 2000 2500
Drehzahl Verdichter [U/min]
Drehzahl Verdichter [U/min]
* ATP-Daten des Umweltbundesamtes (UBA) von Dieselkältemaschinen für ein EU-weites Energy-Labelling
Höchste Kälteleistungen im Brems- und
Schub betrieb ohne jeden Dieselverbrauch:
26 kW bei 0/+30 C
16 kW bei -20/+30 C
26 kW
16 kW
Kälteleistung und COP-Daten des FRIGOBLOCK FK25i / HK25i im
Vergleich zu herkömmlichen Motorwagen-Dieselkälteanlagen
COP Energieeffizienz in kWh Kälte pro Liter Diesel
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
Ø 6,9 kWh/l
Ø 5,5 kWh/l
6,6 kWh/l
4,1 kWh/l
4,8 kWh/l
UBA-ATP-Daten: *
kein Dieselverbrauch
4,1 kWh/l
-20 C
Höchste Energieeffizienz und niedrigster Dieselverbrauch
in Energiesparbetrieb:
nur 1,5 l/h bei 11,5 kW Kälteleistung (0/+30 C)
nur 1,1 l/h bei 6,1 kW Kälteleistung (-20/+30 C)
0C
09/2012 - 16

FRIGOBLOCK FK13i mit innovativer Inverter-Regelung, maximaler Kälteleistung
und Hochleistungskältemittel R410A oder R32 mit geringstem Treibhauseffekt
ATP-Kälteleistung [kW]
21
18
15
12
9
6
3
Ø 6,5 kW
Ø 3,7 kW
8,3 kW
4,9 kW
14 kW
8,7 kW
kein Dieselverbrauch
Ø 15,1 kW
Ø 9,4 kW
0C
‐20 C
UBA‐ATP‐Daten: *
Höchste Kälteleistungen im Brems- und
Schub betrieb ohne jeden Dieselverbrauch:
16 kW bei 0/+30 C
10 kW bei -20/+30 C
16 kW
10 kW
Kälteleistung und COP-Daten des FRIGOBLOCK FK13i im
Vergleich zu herkömmlichen Motorwagen-Dieselkälteanlagen
COP Energieeffizienz in kWh Kälte pro Liter Diesel
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
Ø 7,2 kWh/l
Ø 5,3 kWh/l
6,9 kWh/l
5,1 kWh/l
kein Dieselverbrauch
4,9 kWh/l
3,9 kWh/l
UBA‐ATP‐Daten: *
0
Energiesparbetrieb
Standard-Inverterbetrieb Brems- und
Schubbetrieb
1,0
Energiesparbetrieb
Standard-Inverterbetrieb Brems- und
Schubbetrieb
500 1000 1500 2000 2500
500 1000 1500 2000 2500
Drehzahl Verdichter [U/min]
Drehzahl Verdichter [U/min]
* ATP-Daten des Umweltbundesamtes (UBA) von Dieselkältemaschinen für ein EU-weites Energy-Labelling
‐20 C
Höchste Energieeffizienz und niedrigster Dieselverbrauch
in Energiesparbetrieb:
nur 0,9 l/h bei 6,5 kW Kälteleistung (0/+30 C)
nur 0,7 l/h bei 3,7 kW Kälteleistung (-20/+30 C)
0C
09/2012 - 17

Dieselverbrauch [Liter pro h]
Schon bei 10% Brems- und Schubbetrieb 75% geringerer Dieselverbrauch
des FK35i gegenüber herkömmlichen Motorwagen-Dieselkälteanlagen
3,5
3,0
2,5
2,0
59%
1,9 l/h
1,5
1,0
0,5
2,0
63%
1,7 l/h
1,5
0,0
0,0
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
Anteil Brems- und Schubbetrieb
Anteil Brems- und Schubbetrieb
*
Standard‐Dieselkältemaschinen : Ø 3,2 l pro h *
72%
2,3 l/h
85%
2,7 l/h
Autobahn Landstraße
10 kW
Kälteleistung
bei 0/+30 C
97%
3,1 l/h
Verteiler‐
verkehr
ATP‐Daten des Umweltbundesamtes (UBA) für ein EU‐weites Energy‐Labelling von Motorwagen‐Dieselkältemaschinen
Dieselverbrauch [Liter pro h]
3,5
3,0
2,5
1,0
0,5
bei Standard‐Dieselkältemaschinen : Ø 2,7 l pro h *
75%
2,0 l/h
88%
2,4 l/h
Autobahn Landstraße
6 kW
Kälteleistung
bei ‐20/+30 C
100%
2,7 l/h
Verteiler‐
verkehr
Im Verteilerverkehr kann die Kälteleistung mit intelligenter Inverter-Hybrid-Regelung bis zu 100% im
Brems- und Schubbetrieb erzeugt werden – dann kein Treibstoffverbrauch, keine CO 2-Emissionen.
Kraftstoffeinsparung des FRIGOBLOCK FK35i bei Nutzung des Brems- und
Schubbetriebs im Vergleich zu herkömmlichen Motorwagen-Dieselkälteanlagen.
09/2012 - 18

CO 2 -Emissionen
150
125
100
75
50
25
0
FRIGOBLOCK Inverter-Hybrid
- geringster Treibstoffverbrauch, geringste CO 2-Emissionen -
100%
Industriediesel
67%
1,1 l/h 55%
1,8 l/h
CDI-Diesel
Generator
66%
2,1 l/h
Autobahn
78%
2,5 l/h
Landstraße
Inverter-Hybrid
89%
2,8 l/h
Verteilerverkehr
72%
2,3 l/h
Autobahn
85%
2,7 l/h
HD 25 FK25i FK35i
Landstraße
97%
3,1 l/h
Im Verteilerverkehr kann die Kälteleistung mit dem extrem leistungsstarken FK35i
dank intelligenter Inverter-Hybrid-Regelung nahezu zu 100% im Brems- und
Schubbetrieb erzeugt werden.
CO 2-Emissionen verschiedener Kältesysteme für 10 kW Kälteleistung bei 0°C
Verteilerverkehr
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Dieselverbrauch in Liter pro Stunde
09/2012 - 19

Alternative Antriebstechnologie bei Transportkältesystemen
FRIGOBLOCK-Kältehybrid-Inverter-Technologie
> 50% geringerer Treibstoffverbrauch durch Generatorantrieb
> 75% geringerer Treibstoffverbrauch durch Kältespeicher-Hybrid-System
● mit intelligenter Nutzung der kostenlosen Kälteerzeugung
im Brems- und Schubbetrieb
● mit kostenloser Speicherung der Kälteenergie ohne Wirkungsgradverluste
in der Ware
● mit allen Vorteilen des Hybrids auch ohne teure und nicht ausgereifte
Li-Ion-Batterien
> 95% geringere Lärm- und Schadstoffemissionen
● mit Modus für geräuscharme Nachtanlieferung
300% Kälteleistung im Vergleich zu den stärksten Motorwagen-Dieselkälteanlagen
● für maximale Abkühlgeschwindigkeit im Verteilerverkehr
Lithium-Ion-Batterien, Brennstoffzellen, Photovoltaik in der Transportkälte
bisher wirtschaftlich nicht sinnvoll.
IAA-Symposium der Transfrigoroute Deutschland und des VDA:
Die verhinderte CO 2-Reduktion im temperaturgeführten Transport
09/2012 - 20

Resultat der Messungen von 1992: Geringster Energieverbrauch und höchste
Effizienz im Tiefkühleinsatz mit R32 und R410A im einstufigen Kältekreislauf
Spez. Energieverbrauch
200
%
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
80%
83%
100%
119%
120%
106%
93% 89%
R32 R410A R404A R125 R134a R143a R290
(Propan) R1270
(Propen)
FKWs KWs
Energieverbrauch hat in der Transportkälte mit ca. 90%
den höchsten Einfluß auf die CO 2-Emissionen.
Stand 4/92
Ergebnis neutraler Messungen von 1992 an ozonunschädlichen Ersatz-
Kältemitteln und –Kältemittelgemischen für das H-FCKW-Kältemittel R22
09/2012 - 21

Kälteleistung der Kältemittel R32 71% und R410A 60% höher als bei dem in
herkömmlichen Transportkälteanlagen verwendeten Kältemittel R404A
Kälteleistung
200
%
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
171%
160%
100% 101%
Bei gleicher Kälteleistung können die Kältemittel R32 und R410A energetisch günstig bei niedrigeren
Verdichterdrehzahlen betrieben werden. Dadurch zusätzlicher Anstieg der Energieeffizienz.
Ergebnis neutraler Messungen von 1992 an ozonunschädlichen Ersatz-
Kältemitteln und –Kältemittelgemischen für das H-FCKW-Kältemittel R22
38%
97%
R32 R410A R404A R125 R134a R143a
91%
117%
R290
(Propan) R1270
(Propen)
FKWs KWs
Stand 4/92
09/2012 - 22

R32 mit geringstem Treibhauspotenzial (GWP: Global Warming Potential)
aller FKW-Kältemittel – R410A mit ca. halbem GWP-Wert von R404A
GWP – direktes Treibhauspotenzial
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
600
1700
3300
2800
R32 und R410A einzige FKW-Kältemittel mit hoher Energieeffizienz und
unter Umweltgesichtspunkten vertretbarem direkten Treibhauspotenzial.
1300
3800
3 3
R32 R410A R404A R125 R134a R143a R290
(Propan) R1270
(Propen)
FKWs KWs
Vergleich des direkten Treibhauspotenzials von ozonunschädlichen Ersatz-
Kältemitteln und –Kältemittelgemischen für das H-FCKW-Kältemittel R22
09/2012 - 23

09/2012 - 24