Tri-Generation statt Co-Generation | YADOS Fachbeitrag Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Ausgabe 9 – September 2018 / S. 38 -41
Fachbeitrag YADOS GmbH
heizungsjournal
Fachmagazin für technologieoffene Energiesysteme und Erneuerbare Energien
Abgasmessung
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Kraft-Wärme-Kopplung
Tri-Generation statt Co-Generation
Neues Kopplungskonzept für Wärme, Strom und Zweifach-Kälte
Progressive Energietechnik und intelligente Versorgungskonzepte finden in Industrie und Gewerbe ein breites
potentielles Einsatzfeld. Nach umfangreichen Forschungsarbeiten geht in Mittelsachsen nun erstmalig eine
weiterentwickelte Hocheffizienzanlage zur parallelen Erzeugung von Wärme, Strom und (Tieftemperatur-)Kälte
in Betrieb. Der Verbund von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Technologie (KWKK) und LNG-Kälterecycling zeigt
bislang ungenutzte Chancen für eine umweltentlastende und ökonomisch solide Energieproduktion auf.
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Die Niederlassung eines etablierten Tiefkühlkost-Vertriebs im
sächsischen Döbeln zählt damit zu den aktuellen Innovationsstandorten
im Bereich dezentrale Energieversorgung. Das Unternehmen
ist der erste gewerbliche Abnehmer eines neu konzeptionierten
Energieversorgungsystems, das die Effektivität
des Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Prinzips (KWKK) und das
besondere thermische Potential von Flüssigerdgas (LNG –
Liquefied Natural Gas) in einem hocheffizienten Anlagenbetrieb
zusammenführt.
1 Außenansicht der Energiezentralen
des Tiefkühlkost-Vertriebs
im sächsischen Döbeln. Yados
entwickelte und konfektionierte
zwei identische Anlagen in einer
flexibel erweiterbaren Container-
Ausführung.
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Kraft-Wärme-Kopplung
Entwickelt wurde das sogenannte „Trigeneration-
PLUS“-System mit dem Ziel, die künstliche Kälteerzeugung
ökologisch wie wirtschaftlich neu auszurichten
und dafür die bis dahin unerschlossene Kälteenergiequelle
LNG kommerziell nutzbar zu machen. In Zusammenarbeit
mit Experten aus Wissenschaft und Industrie
entwarf der Kältetechnik-Spezialist Eco ice Kälte
GmbH das technologische Konzept, das auf Grundlage
speziell gefertigter Systemkomponenten und einer
intelligenten Regelungstechnik von Yados umgesetzt
wurde. Bereits auf dem Prüfstand einer Prototyp-Anlage
in Borna bestätigten sich Leistungsfähigkeit
und Effizienzgrad des zweigliedrigen Technologie-
Verbunds, der einen deutlich optimierten Primärenergieverbrauch
und signifikant gesenkte CO 2 -Emissionswerte
aufwies.
Ob für die Raumklimatisierung, Lager- oder Prozesskühlung:
Die Bereitstellung von Kälte zählt zu den teuersten
und zugleich umweltbelastenden energetischen
Verfahren in Industrie, Gewerbe und im Privatsektor.
Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Flüssigerdgas
zur Kältegewinnung in doppelter Weise effektiv, da
das komprimierte und auf -162 °C abgekühlte LNG bei
seiner Regasifizierung ein extrem hohes Kältepotential
ganz nebenbei als thermisches Abfallprodukt freisetzt.
Dieser Prozess erfolgt vollständig ohne Ausstoß von
Kohlendioxid und benötigt keine zusätzliche Antriebsenergie.
Eine Technologie „state of the art“
Anwendungsbereiche, in welchen Erdgas als Primärbrennstoff
genutzt werden kann und wo gleichzeitig
ein Bedarf an Kälte vorliegt, bringen besonders günstige
Voraussetzungen für eine LNG-basierte Versorgungslösung
mit. Dabei eröffnen sich dem derzeit
schnell wachsenden LNG-Markt aussichtsreiche Absatzfelder
insbesondere in infrastrukturschwachen
Gebieten mit fehlender Gasnetzanbindung. Speicherung,
Umwandlung und Verteilung von Flüssigerdgas
können hier – wie im Fall des mittelsächsischen
Tiefkühlkost-Vertriebs – mittels einer Satellitenanlage
direkt am Abnahmeort durchgeführt werden. Der dafür
in Döbeln verbaute Außentank besteht aus einem
60 m³ fassenden LNG-Isolierspeicher, in dem das Flüssigerdgas
bei einer Temperatur von -149 °C mit 2,5 bar
Kompressionsdruck lagert und sich im weiteren Verfahren
durch Rückumwandlung in den gasförmigen Aggregatzustand
nutzbar machen lässt. Dieser Vorgang
erfolgt unter Einsatz einer hochentwickelten energietechnischen
Komponente: einem patentierten Wärmeübertrager
mit Verdampfer, der das tiefkalte LNG durch
Wärmezufuhr rückvergast und die dabei freigesetzte
Kälte an ein Überträgermedium abgibt. Auf diese Weise
können Temperaturen von -45 °C gezielt in die energetische
Infrastruktur des Standortes eingespeist und
dort an die gewählten Abnahmepunkte, etwa das Tiefkühlhaus,
geleitet werden. Der Prozess des Kältetransports
wiederholt sich im Zirkulationsprinzip: Das Übertragerfluid
gelangt über den Rücklauf erneut in den
Wärmeübertrager, um wiederum Kälte aus dem Regasifizierungsprozess
auf zunehmen bzw. Wärme abzugeben.
Prozesswärme effektiv nutzen
Anders als in bisher gängigen LNG-Anwendungen erfolgt
die Regasifizierung im „TrigenerationPLUS“-System
nicht allein mit dem Ziel, Kraftstoff für zumeist
konventionelle Verbrennungsverfahren zu gewinnen.
Durch den funktionalen Zusammenschluss mit einer
leistungsoptimierten KWKK-Anlage kann vielmehr
das Effizienzpotential des Primärenergieträgers Erdgas
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Kraft-Wärme-Kopplung
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2 Die im Container verbauten Energiezentralen
beinhalten jeweils ein BHKW-Modul, eine Absorptionskältemaschine,
eine CO 2 -Verdichter-Kaskade
(Tiefkühlkaskade) sowie die Leit- und Steuerungstechnik
„YADO|LINK“, die zur Überwachung
aller Systemprozesse – von der Erzeugung über die
Verteilung bis zur Abnahme – eingesetzt werden
kann.
3 Hochgesicherte Kältequelle: Der Spezialtank
zur Lagerung von tiefkaltem LNG ist vakuumisoliert
und verfügt über eine Doppelwandausführung.
Auf diese Weise wird einem sogenannten „Boil-off“-
Prozess vorgebeugt, bei dem bereits eine geringe
Wärmezufuhr zur Verdampfung und damit zu
einer unerwünschten Regasifizierung innerhalb
des Tanks führt.
maximal ausgeschöpft werden: durch vierfache Nutzung zur
Produktion von Wärme, Kälte und Strom sowie zur Kälterückgewinnung
aus LNG.
Das duale Energieerzeugungskonzept wird baulich in zwei
zentralen technologischen Einheiten realisiert. Die LNG-Kälterecyclinganlage
arbeitet im Verbund mit einer KWKK-Energiezentrale,
die als Redundanzsystem in doppelter nahezu identischer
Ausführung von Eco ice geplant und von Yados gefertigt wurde.
Die funktionale Kernkomponente der Zentrale bildet ein
50-kW el -Blockheizkraftwerk (BHKW), das zur Produktion von
elektrischem Strom regasifiziertes LNG verbrennt und dabei
eine Abwärmeleistung von 81 kW produziert. Diese Prozesswärme
dient in einem weiteren Schritt als Antriebsenergie für
eine Absorptionskältemaschine (AKM), die auf Basis eines Ammoniak-Wasser-Kältemittels
vollständig chemikalienfrei arbeitet.
Mit einem Treibhaus- und Ozonabbaupotential von jeweils
null (sprich: 0 GWP bzw. 0 ODP) stellt das Funktionsprinzip
einer solchen Diffusions-AKM nicht nur eine wirtschaftlich,
sondern auch ökologisch wirksame Alternative zur nach wie
vor dominierenden, kostenintensiven Kompressionstechnik dar.
Der Tiefkühlkost-Vertrieb kann den Einsatz von Kompressionskälte
dadurch auf besondere Bedarfsfälle begrenzen, etwa zur
Spitzlastabdeckung oder zur Ausfallsicherung. Der hierfür benötigte
Strom wird dabei durch das BHKW bereitgestellt. Tem-
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4 Das vereinfachte Fließschema zeigt den funktionalen Komponentenverbund
im KWKK-plus Kälterecycling-System. (Abbildungen: Yados GmbH/Eco ice Kälte GmbH)
peraturen, die weit unter -6 °C liegen, generiert die Verbundanlage
durch Zuschaltung einer Tiefkühlkaskade mit einem
speziellen CO 2 -Kälteverdichter: Ihr thermischer Output liegt bei
20,4 kW und sichert ein konstantes Frostniveau zwischen -28
und -31 °C.
Der Effizienzgrad des KWKK-Prozesses lässt sich durch Nutzung
eines weiteren thermischen Abfallprodukts – der AKM-
Abwärme – zusätzlich erhöhen. In der Energiezentrale wird die
Außenluft für den BHKW-Betrieb durch diese Abwärme vortemperiert.
Auf diese Weise können insbesondere bei niedrigen
Außentemperaturen im Winter energetisch wertvolle Einsparungen
erzielt werden. Darüber hinaus ist die Abwärme
zwischen 20 und 30 °C sinnvoll für Abtaumaßnahmen oder
auch zur Lagerbeheizung (hier: Trockenlager) einsetzbar.
mie und Hotel gewerbe, Kunststoffindustrie, Chemieunternehmen
und viele weitere sind prädestinierte Einsatzfelder für ein
netzunabhängiges LNG-KWKK-System.
Durch den energetisch neu aufgestellten Betrieb seines Tiefkühlhauses
kann das Döbelner Unternehmen seinen Input von
fossiler Primärenergie drastisch senken und erzielt eine Reduktion
von rund 300 t Kohlendioxid im Jahr. 46 kg eingespartes
CO 2 pro Kubikmeter LNG entfallen dabei allein auf das LNG-
Kälterecycling. Mit einer deutlich optimierten Wirtschaftlichkeits-
und Ökobilanz zeigt das gewerbliche Pionierprojekt also
neue Wege in die nachhaltige und kosteneffiziente Energieversorgung
auf – mit der Perspektive, sich in den kommenden Jahren
als ein zentraler technologischer Hebel für den Klimaschutz
zu etablieren.
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Neue Perspektiven für ein breites Anwendungsfeld
Mit „TrigenerationPLUS“ verfügt der Tiefkühlkost-Vertriebsstandort
aktuell über eine der fortschrittlichsten Lösungen für die
kombinierte dezentrale Kälteerzeugung. Die erfolgreiche Umsetzung
und Inbetriebnahme des Gesamtsystems besitzt eine
Leuchtturmfunktion für Betriebe unterschiedlichster Branchenzugehörigkeit:
Lebensmittelindustrie (Bäckereien, Fleischereien)
und Landwirtschaft (Milchproduktion und -kühlung), Gastrono-
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