Kälte mit Wasser (R718)

Natürliches Sicherheitskältemittel mit Zukunft

Die EU hat mit verschärften Vorschriften die Emissionen des stark wachsenden Kältetechnikmarkts eingedämmt. Die aktuellen Auswirkungen sind eine Verknappung und ein spürbarer Preisanstieg der fluorierten Kältemittel. Die Diskussion um nachhaltige und somit zukunftsfähige Kältemittel ist in vollem Gang. Wasser ist so ein Kältemittel. Es steht für Kälteerzeugung jenseits der F-Gase-Verordnung und ist frei von zeit- sowie kostenaufwendigen Sicherheitsanforderungen.

Gesetzliche Verordnungen zwingen Hersteller und Betreiber zum Handeln

Emissionsminderung in der Kältetechnik heißt sowohl die indirekten Emissionen, die durch den Stromverbrauch entstehen, zu verringern, aber vor allem auch die direkten Emissionen, die durch fluorierte Kältemittel entstehen. 

Dies werden die europäischen Behörden mit der F-Gase-Verordnung Nr. 517/2014 erreichen. Das in der Verordnung beschriebene Phase-Down-Szenario schreibt vor, die Menge an fluorierten Treibhausgasen, in CO2-Äquivalent gerechnet, von 2015 bis 2030 schrittweise auf 21 % zu senken. Noch im Jahr 2015 wurden die Kältemittel R134a, R404A/R507, R407C und R410A in ca. 90 % aller Kälteanwendungen verwendet. Diese Kältemittel sind bis 2030 nahezu vollständig durch neue Kältemittel zu ersetzen. Bereits zu Beginn des Jahres 2018 musste das CO2-Äquivalent an fluorierten Kältemitteln auf rund 63 % des Ausgangswerts des Jahres 2015 gesenkt werden. Der Effekt ist eine spürbare Verknappung fluorierter Kältemittel mit hohem GWP und deren erheblicher Preisanstieg. Die Verfügbarkeit dieser Stoffe ist mittel- bis langfristig nicht mehr gewährleistet.

Die verschärften Betriebs- und Sicherheitsanforderungen der Verordnung erhöhen die Wartungs- und Betriebskosten. So müssen Leckagen, bei denen HFKW-Kältemittel freigesetzt werden können, unverzüglich von zertifizierten Personen und Unternehmen repariert werden. Betreiber von Anlagen, deren Füllmenge 5 t CO2-Äquivalent überschreitet, sind zu regelmäßigen Dichtigkeitskontrollen und zur Führung von Aufzeichnungen verpflichtet. Betreiber der Anlagen sind für die Rückgewinnung der Kältemittel bei Wartungsarbeiten und am Ende der Lebensdauer einer Kälteanlage verantwortlich.

Und auch bei den indirekten Emissionen sind die Betreiber gefordert – Ökostrom alleine reicht hier nicht aus. So schreibt die EU-Ökodesign-Richtlinie Nr. 2016/2281 nun auch für Kälteanlagen Mindesteffizienzwerte vor. Die EN 15232 nimmt die Steigerung der Anlageneffizienz ins Visier.

Dies alles hat eine nachhaltige Auswirkung auf die gesamte Wertschöpfungskette der Branche. Hersteller und Handel, Anlagenbauer und Betreiber müssen reagieren.

 

Kältemaschinen mit R718

Die Kältemaschinen der Efficient Energy GmbH aus Feldkirchen bei München sind von all dem nicht betroffen. Das Kältemittel der „eChiller“-Modellreihe ist das Trinkwasser, das jeder täglich verwendet.

Wasser hat einen GWP von „0“ CO2-Äquivalent. Es ist ein Sicherheitskältemittel, frei von Toxizität und Brennbarkeit. Wasser ist darüber hinaus leicht verfügbar, einfach handhabbar und kostengüns­tig.

Dies unterscheidet es von den anderen natürlichen Kältemitteln wie Kohlendioxid (R744), Ammoniak (R717), Propan (R290) und Propen (R1270), die ebenfalls einen niedrigen GWP haben, aber teils brennbar, explosiv oder toxisch sind.

Wasser (R718) fällt nicht unter die F-Gase-Verordnung. Die Betreiberpflicht bezüglich der Sicherheitsanforderung für Kälteanlagen nach der DIN EN 378 entfällt. Der extrem leise und vibrationsarme „eChiller“ kann auch außerhalb eines Maschinenraums aufgestellt werden. Der Kostenaufwand für das Kältemittel beschränkt sich auf eine einmalige Anlagenfüllung mit 60 l Leitungswasser. Bei Außerbetriebnahme kann das Wasser ohne Auflagen der Abwasserentsorgung zugeführt werden. Wasser (R718) ist ein sicheres, nachhaltiges sowie klimaneutrales Kältemittel und dazu extrem kostengünstig.

Kälteerzeugung mit Wasser (R718)

Der „eChiller“ ist eine serienmäßig verfügbare Kältemaschine, die ausschließlich mit Wasser betrieben wird. Durch die integrierte stufenlose Regelung mit Freikühlbetrieb läuft die Maschine immer im energetisch optimalen Betrieb. Die Anlage schaltet bei Kühlwassertemperaturen, die nur geringfügig unterhalb der geforderten Kaltwassertemperatur liegen, in den Freikühlmodus. Je nach Anwendungsfall werden so im Laufe eines Jahres bis zu 80 % Energieersparnis gegenüber dem Stand der Technik erzielt.

Der „eChiller“ erfüllt sowohl die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie EN2016/2281 als auch bereits heute die noch höheren Anforderungen der EN 2021, die im Jahr 2021 in Kraft treten wird.

So funktioniert der Prozess

Der „eChiller“ arbeitet dabei mit der Direktverdampfung von Wasser in einem vakuumdichten, geschlossenen Kreislauf, der über Plattenwärmeübertrager hydraulisch vom Rückkühler und von der Kühlstelle getrennt ist.

Die Kältemaschine besteht je nach Modell aus einem oder zwei Kältemodulen, die technisch wie folgt funktionieren:

1. Der Verdampfer: Wasser tritt in den Verdampfer ein, ein Teil verdampft und entzieht dadurch dem restlichen Wasser Energie, wodurch es sich abkühlt.

2. Der Verdichter: Der Wasserdampf wird von dem Turboverdichter komprimiert, wobei sich Druck und Temperatur des Dampfes erhöhen.

3. Der Verflüssiger: Der komprimierte Dampf wird abgekühlt, kondensiert im Verflüssiger und erwärmt so den Kühlwasserstrom.

4. Die Expansion: Das kondensierte Wasser wird in den Verdampfer zurückgeführt.  

Ideal zur Serverraum-, Gebäude- und industriellen Prozesskühlung

Die Kältemaschine ist für die Kühlung von Prozessen mit hohen Kaltwasser-Vorlauftemperaturen ausgelegt. Optimal kühlt sie in einem Bereich von 16 bis 22 °C. Es können aber auch Vorlauftemperaturen zwischen 10 und 28 °C gefahren werden – ein Spektrum, das herkömmliche Kältemaschinen nur teilweise abdecken können. Abhängig von der Kaltwasser-Vorlauftemperatur, der Verdichtervariante und der Kühlwassereintrittstemperatur ist der „eChiller“ in vier Varianten in einem Leistungsbereich von 20 bis 45 kW Kälteleistung erhältlich.

Der Leistungsbereich lässt sich modular auf 300 kW skalieren. Ideale Einsatzbereiche sind die Kühlung von Server- und Schalträumen, die Gebäudekühlung insbesondere Bauteilaktivierung und Kühldecken sowie die industrielle Prozesskühlung.

Kosteneffizienz bei verbesserter CO2-Bilanz

Unternehmen profitieren von der Lösung gleich mehrfach, wie die folgende Zusammenfassung noch einmal zeigt:

- Die Umwelt- und Sicherheitsvorschriften, die für fluorierte Kältemittel gelten, entfallen.
- Die integrierte stufenlose Regelung mit Freikühlbetrieb schaltet bei Kühlwassertemperaturen, die nur geringfügig unterhalb der geforderten Kaltwassertemperatur liegen, in den Freikühlmodus. Je nach Anwendungsfall werden so im Laufe eines Jahres bis zu 80 % Energieersparnis gegenüber dem Stand der Technik erzielt.
- Der „eChiller“ erfüllt die Effizienzanforderungen der seit Januar 2018 gültigen ersten Stufe der Ökodesign-Richtlinie EN 2016/2281 sowie die noch höheren Anforderungen der zweiten Stufe, die ab 2021 in Kraft treten.
- Die extrem leise und vibrationsarme Kältemaschine kann auch außerhalb eines Maschinenraums aufgestellt werden. Die Betreiberpflicht bzgl. der Sicherheitsanforderung für Kälteanlagen nach DIN EN 378 entfällt.
- Die Kosten für das Kältemittel belaufen sich auf eine einmalige Anlagenfüllung mit 60 l Leitungswasser. Bei Außerbetriebnahme der Anlage kann das Wasser ohne Auflagen der Abwasserentsorgung zugeführt werden.
- Die „eChiller“-Modellreihe ist ein Plug-and-Play-Kältesystem. Zur einfachen Integration in die Gesamtinstallation werden neben dem Kaltwassersatz auch alle hydraulischen Komponenten in Modulen angeboten. Standardmäßig integriert sind die Ansteuerung der Peripheriekomponenten und die Schnittstelle zur Einbindung in ein übergeordnetes Anlagenmanagement. Optionale Dienstleistungen komplettieren das Rundum-sorglos-Paket.
- Zudem reduzieren sich die Investitionskosten, da der „eChiller“ BAFA-förderfähig ist; in Deutschland fördert das BAFA den Einbau des „eChillers“ im Rahmen der Nationalen Klima­schutzinitiative.

Als Aussteller der Chillventa 2018 gibt Efficient Energy in Halle 7A, Stand 109 weitere Informationen zu seinen Kältemaschinen mit R718.

Wasser (R718) ist das kostengünstige Kältemittel, bei dem F-GaseVerordnung und kältemittelrelevante Betreiberpflichten nicht greifen.
Info

GWP und CO2-Äquivalent

Um die Wirkung verschiedener Treibhausgase vergleichbar zu machen, hat das Expertengremium der Vereinten Nationen, IPCC, das sogenannte Globale Erwärmungspotential (Global Warming Potential, kurz GWP) definiert. Dieser Index drückt die Erwärmungswirkung einer bestimmten Menge eines Treibhausgases über einen festgelegten Zeitraum (meist 100 Jahre) im Vergleich zu derjenigen von CO2 aus. Maßeinheit ist das CO2-Äquivalent.

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