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

YADOS

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.

Quelle: heizungsjournal 09-2018 (www.heizungsjournal.de)

Ausgabe 9 – September 2018 / S. 38 -41

Fachbeitrag YADOS GmbH

heizungsjournal

Fachmagazin für technologieoffene Energiesysteme und Erneuerbare Energien

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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.

1

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

2

3

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

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.


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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