Erste Gewerbeanlage für Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und LNG-Kälterecycling

https://www.lvt-web.de/topstories/anlagenbau-und-komponenten/kraft-waerme-kaelte-kopplung-von-ecoenergytherm-der-backwareniIm sächsischen Döbeln setzt ein großer Tiefkühlkost-Vertrieb auf ein progressives Energieversorgungsystem, welches das Prinzip effizienter Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) mit dem thermischen Potenzial von Flüssigerdgas (LNG – Liquefied Natural Gas) verbindet. Die intelligente Kopplungslösung des Kälteanlagenspezialisten Eco Ice Kälte und der Firma Yados erzielt damit eine deutliche Effizienzverbesserung in der dezentralen Wärme-, Strom- und Kälteversorgung.

Die fokussierte Energiewende, die mit der Forderung nach einer drastischen Reduktion von CO₂-Emissionen einhergeht, stellt die lebensmittelverarbeitende Industrie ebenso vor neue Aufgaben wie die zunehmende Verbraucherpräferenz von nachhaltig produzierten Lebensmitteln. Zahlreiche Prozesse in der Lebensmittelverarbeitung und die konventionellen Verfahren der Kälteerzeugung sind mit hohen Energieaufwänden verbunden und belasten sowohl die Kosten- als auch die Umweltbilanzen der Unternehmen; die Bereitstellung von Kälte zählt nach wie vor zu den klimaschädlichsten energetischen Verfahren in Industrie und Gewerbe. Die Entwicklung von wirtschaftlichen, zukunftsfähigen Versorgungslösungen, die eine nachhaltige Produktion, Lagerung und Vertrieb von Nahrungsmitteln ermöglichen, wird mit entsprechendem Nachdruck verfolgt. 

Vielversprechend erscheint derzeit eine differenzierte Nutzung von Erdgas. Der preisgünstige Brennstoff ist weltweit in großen Mengen verfügbar und gilt als emissionsarm. In flüssiger Form ist Gas einfach zu transportieren und erlaubt eine langfristige platzsparende Lagerung. Um als Brennstoff genutzt zu werden, wandeln atmosphärische Verdampfer das flüssige Gas zurück in seinen gasförmigen Zustand. Bei diesem Regasifizierungsprozess wird Kälte freigesetzt. Dieses bislang nicht genutzte thermische Kältepotenzial lässt sich auf Basis einer speziell konzipierten Kälteauskopplungseinheit ohne zusätzlichen elektrischen Energie- oder Gaseintrag verfügbar machen. Die patentierte Technologie entstammt der Ideenschmiede des Kälteanlagenentwicklers Eco Ice Kälte aus Borna in Sachsen und wird seit 2018 in einem neuen Unternehmen, der LNG Cold Solutions, fokussiert weiterentwickelt.

LNG-Kälterecycling kommerziell einsetzbar

Aus dem Ansatz, das Kältepotenzial von Flüssigerdgas kommerziell zu nutzen und in Kombination mit weitentwickelter KWKK-Technologie in einer effizienzoptimierten Verbundlösung zu vereinen, entstand das sogenannte Trigenerationplus-System. 

In Zusammenarbeit mit Experten aus Wissenschaft und Industrie entwarf Eco Ice Kälte das technologische Konzept und realisierte das System auf Basis speziell gefertigter Systemkomponenten der Yados GmbH (Hoyerswerda). Bereits bei ihrer Inbetriebnahme wies die in Borna implementierte zweigliedrige Prototyp-Anlage optimale Primärenergieverbrauchs- sowie signifikant gesenkte CO₂-Emissionswerte auf. 

Als erster gewerblicher Abnehmer des neu konzeptionierten Energieversorgungsystems zeichnete ein etablierter Tiefkühlkost-Vertrieb mit Sitz im sächsischen Döbeln. Entwurf und Planung der Energieanlage erfolgten 2016 im Rahmen einer Teilsanierung des rund 10.000 m3 großen Tiefkühlhauses, das mehr als 2.500 Palettenstellplätze beinhaltet. Der bisher netzgebundene Betrieb über elektrischen Strom sollte einer kostengünstigeren, von volatilen Strommarktpreisen unabhängigen, versorgungsstabilen und gleichzeitig umweltschonenden Kälteproduktion weichen. Auf Grundlage von Wirtschaftlichkeitsberechnungen entschied sich das Unternehmen für den Einsatz von Erdgas, das in zweifacher Hinsicht genutzt werden kann: als Brennstoff im Gaszustand für den Betrieb von zwei BHKW-Modulen sowie als unmittelbare (Regasifizierungs-)Kältequelle. 

Voraussetzung für die bestmögliche Effizienznutzung von LNG im gewerblichen Kontext ist eine leistungsfähige Anlagentechnik. Sie muss der Maximalbelastung durch extrem hohe Temperaturunterschiede gewachsen sein und diese zuverlässig regulieren können. Für das Projekt in Döbeln fertigte Yados eine Hocheffizienzanlage bestehend aus zwei nahezu baugleichen Energiezentralen und Leitsystemen; eines der Module sorgt für die Absicherung der stark temperaturabhängigen TK-Prozessketten bei Ausfall oder zu Spitzenlastzeiten. Sämtliche KWKK-seitigen Bauteile wie Blockheizkraftwerk (BHKW), Absorptionskältemaschine (AKM), Rückkühler für die AKM mit Wasseraufbereitung sowie eine CO₂-Verdichterkältemaschine wurden in einer eigens entwickelten Containerlösung steckerfertig verbaut.

Kälteerzeugung zur differenzierten Nutzung 

Da der Unternehmensstandort in Döbeln über keine Erdgasanbindung verfügt, wurde zunächst eine Satellitenanlage mit einem externen, vakuumisolierten und speziell verstärkten Außenspeicher errichtet. Das Flüssigerdgas lässt sich im integrierten LNG-Tank bei -149 °C und einem Kompressionsdruck von 2,5 bar lagern.

Das Flüssigerdgas wird im ersten Prozessschritt in seinen gasförmigen Aggregatzustand zurückversetzt. Die Regasifizierung erfolgt über einen speziell entwickelten LNG-Wärmeübertrager mit Verdampfer, der spezifischen Kundenanforderungen entsprechend modifiziert und angepasst geliefert werden kann. Die dabei freigesetzte Kälte wird an eine synthetische oder CO₂-basierte Wärmeüberträgerflüssigkeit abgegeben. Das dabei erzeugte Kälteniveau liegt bei -45 °C. 

Nachfolgend werden zwei weitere Verfahrensschritte eingeleitet. Zum einen transportiert die Überträgerflüssigkeit die Kälteenergie unmittelbar an den zugeteilten Abnahmepunkt, etwa den Kaltlufterzeuger im Tiefkühlhaus. Das dann auf -35 °C erwärmte Fluid wird im Rücklauf in den Wärmeübertrager zurückgeleitet, um dort erneut freigesetzte Regasifizierungskälte aufzunehmen. 

Zum anderen wird durch Einspeisung des Erdgases (NG = Natural Gas) in das BHKW der KWKK-Prozess angestoßen. Die erforderliche Eintrittstemperatur erreicht das im Wärmeübertrager verdampfte LNG/NG über einen Umluftverdampfer, der das Gas weiter erwärmt. 

Mit Erreichen der Betriebstemperatur erzeugt der BHKW-Otto-Motor über einen Generator Strom mit einer elektrischen Leistung von 50 kW. Die dabei anfallende Wärme (81 kWth) wird in einem weiteren Kopplungsschritt als Antriebsenergie für eine CO2-neutrale Ammoniak-Wasser-Absorptionskältemaschine eingesetzt. Bei Kühlung des Trägermediums von -3 auf -6°C entsteht erneut Wärme, die als thermische Energiequelle mit Temperaturen zwischen 20 und 30 °C bspw. zur Unterstützung von Abtauprozessen oder zur Temperaturregelung des Trockenlagers genutzt werden kann.

Eine nachgeschaltete Tiefkühlkaskade (TKK) mit CO₂-Kälteverdichter und einer konstanten Kälteleistung von 20,4 kW sorgt für ein stabiles Frostniveau von -28 und -31°C im Tiefkühlhaus. Die Anbindung einer externen Kompressionskältemaschine (KKM) bietet zusätzliche Leistungskapazitäten und dient der Temperatursicherung bei Spitzenlasten oder Ausfall. Der Strombedarf der Maschine wird vollständig durch das BHKW gedeckt.

Verbesserte Verbrauchsbilanz von Primärenergie

Der realisierte Komponentenverbund mit Vierfach-Nutzung des eingesetzten Primärenergieträgers Erdgas ist besonders für energieintensive Unternehmen attraktiv, die, wie im Food-and-Beverage-Bereich, neben Wärme, Strom und Kühlleistung zusätzlich Tiefkälte benötigen.

Die Einspargrößen des skizzierten KWKK-Prozesses mit gleichzeitiger Verwertung der LNG-Kälte sprechen für sich: Beim LNG-Kälterecycling kann durch die Regasifizierung von 1 m³ Flüssigerdgas eine Kälteleistung von 66 kWh bei -50°C erzielt werden. Der analog erforderliche Aufwand an elektrischer Energie liegt bei 79 kWh. 

Ausgehend von 8.000 Betriebsstunden pro Jahr und der kontinuierlichen, nahezu vollständigen Nutzung der freiwerdenden Prozesswärme, senkt das Gesamtsystem den Input fossiler Primärenergie um 190 kWh/m3 LNG und erzielt damit eine Reduktion von rund 300 t CO₂ im Jahr. Davon entfallen allein 46 kg eingespartes CO₂ pro m³ LNG auf das LNG-Kälterecycling. 

Zusätzliche Unterstützung bei der optimalen Effizienzausschöpfung der Verbundtechnologie leistet die Leit- und Steuertechnik der Energiezentralen (Yado|Link). Das Leitsystem und die zugehörige Regeltechnik erlauben es, Betriebsabläufe umfassend zu visualisieren, zu überwachen und zu optimieren. Im TK-Vertrieb übernimmt das System aktuell die Überwachung der Energiezentrale und reguliert die Energieflüsse, wenn bspw. die AKM keine Wärme benötigt.

Weitere steuerungstechnische Leistungsreduktionen sind in Döbeln nicht erforderlich, da die Anlage nach Kundenspezifikation für den Volllastbetrieb ausgelegt wurde.

 

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