Kühltechnologien für Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Die energetische Nachhaltigkeit ist zu einem wichtigen Schwerpunkt für die Industrie geworden; Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung bieten eine einzigartige Möglichkeit, diese Vision zu verwirklichen. Kühltechnologien für die Kraft-Wärme-Kopplung und die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWK und KWKK) sind ein sehr wichtiger Faktor: Verdunstungskühltürme, Trockenkühler und adiabatische Kühler (oder „adiabatische Trockenkühler“) leisten einen strukturellen Beitrag zu diesem kombinierten Produktionszyklus und können durch ihre individuellen technischen Merkmale die Effizienz des gesamten Systems erheblich steigern.
Wir wollen sehen, wie und mit welchen Besonderheiten.
1. Kraft-Wärme-Kopplungs- und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung: ein Überblick
Im Folgenden wird kurz auf den Unterschied zwischen KWK und KWKK eingegangen, um den Anwendungsbereich genau zu definieren.
- Bei der Kraft-Wärme-Kopplung (siehe Abbildung oben) handelt es sich um eine Technologie zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie (in der Regel in Form von Dampf oder Heißwasser) aus einer einzigen Brennstoffquelle, beispielsweise Erdgas oder Biomasse. Praktisch gesehen wird bei der Kraft-Wärme-Kopplung die im Brennstoff enthaltene Energie effizienter genutzt als bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme.
- Bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (siehe Abbildung oben) hingegen werden mit einer einzigen Brennstoffquelle gleichzeitig Strom, Wärme und Kälte (oder Klimatisierung) erzeugt. Man kann also sagen, dass eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage die im Brennstoff enthaltene Energie noch effizienter nutzt als die einfache Kraft-Wärme-Kopplung: Sie verwendet nämlich eine größere Wärmekomponente, die bei der Stromerzeugung abgeleitet wird, um auch Wärme und Kälte zu erzeugen. Dadurch wird der Gesamtenergieverbrauch eines Gebäudes oder einer Industrieanlage gesenkt und der Gesamtwirkungsgrad des gesamten Systems verbessert.
Es liegt also auf der Hand, dass sowohl die Kraft-Wärme-Kopplung als auch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung die Energieeffizienz von Produktionsprozessen verbessern.
2. Die Komponenten einer Trigenerationsanlage und Kühltechnologien
Wir können die Kraft-Wärme-Kopplung als eine Erweiterung des KWK-Prozesses betrachten. Sie basiert auf der effizienten Nutzung der Abwärme, die bei der Stromerzeugung entsteht, um auch thermische Energie und Kälte zu erzeugen.
Es ist nun notwendig, auf die wichtigsten am Kraftwerksprozess beteiligten Maschinen einzugehen: Dies wird uns auch das Verständnis für den Beitrag der Kühltechnologien erleichtern.
- Gasgenerator(en): Diese werden mit Brennstoff (Rauchgas, Methan, Biomethan, …) betrieben und dienen der Stromerzeugung. Sie erzeugen jedoch auch Abwärme.
- Kondensator: wird in vielen Stromerzeugungsanlagen verwendet, um verbrauchten Prozessdampf (z. B. von Dampfturbinen) zu kondensieren und zum Wärmetauscher zurück zu leiten.
- Wärmetauscher (oder Wärmerückgewinnungsdampferzeuger): Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des Trigenerationsprozesses. Sie sind die Geräte, die die Abwärme, die bei der Stromerzeugung verloren geht, zurückgewinnen und in Form von Wärme an das Versorgungsunternehmen übertragen. Diese Wärme wird dann im Anschluss an den Prozess zu Heizzwecken oder zur Warmwasserbereitung genutzt. Diese Komponente ist auch im KWK-Prozess vorhanden.
- Absorptionskältemaschine: Sie erzeugt Kälte auf der Grundlage von Kondensation und Verdampfung. Sie verfügt über einen Verdampfer und eine Kühlschlange, die das Kältemittel zur Kälteerzeugung ausdehnt. Im Gegensatz zu einem mechanischen Kompressor nutzt die Absorptionskältemaschine eine Wärmequelle, die direkt durch einen Brenner oder indirekt durch Dampf, Heißwasser oder Abwärme (Rauchgas) bereitgestellt wird: Dies kann durch Zustandsumwandlungen des Kältemittels (Wasser) in Kombination mit Lithiumbromid als Absorber erfolgen. Diese Komponente ist nur bei Trigenerationsprozessen vorhanden.
In diesem komplexen Prozess kommen Kühltechnologien bei zwei der Maschinen zum Einsatz, die den Trigenerationskreislauf bilden: dem Kondensator und der Absorptionskältemaschine, wenn diese wassergekühlt ist.
- Kühlung des Kondensators: Dies ist ein wesentlicher Schritt, damit der verbrauchte Dampf zu Wasser kondensieren kann. Kühltechnologien werden eingesetzt, um dem Kühlmittel des Kondensators während seines Betriebs die angesammelte Wärme zu entziehen: Das Kühlwasser, das den Kondensatorschlangen entnommen wird, wird durch verschiedene Kühltechnologien (je nach verwendeter Technologie durch Verdampfung, Trocken- oder adiabatische Verfahren) abgekühlt. Dies ist eine Phase, die, wie wir gesehen haben, in vielen Prozessen der Stromerzeugung, der Kraft-Wärme-Kopplung und der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung vorkommt.
- Kühlung der Absorptionskältemaschine: Das Kühlwasser, das zur Kondensation des Kältemittels in der Absorptionskältemaschine verwendet wird (wir betonen noch einmal: bei Wasserkühlmaschinen, nicht bei Luftkältemaschinen), wird in die Kühlvorrichtung geleitet. Dies kann zum Beispiel ein Verdunstungsturm oder ein adiabatischer Trockenkühler sein. Dort wird das Kühlwasser der Luft ausgesetzt, wodurch der Wärmeaustausch gefördert wird und der Prozess der Wärmeübertragung erneut beginnen kann.
3. Kraft-Wärme-Kopplung mit Kühltürmen, adiabatischen Kühlern oder Trockenkühlern: spezifische Unterschiede
Wir haben gesehen, dass Kühltechnologien in zwei spezifischen Phasen des Trigenerationsprozesses zum Einsatz kommen: der Kondensator und die Absorptionskältemaschine.
Doch welche Kühltechnologie ist für diese Zwecke zu bevorzugen: Verdunstungskühltürme, Trockenkühler und adiabatische Kühler? Um diese Frage zu beantworten, muss man die strukturellen Merkmale und Vorteile der einzelnen Lösungen kennen – dieselben, die auch für jede andere industrielle oder zivile Anlage genutzt werden können.
Die spezifischen Vorteile der einzelnen Kühltechnologien hängen von den Anforderungen der Anwendung und den Umgebungsbedingungen ab. Im Folgenden werden die verschiedenen Vorteile jeder der genannten Kühltechnologien beschrieben.
Kühltürme oder Verdunstungskühltürme
- Hohe Effizienz aufgrund der Verwendung von Wasser im System (und der Verdunstung eines begrenzten Prozentsatzes des Wassers selbst). Mit diesem Verfahren werden niedrigere Kühltemperaturen als bei anderen Technologien mit extrem kleinen Maschinenoberflächen erreicht, insbesondere im Vergleich zu den folgenden Lösungen.
- Sehr geringer Energieverbrauch: Da der Kühlprozess hauptsächlich auf der Verdunstung von Wasser beruht, benötigen Verdunstungstürme weniger Energie als andere Kühltechnologien.
- Kein Wasserverbrauch: Es handelt sich um ein reines Luftsystem, das 100% der Zeit in Betrieb ist.
- Geringere Betriebskosten (es werden keine Wasserkontroll- und -aufbereitungssysteme benötigt).
- Optimierung des Wasser- und Energieverbrauchs: In kalten Perioden laufen die adiabatischen Kühler völlig trocken, während in heißen Perioden nur wenig Wasser zur Vorkühlung der Außenluft für die Kühlung verwendet wird. All dies wird auf automatisierte und optimierte Weise über eine Steuertafel mit SPS gesteuert.
- Besserer Kompromiss zwischen Effizienz und Ressourceneinsparung als direkte Auswirkung dieser „gemischten“ und automatisierten Betriebsweise.
- Geringerer Wasserverbrauch: Im Vergleich zu Verdunstungstürmen benötigen adiabatische Trockenkühler natürlich weniger Wasser zur Kühlung.
Die Wahl der am besten geeigneten Kühltechnologie hängt also von Faktoren wie der gewünschten Energieeffizienz, der Leistung, der Verfügbarkeit von Wasser, der zu entsorgenden Wärmekapazität, dem verfügbaren Platz und der Betriebsumgebung ab.
4. "Intelligente" Kühlung in KWK- und KWKK-Kraftwerken: Auswahlsoftware und Energieeinsparungen
Die „intelligente“ Kühltechnik in KWK- und KWKK-Anlagen kann von der Verwendung von Konfigurations-, Energie- und Wassersparsoftware profitieren. Dank dieser fortschrittlichen Lösungen können in der Tat mehrere Informationen und Vorteile gewonnen werden.
Zunächst einmal die optimale Auswahl für das individuelle Kraft-Wärme-Kopplungsprojekt: Die Auswahlsoftware für die Kühlung in Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen ermöglicht die Bewertung der Umgebungs- und Feuchtkugeltemperaturen und liefert damit Schlüsseldaten für die richtige Dimensionierung und die Auswahl verschiedener Technologien auf der Grundlage ihrer Eigenschaften. Effizienz und Ressourcenoptimierung werden auf möglichst „objektive“ Weise sichergestellt.
Diese Konfigurationssoftwareprogramme ermöglichen auch eine Renditeberechnung durch den Vergleich verschiedener Kühltechnologien auf der Grundlage von Auslegungsspezifikationen: eine weitere Möglichkeit, fundierte Entscheidungen zu treffen und Betriebskosten zu senken.
5. Abschließend: Kühltechnologien für KWK und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und Energieeffizienz
Die Richtlinie Nr. 2004/8/EG der Europäischen Kommission unterstreicht die Bedeutung von Kraft-Wärme-Kopplungs- und Trigenerationsprozessen, aber gerade in den letzten Jahren wurde die dringende Notwendigkeit einer optimierten, nachhaltigen und kreislauforientierten Nutzung von Energiequellen erkannt.
Energetische und wirtschaftliche Nachhaltigkeit sowie die Effizienz industrieller Prozesse können durch die Auswahl der richtigen Industriekühler für KWK- und KWK-Anlagen erreicht werden – ein Ziel, das durch fortschrittliche Berechnungsprogramme und die Verfügbarkeit einer breiten Palette von Kühlsystemen, aus denen man wählen kann, erleichtert wird.