4.3 Betriebsoptimierung und Effizienz
4.3.2 Energetischer Vergleich Absorption zu Kompression
Eine Möglichkeit zur Ermittlung der für die jeweilige Fernkältezentrale geeignete/n Kältemaschinenart/en lässt sich über zwei maßgebliche Kriterien ermitteln; den Investitionskosten sowie dem Energiebedarf, aus dem sich Betriebskosten und Emissionen bestimmen lassen. Neben diesen sind situationsbedingt weitere Kriterien zu berücksichtigen, auf die in Kapitel 7 „Projekt -Fernkälte München-“ eingegangen wird.
Investitionskosten sind projektbezogen individuell und bedürfen somit einer Planung.
Der Energiebedarf ist beim Vergleich Absorption zu Kompression ein diskutables Thema, da einerseits der zunehmende Einfluss des alternativ erzeugten Stromes Auswirkungen auf den Strompreis sowie eine ökologischere Kälteerzeugung hat, andererseits variiert die Wertigkeit der eingesetzten (Ab)wärme in finanzieller und ökologischer Sicht oftmals und lässt sich auch nicht in jedem Fall eindeutig definieren.
Zur Klärung der energetischen Fragestellung erfolgt exemplarisch ein rechnerischer Vergleich Absorption zu Kompression mit Auswertung des Energiebedarfs, der Betriebskosten sowie der Ökologie.
Zugrunde gelegt wird ein fiktives Bürogebäude mit einem Rechenzentrum sowie Komfortklimatisierung. Die Grundkühllast des Rechenzentrums beträgt ganzjährig 3 MW, die Spitzenlast hat zusätzlich einen maximalen Leistungsbedarf von 2 MW. Der Verlauf der Spitzenlast wurde anhand eines Bürogebäudes stundenweise mittels Simulation, basierend auf dem Wetterdatensatz der Stadt München ermittelt und für den Leistungsbedarf entsprechend angepasst. [5]
Der Lastgang ist Abbildung 35 zu entnehmen.
Abbildung 35: Lastgang Bürogebäude mit Rechenzentrum [5]
Es werden drei verschiedene Erzeugungsvarianten simuliert:
Variante 1: gesamte Kühllast (5 MW) mit Absorption
Variante 2: gesamte Kühllast (5 MW) mit Kompression
Variante 3:Grundlast (3 MW) mit Absorption und Teillast bzw. Volllast (2 MW) mit Kompression
Der stündliche Leistungsbedarf eines Jahres bildet die Grundlage für die nachfolgende Simulation. Zur Vereinfachung werden folgende Wirkungsgrade festgelegt:
Absorptionskältemaschine COP: 0,7
Kompressionskältemaschine ESEER: 7,0
Die Rückkühlung erfolgt über einen offenen Nasskühlturm, bei dem für den Betrieb Verbräuche an Kühlwasser, Ventilatorstrom sowie Umwälzpumpenstrom anfallen.
Folgende Festlegungen werden für die Berechnungen getroffen:
Ventilatorbetrieb: 100, 50, 15 % Drehzahl
Pumpenwirkungsgrad: 80 %
Wasserbedarf je kW Kühlleistung 1,5-fach Verdunstung, 2,5-fach Abschlämmung, 1-fach Spritzwasser [36]
Es werden die drei genannten Erzeugungsvarianten in Excel simuliert, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Basierend auf den definierten Randbedingungen ergeben sich für den Nasskühlturm in Abhängigkeit der jährlichen Leistungsauswertung sowie der technischen Daten folgende Anforderungen in Tabelle 8.
Tabelle 8: Leistungen und Mengen zur Rückkühlung [5] [36]
maximale Rückkühlung
Variante 3: Kombination Absorption und Kompression
9.485[5] 576.000 [36] 64 [36] 1.471.722 [36]
Um den jährlichen Gesamtenergiebedarf sowie Wasserverbrauch zu ermitteln, erfolgt eine Jahressimulation der Kältemaschine/n sowie der Rückkühlung in Tabelle 9.
Tabelle 9: Endenergiebedarf und Wasserverbrauch [5]
Variante 1: Absorption
Mit diesen Ergebnissen kann nun eine Kostenbetrachtung erfolgen. Dabei werden zwei Fälle mit unterschiedlichen fiktiven Preismodellen gewählt. Das erste Modell (rot) beinhaltet höhere Wärmekosten im Vergleich zu den Stromkosten, beim zweiten Modell (blau) nähern sich beide Kosten aneinander an. Wasserpreise variieren regional sehr stark, daher wurde für den Verbrauchspreis ebenfalls ein fiktiver, aber realistischer Wert gewählt. Die Wasserkosten für die Rückkühlung bleiben in beiden Modellen gleich.
Modell 1:
Tabelle 10: Betriebskosten der drei Varianten in zwei Modellen [5]
Abbildung 36: Betriebskosten in zwei Modellen, graphische Darstellung [5]
Wie der Betriebskostenauswertung in Tabelle 10 bzw. Abbildung 36 zu entnehmen, fallen in beiden Modellen die höchsten Kosten beim Einsatz von Wärme für Absorptionskälte an. Eine Egalisierung von Absorption und Kompression tritt hier bei folgenden Werten auf:
Wärmekosten: 12,7 €
MWh
Stromkosten: 0,15 €
kWh
Neben der Wirtschaftlichkeit spielen ökologische Faktoren im Betrieb eine immer wesentlichere Rolle. Zur Beschreibung eignen sich der Primärenergiefaktor sowie ausgewählte Schadstoffemissionen. Basis ist auch hier wieder die gesamte eingesetzte Antriebsenergie, also der Endenergiebedarf.
Da Literaturwerte des Primärenergiefaktors von Strom variieren, wurde ein realistischer Wert festgelegt. Ähnliches gilt für die Fernwärme, daher wurde ein Wert gewählt, der dem einer KWK-Fernwärme entsprechen kann:
Fernwärme: 0,34
Strom: 2,7
Aus dem zuvor ermittelten Endenergiebedarf der drei Varianten aus Tabelle 9 lässt sich der jeweilige Primärenergiebedarf ermitteln. Die Ergebnisse sind Abbildung 37 zu entnehmen. Dabei fällt insbesondere auf, dass bei Einsatz von Absorptionskältemaschinen trotz des sehr niedrigen Primärenergiefaktors der Fernwärme ein höherer Primärenergiebedarf besteht, hingegen bei den strombetriebenen Kompressionskältemaschinen ist trotz des hohen Primärenergie-faktors ein geringerer Primärenergiebedarf im Vergleich zur Absorption zu verzeichnen.
Der Grund hierfür liegt am geringen Wirkungsgrad der Absorber und dem hervorragenden Wirkungsgrad der Kompressionskältemaschine, wodurch jeweils ein hoher bzw. geringer Energieeinsatz resultiert. Ein ähnlicher Effekt tritt bei der Kombination beider Erzeugungsarten auf, da der energieintensive Einsatz der Absorption den maßgeblichen Endenergiebedarf ausmacht.
Abbildung 37:Endenergiebedarf und Primärenergiebedarf der drei Varianten [5]
Letztlich folgt noch die ökologische Bilanz des Energiebedarfs. Dazu werden für die CO2-Emissionen spezifische Werte angesetzt. Da es sich bei dem fiktiven Gebäude um ein Bürogebäude handelt, wurde als Fernwärme-Referenzwert der mittlere (gerundete) Emissionsfaktor aller mit Fernwärme versorgten Landesliegenschaften (Hessen) ohne Hochschulen verwendet. [37, p. 12]
spez. CO2-Emissionen:
Fernwärme [37, p. 13]: 193 g
kWh
Strom [38, p. 2]: 601 g
kWh
In Abbildung 38 zeigt sich ein ähnliches Ergebnis wie beim Primärenergiebedarf. Trotz der besseren Emissionswerte der Fernwärme resultieren bei Absorption höhere Emis-sionen durch den größeren Energiebedarf als beim Strom.
Abbildung 38: CO2-Emissionen der drei Varianten [5]
In der dargestellten Berechnung wird zwar anhand der gewählten Werte deutlich, dass hier die Kälteversorgung mittels Absorption im Vergleich zur strombetriebenen Kompressionskälte schlechter abschneidet, jedoch ist dieses Ergebnis nicht pauschal ansetzbar. Es soll verdeutlichen, dass bei der Auswahl der geeigneten Versorgungsart die Definition der Antriebsenergie detailliert zu erfolgen hat. Es ist zu ermitteln, welche Wertigkeit in ökonomischer und ökologischer Hinsicht mit dem jeweiligen Energieträger verbunden ist. So ist z.B. durch Einsatz von Abwärme bzw. alternativ erzeugtem Strom ein besseres Ergebnis zu erreichen, als bei herkömmlichem Energieeinsatz.
Basierend auf eigenen Erfahrungen werden nachfolgend Vor- und Nachteile der drei Kälteerzeugungsvarianten dargestellt, wobei manche Punkte als vor- und nachteilig betrachtet werden können und eine dementsprechend doppelte Bewertung haben:
Absorption:
Abwärmenutzung
leiser Betrieb
wenig mechanische Bauteile
Wirkungsgradsteigerung durch höhere Temperaturniveaus - hoher Energieeinsatz erforderlich
- relativ hohe Anschaffungskosten - große Rückkühlung
- vernünftiger Teillastbetrieb nur bei guter Regelung des Systems möglich - Rücklauftemperatur für Fernwärme oftmals zu hoch
Kompression:
wirtschaftlich in Anschaffung und Betrieb
Teillastbetrieb sinnvoll umsetzbar bzw. flexible Betriebsweise möglich
sehr hohe Wirkungsgrade erreichbar → niedriger Strombedarf
wenig Platzbedarf für Kompressionskältemaschinen und Rückkühler
- Strom als Antriebsenergie
Kombination Absorption und Kompression:
flexible Grund- und Teillast durch Kombination möglich
Abwärmenutzung
- zwei unterschiedliche Maschinen in Betrieb - Nachteile beider Varianten vorhanden