Abschied von der traditionellen kompressorbasierten Kältetechnik?

Abschied von der traditionellen kompressorbasierten Kältetechnik?

Von Ozgun Danaci, DNV GL

Bis vor kurzem verließ sich die Gesundheitsbranche auf Ultratiefkühlschränke (ULT) mit kompressorbasierten Kaskadenkühlsystemen. Bei Kaskadensystemen handelt es sich einfach um zwei getrennte, kompressorbetriebene Kältekreisläufe in einer Kaskadenanordnung, die ultratiefe Temperaturen erreichen, indem sie dem Gefrierschrank in zwei Stufen Wärme entziehen. Der erste Zyklus entzieht dem Gefrierschrank mit seinem Verdampfer Wärme und gibt diese im zweiten Zyklus mit seinem Verflüssiger wieder ab. Da ein signifikanter Temperaturunterschied zwischen dem Kondensator des ersten Zyklus und dem Verdampfer des zweiten Zyklus besteht, können extrem niedrige Temperaturen erreicht werden. Der zweite Zyklus gibt diese Wärme dann an die Atmosphäre zurück, um den Kältekreislauf zu schließen.

Abbildung: Verdichterbasiertes Kaskadenkältesystem [1]

ULT-Gefriergeräte mit einem kompressorbasierten Kaskaden-Kältesystem können jährlich so viel Energie verbrauchen wie ein typischer US-Haushalt. Kaskadensysteme können über ihre Lebensdauer mehr als 70 Tonnen CO2 emittieren[2] und tragen damit erheblich zur globalen Erwärmung bei. Cascade-Systeme verwenden synthetische Kältemittel, die den Abbau der Ozonschicht verursachen. Zusätzlich zu den ökologischen Nachteilen erfordern diese Systeme aufgrund der vielen beweglichen Teile und des Start-Stopp-Betriebs der Kompressoren einen erheblichen Wartungsaufwand.

Kürzlich wurden Gefriergeräte mit einem Stirling-Kühlsystem als Alternative zu kompressorbasierten Kühlsystemen für Ultratieftemperaturanwendungen auf den Markt gebracht. Diese neuen Gefriergeräte sind kompressorfrei und verwenden einen Stirlingkühler vom Typ Beta, der von einem integrierten Linearmotor angetrieben wird. Das System besteht aus einem Kolben, der durch den Linearmotor bewegt wird, und einem Verdränger, der durch die Arbeitsflüssigkeit bewegt wird (Kolben und Verdränger sind nicht mechanisch gekoppelt). Der Verdränger hat eine heiße und eine kalte Seite, auf der die Kompression und Expansion während des Wärmeübertragungszyklus stattfindet. Die kalte Seite des Kühlers ist mit einem schwerkraftgetriebenen Thermosiphon verbunden, in dem das Kältemittel als Flüssigkeit durch das Rohr nach unten fließt, die Wärme aus dem Gefrierschrank aufnimmt, in Dampf übergeht, das Rohr nach oben fließt und auf der kalten Seite des Stirlingkühlers wieder zu Flüssigkeit kondensiert. Die Kolben-/Verdrängerbaugruppe des Stirlingkühlers transportiert die Wärme durch das Kältemittel auf die heiße Seite und gibt die Wärme dann mit einem Ventilator an die Atmosphäre ab.

Abbildung: Stirling-Kühlsystem [3]

Ein Stirling-Kühlsystem verbraucht im Durchschnitt 60 % weniger Energie als ein Kaskadenkältesystem. Die Energie- und Kosteneinsparungen durch den Ersatz eines Kaskadensystems durch ein Stirling-Kühlsystem können bis zu 75 % betragen, abhängig von der Grundausstattung und den Betriebsbedingungen. Stirling-Kühler können kontinuierlich modulieren und ermöglichen so einen Betrieb zwischen -20oC und -86oC, im Vergleich zum Betrieb von Kaskadensystemen mit -60oC bis -86oC. Als Bonus können diese Systeme diesen Grad der Kühlung erreichen, indem sie 100 % natürliche Kältemittel verwenden, die den Bedarf an ozonschädigenden Chemikalien eliminieren können. Diese Systeme enthalten nur zwei bewegliche Teile (einen Kolben und einen Verdränger), haben keine Ventile und keine Öl- und Gaslager, was auch die Wartungskosten reduziert.

Eine My Green Lab-Studie aus dem Jahr 2015,Market Assessment of Energy Efficient Opportunities in Laboratories[4] stellte fest, dass es in den USA 440.000 bis 890.000 ULT-Gefriergeräte gibt, von denen sich schätzungsweise 58.000 allein in Kalifornien befinden. Basierend auf den geschätzten Energieeinsparungen bei ULT-Gefriergeräten könnten allein die kalifornischen Labore bis zu 59 Millionen US-Dollar pro Jahr einsparen, wenn sie kompressorbasierte ULT-Gefriergeräte durch Gefriergeräte mit Stirling-Kühlung ersetzen würden [3].

Ein Tiefkühlgerät mit Stirling-Kühlsystem wurde zum ersten Energy Star-zertifizierten Ultratiefkühlgerät der Branche und setzte damit den Standard. Einige Versorgungsunternehmen und Institutionen zahlen Anreize für Tiefkühlgeräte mit Stirling-Kühlung, um den Markt zu beeinflussen. Die Gesundheitsbranche profitiert bereits von dieser Technologie.

Die Herausforderung: Kann diese Technologie kompressorbasierte Kältesysteme für gewerbliche Anwendungen ersetzen und sollten Energieeffizienzprogramme von Versorgungsunternehmen in diese Richtung gehen?

Ursprünglich hierveröffentlicht

Ähnliche Artikel

1. Die 4. Energiequelle - Druckluft
2. Druckluft - Nachlese zur Hannover Messe 2017
3. Künstliche Intelligenz in Energiemanagement-Software

Die besten Ideen für Energieeffizienz

Über den Autor

Ozgun ist ein Energieingenieur mit sechs Jahren Erfahrung in den Bereichen Energiebewertung, Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und erneuerbare Energiesysteme. Ozgun hat einen Master-Abschluss in Erneuerbaren Energien und einen Bachelor-Abschluss in Chemieingenieurwesen. Er ist ein zertifizierter Energiemanager und ein LEED Accredited Professional in Building Design and Construction.

Quellen

[1],2,3 Stirling Ultracold, Global Cooling Inc. [4] www.etcc-ca.com/sites/default/files/reports/ceel_market_assessment_et14pge7591.pdf