Ziel der Entwicklung
Idee und Zielstellung dieses Projekts lagen in der Entwicklung eines verfahrensoptimierten Direktverdampfers zur Flüssigeiserzeugung, da es sich gezeigt hat, dass dort die größten Herausforderungen im Hinblick auf Funktion, Effizienz und Betriebssicherheit liegen.
Im kleineren Leistungsbereich zwischen 50 und 100 kW Kälteleistung, auf welchen dieses Vorhaben zielte, fehlten praktikable Lösungen, welche einen sicheren und hoch wirksamen Betrieb von Direktverdampfersystemen zur Eiserzeugung möglich machen. Die größte Herausforderung und damit Zielstellung dieses Vorhabens bestand darin, das Verfahren der Eiserzeugung durch Direktverdampfung sicher und effizient zu gestalten.
Der zur Umsetzung der Projektinhalte aufgestellte Arbeitsplan sah Grundlagenuntersuchungen an einer Modellversuchseinrichtung vor. Die so gewonnenen Erkenntnisse wurden entsprechend des Arbeitsplans auf ein erstes Funktionsmuster übertragen und durch experimentelle Untersuchungen verifiziert. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse, insbesondere aus den experimentellen Untersuchungen am ersten Funktionsmuster, wurden Gestaltungsrichtlinien für den Entwurf eines Vorserienmodells abgeleitet und für dieses umgesetzt.
Vorteile und Lösungen
Mit Projektabschluss liegen Entwicklungsergebnisse für Direktverdampfer zur Flüssigeiserzeugung vor, die es möglich machen, Flüssigeisspeicheranlagen unterschiedlicher Leistungsgrößen zu bauen.
Die bisherige Anwendung von Flüssigeis stellt sich weltweit sehr unterschiedlich dar. In Japan werden beispielsweise seit Jahren Flüssigeis-Anlagen (schabende Verfahren) im Bereich der Gebäudeklimatisierung, jedoch mit geringen Eisanteilen innerhalb der Kälteverbundnetze, betrieben. Der Einsatz in Europa beschränkt sich vorrangig auf die Fischindustrie und wenige weitere. Der Nachteil der schabenden Verfahren liegt in erster Linie in der geringen Energieeffizienz (bedingt durch tiefe Verdampfungstemperaturen) und zum zweiten in hohen spezifischen Kosten begründet.
Das Verfahren der Flüssigeiserzeugung und Speicherung ist infolge der hohen Verdampfungstemperatur energetisch effizienter. Ein weiterer Vorteil gegenüber allen anderen Verfahren besteht in der Nutzung des natürlichen Kältemittels Wasser. Diese ist absolut umweltfreundlich, praktisch unbegrenzt verfügbar und preiswert.
Im folgenden sind zwei Beispiele möglicher Anwendungen mit Umwelt- und Kundennutzen aufgezählt:
- Anwendung von Flüssigeis in Wärmepumpenprozessen, bei denen die Eiserzeugung durch Direktverdampfung als erste Stufe einer Wärmepumpenkaskade genutzt wird. Dabei dienen natürliche oder künstliche Wasserreservoirs als Wärmequelle. Gegenüber Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle sind die Vorteile eine konstante Quelltemperatur und Heizleistung, eine höhere Effizienz und niedrigere Lärmemission. Der geringere Erschließungsaufwand ist der wesentliche Vorteil gegenüber Wärmepumpen, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen.
- Anwendung von Flüssigeis in Kältespeichern zur Abdeckung von Kältebedarfsspitzen, die typisch für viele Anwendungsfälle der Klimatisierung von Gebäuden oder der Prozesskühlung sind. Als kostengünstige thermische Speicher sind sie in der Lage, als indirekte Stromspeicher zu fungieren, die elektrische Spitzenlast zu senken oder die Kälteerzeugung in Zeiten zu verlagern in denen regenerativer Strom ausreichend oder im Überschuss zur Verfügung steht. Mit der Integration von Flüssigeisspeichern in Nah- oder Fernkältenetze (district cooling) kann deren Kapazität deutlich erweitert werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Technologie der Flüssigeiserzeugung ist sehr komplex. Ein Teil dieser Komplexität wird durch den Direktverdampfungsprozess dargestellt, welcher durch die Projektergebnisse wesentlich vorangebracht wird. Daneben müssen weitere technologische Teilgebiete für den Gesamtprozess weiter entwickelt werden. Als Beispiele für weitere Forschungstätigkeiten werden in diesem Kontext die Entwicklung spezieller Wärmeübertrager für Flüssigeis und die kontinuierliche Verbesserung des Wasserdampf-Turboverdichters gesehen. Beim derzeitigen Entwicklungsstand befindet sich die Flüssigeistechnologie, als Gesamtprozess betrachtet, noch im Stadium des Prototyps. Die schrittweise Einführung der Technologie in verschiedene Anwendungsgebiete erfordert somit weitere Demonstrationsanlagen. Auf diesem Weg soll die Machbarkeit und Effizienz demonstriert werden, um somit eine breitere Akzeptanz sowohl beim Anwender als auch bei potenziellen Technologietransferpartnern zu erreichen.