R718 – Wasser, das natürliche Sicherheitskältemittel

Verschärfte Rahmenbedingungen für die Kälteerzeugung

Der weltweit steigende Kälte- und Klimabedarf geht einher mit verschärften gesetzlichen Bestimmungen für die Kälteerzeugung. Dies bekommen die Betreiber von Kälteanlagen empfindlich zu spüren. So wurde im Jahr 2018 eine weitere Stufe der F-Gase-Verordnung umgesetzt mit der Folge, dass die Preise für HFKW-Kältemittel sprunghaft angestiegen sind und die Sicherheitsanforderungen für Betreiber verschärft wurden. Natürliche Kältemittel mit niedrigem GWP sind eine Alternative. Allen voran Wasser (R718) mit einem GWP von null und noch dazu mit dem Prädikat „Sicherheitskältemittel“. Der „eChiller“ ist bislang weltweit die einzige serienmäßig verfügbare Kältemaschine, die ausschließlich mit Wasser (R718) als Kältemittel arbeitet und dank der verwendeten Technologie sehr energieeffizient betrieben werden kann.

Gesetzliche Verordnungen und deren Auswirkungen – Betreiber müssen umdenken

Fluorierte Kältemittel haben ein hohes Treibhauspotenzial und tragen damit zur Klimaerwärmung bei. Um dies effizient einzuschränken, wurde von den Europäischen Behörden die F-Gase-Verordnung Nr. 517/2014 auf den Weg gebracht. Diese sieht vor, bis zum Jahr 2030 schrittweise das CO2-Äquivalent der in den Markt gebrachten Kältemittel um nahezu 80 % zu reduzieren. Hinzu kommt ein Verbot von Neuanlagen, die Kältemittel mit besonders hohem GWP (Global Warming Potential bzw. Treibhauseffekt) verwenden, sowie verschärfte Regeln für die Wartung und Instandhaltung von Kälteanlagen. Mit Inkrafttreten der zweiten Stufe der Verordnung sind seit Januar 2018 die für den Markt verfügbaren CO2-Äquivalente auf 63 % gesunken. Die Folge ist eine Verknappung fluorierter Kältemittel mit hohem GWP und ein damit einhergehender erheblicher Preisanstieg für HFKW-Kältemittel.

Die verschärften Betriebs- und Sicherheitsanforderungen führen weiterhin zu hohen Wartungsaufwänden, da Leckagen zur Vermeidung von Emissionen durch fluorierte Treibhausgase unverzüglich von zertifizierten Personen und Unternehmen repariert werden müssen. Betreiber von Anlagen, deren Füllmenge 5 t CO2-Äquivalent überschreitet, sind zu regelmäßigen Dichtigkeitskon­trollen und der Führung von Aufzeichnungen verpflichtet. Zudem schreibt die EU Ökodesign-Richtlinie Nr. 2016/2281 nun auch für Kälteanlagen Mindesteffizienzwerte vor.

„eChiller“ – Kälteerzeugung jenseits von F-Gase-Verordnung und Ökodesign-Richtlinie

Eine Lösung liefert der deutsche Hersteller Efficient Energy GmbH mit seinem Produkt „eChiller“. Das Kältemittel des „eChillers“ ist das Trinkwasser, das Sie täglich verwenden. Wasser hat als Kältemittel die Bezeichnung R718. Es ist ungiftig, nicht brennbar, leicht verfügbar und kostengünstig. Mit einem GWP von „0“ CO2-Äquivalent, der Maßeinheit, in dem das Treibhauspotenzial des jeweiligen Kältemittels im Vergleich zu CO2 angegeben wird, unterstützt die neue Technologie die Klimaziele der EU.

Betreiber profitieren gleich mehrfach vom Einsatz des „eChillers“. Für ihn entfallen alle Umwelt- und Sicherheitsvorschriften, die für fluorierte Kältemittel gelten. Hinzu kommt, dass durch die integrierte stufenlose Regelung mit Freikühlbetrieb die Kälteerzeugung stets im energetisch optimalen Betriebszustand erfolgt. Die Anlage schaltet bei Kühlwassertemperaturen, die nur geringfügig unterhalb der geforderten Kaltwassertemperatur liegen, in den Freikühlmodus. Je nach Anwendungsfall werden so im Laufe eines Jahres bis zu 80 % Energieersparnis gegenüber dem Stand der Technik erzielt. Der „eChiller“ erfüllt sowohl die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie EN2016/2281 als auch bereits heute die noch höheren Anforderungen der EN2021, die im Jahr 2021 in Kraft tritt.

Die Investition in diese Kältemaschine mit dem natürlichen Kältemittel Wasser bringt für den Betreiber den Vorteil, dass seine Betreiberpflicht bzgl. der Sicherheitsanforderung für Kälteanlagen nach der DIN EN 378 entfällt. So kann der extrem leise und vibrationsarme „eChiller“ auch außerhalb eines Maschinenraums aufgestellt werden. Der Kostenaufwand für das Kältemittel beschränkt sich auf eine einmalige Anlagenfüllung mit 60 l Wasser, das am Aufstellort der Anlage dem örtlichen Wasserleitungsnetz entnommen wird. Wird die Maschine außer Betrieb genommen, kann das Wasser ohne Auflagen der Abwasserentsorgung zugeführt werden. Zudem reduzieren sich die Investitionskosten, da der „eChiller“ BAFA-förderfähig ist.

Kühlung mit R718 – für Serverräume, Gebäudekühlung und industrielle Prozesse bestens geeignet

Der „eChiller“ ist für die Kühlung von Prozessen mit hohen Kaltwasser-Vorlauftemperaturen ausgelegt. Optimal kühlt er in einem Bereich von 16 °C bis 22 °C. Es können auch Vorlauftemperaturen zwischen 10 °C und 28 °C gefahren werden – ein Spektrum, das herkömmliche Kältemaschinen nur teilweise abdecken können. Der Leistungsbereich ist skalierbar von 20 bis 300 kW.

Ideale Anwendungsbereiche sind die Kühlung von Server- und Schalträumen, die Gebäudekühlung insbesondere Bauteilaktivierung und Kühldecken sowie die industrielle Prozesskühlung, wie z. B. die Spritzgussfertigung und Extrusion.

Wirtschaftlich und betriebssicher

Die Technologie des „eChillers“ bewährt sich seit Ende 2014 im laufenden Betrieb. So haben sich in langfristigen Anwendungen u.a. bei der DMK – Deutsches Milchkontor GmbH und der Sparkassen-IT Calw die hohen Erwartungen an die Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit des „eChillers“ erfüllt. Die Leistungsdaten wurden auch von unabhängigen Institutionen wie dem TÜV Süd bzw. TÜV Nord bestätigt.

Kühlung hoch effizienter Serverräume – Sparkassen-IT Calw

Die Sparkassen-IT GmbH & Co. KG, als Tochterunternehmen der Sparkasse Pforzheim Calw, ist der Betreiber des größten Breitbandnetzes in der Region Nordschwarzwald. Das Netz besteht aus Glasfasern höchster Güte und dient dem Transfer von großen Daten in extrem hohen Bandbreiten. Im Rechenzentrum in Calw werden seit Juni 2016 sowohl eigene als auch Kundenserver betrieben. Die Kühlung des hoch effizienten Serverraums der Sparkassen-IT Calw erfordert bei 100-prozentiger Auslastung eine Kaltgangtemperatur von maximal 26 °C bei einer maximalen Kühlleistung in der letzten Ausbaustufe von 30 kW. Dies entspricht dem optimalen Anwendungsbereich des „eChillers“.

Als Lösung wurden im Serverraum Serverracks in einer Kaltgangeinhausung aufgestellt. Die Kühlluftzufuhr zu den Servern erfolgt über Sidecooler. Die Kälte wird mittels eines „eChillers“ erzeugt. Für die erforderliche Redundanz ist ein herkömmlicher Kaltwassersatz mit HFKW als Kältemittel installiert worden.

Angebunden wird der Serverraum an die Kälteerzeugung mittels einer hydraulischen Weiche und redundanten Pumpen. Das Besondere an dieser Anwendung war der langsam – über einen Zeitraum von über einem Jahr –, diskontinuierlich wachsende Kälteleistungsbedarf durch den stufenweisen Aufbau der Server.

Seit Juli 2017 ist der Ausbau abgeschlossen und es wird eine mittlere Kälteleistung von 28 kW abgerufen. Realisiert wurde auch die Einbindung eines Pufferspeichers. Im Diagramm sind die erzeugte Kälteleistung und die dabei erreichten Effizienzwerte auf Monatsbasis für den Verlauf eines Jahres dargestellt.

Energiebilanz

Im Zeitraum von Februar 2017 bis Januar 2018 wurden vom „eChiller“ etwa 200 MWh Kälte erzeugt. Der erforderliche Strombedarf des „eChillers“ zur Kälteerzeugung betrug hierfür etwa 7,8 MWh. Setzt man beide Werte ins Verhältnis, erhält man eine Jahresarbeitszahl von über 25.

Klimatisierung des Rechenzentrums der DMK – Deutsches Milchkontor GmbH

Die DMK – Deutsches Milchkontor GmbH klimatisiert seit Ende 2014 ihr Rechenzentrum mit dem „eChiller“. Es werden dort Server mit einer IT-Leistung von 21 kW betrieben. Derzeit wird eine maximale Kühlleistung von ca. 30 kW, bei einer maximal zulässigen Kaltgangtemperatur von 26 °C, abgedeckt.

Das Diagramm zeigt den Verlauf der erzeugten Kältemenge und die dabei erreichten Effizienzwerte pro Monat in 2017.

Energiebilanz

Im Zeitraum von Januar 2017 bis Dezember 2017 wurden vom „eChiller“ etwa 190 MWh Kälte erzeugt. Der erforderliche Strombedarf zur Kälteerzeugung betrug etwa 8 MWh. Setzt man beide Werte ins Verhältnis, erhält man eine Jahresarbeitszahl von knapp 24.

Eine mehrfach ausgezeichnete Technologie

Zahlreiche Auszeichnungen des „eChillers“ belegen, dass „Wasser als Kältemittel“ eine ökonomisch und ökologisch zukunftsweisende Alternative darstellt, die einen Beitrag zur Einhaltung der EU-Klimaziele leisten kann. Der „eChiller“ wurde u. a. mit dem Deutschen Rechenzentrumspreis 2017 in der Kategorie „RZ-Klimatisierung und Kühlung“, dem RAC Cooling Industry Award 2017, dem Partslife Umweltpreis 2017 und dem Deutschen Kältepreis 2016 ausgezeichnet.

Efficient Energy GmbH

Die Efficient Energy GmbH (www.efficient-energy.de) aus Feldkirchen bei München ist Entwickler, Hersteller und Systemlieferant des „eChillers“. Neben dem Kaltwassersatz werden auch alle hydraulischen Komponenten, die für die Gesamtinstallation erforderlich sind, in Modulen angeboten.

 

Vorteile des „eChillers“ 

Kosteneffizient

­   Geringe Energiekosten
­   Wasser (R718) –  kostengünstig, leicht verfügbar
­   BAFA-förderfähig
­   Geringe Wartungskosten

Energieeffizient

­   Bis zu 80 % Energieersparnis
­   Integrierte stufenlose freie Kühlung
­   Hohe Kaltwassertemperaturen
­   Niedrige Anlaufströme
­   Leise und schwingungsarm

Nachhaltig

­   Trinkwasser als Kältemittel
­   umweltfreundlich
­   ungiftig
­   nicht brennbar
­   ölfrei

Betriebssicher

­   Fällt nicht unter die F-Gase-Verordnung
­   Wasser ist ein Sicherheitskältemittel
­   Wartungsarm und -freundlich
­   Integriertes Datenmonitoring
­   Einfache Integration in     die Gebäudeleittechnik


Die Zukunft der Klimatechnik gehört den natürlichen Kältemitteln. Der serienmäßig verfügbare „eChiller“ bietet mit Wasser als Kältemittel eine zukunftssichere und klimafreundliche Alternative.

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