Supermarktkühlung mit Kohlendioxid

Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden ist es gelungen, die Effizienz von Kältemaschinen mit Kohlendioxid als Kältemittel deutlich zu verbessern. Ihr System eignet sich beispielsweise für die Kühlung in Supermärkten, angefangen von Kühltheken bis hin zu großen Kühlräumen. Gegenüber konventionellen Kühlungen erwarten die Forscher im Jahresmittel Energieeinsparungen von 10 %, an warmen Tagen sogar bis 25 %. Gemeinsam mit einem Partner aus der Industrie sammeln sie erste Betriebserfahrungen.
Kohlendioxid (CO₂) ist eines der natürlichen Kältemittel, das bereits zu Beginn des vorigen Jahrhunderts verwendet wurde. Seit der Entwicklung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen in den 1930er Jahren wurde das Kältemittel Kohlendioxid in Anwendungsnischen verdrängt. Mit den verstärkten Bemühungen, die Treibhausgasemission zu verringern, rückte CO₂ als Kältemittel wieder in den Fokus. Die faktisch unbegrenzte, natürliche Verfügbarkeit, sowie das minimale Treibhauspotential, macht CO₂ zum idealen, umweltfreundlichen Kältemittel (das Global Warming Potential GWP beträgt 1. Zum Vergleich: das GWP von R404A liegt bei 3.780). Die physikalischen Eigenschaften des Kohlendioxids unterscheiden sich deutlich von denen der synthetischen Kältemittel. Positiv ist die hohe volumetrische Kälteleistung, die gemeinsam mit dem exzellenten Wärmeübergang den Bau sehr kompakter Anlagen erlaubt. Das Kältemittel ist ungiftig und Leckagen verursachen keine Umweltprobleme. Andere physikalische Eigenschaften sind weniger günstig. Sie führen dazu, dass in der Anlage hohe Drücke von bis zu 100 bar und große Druckdifferenzen zwischen Kalt- und Warmseite erforderlich sind. Außerdem steigt der Energieverbrauch deutlich an, wenn die Rückkühltemperaturen über 31 °C liegen (transkritischer Betrieb). In Kältemittel-Kreisläufen von Kältemaschinen entspannt das Kältemittel zwischen Warmseite und Kaltseite über ein Drosselventil, um anschließend wieder verdichtet zu werden. Die Energie der Druckdifferenz wird nicht genutzt. Dies ist kein nennenswerter Verlust, wenn konventionelle Kältemittel verwendet werden, denn die Druckdifferenz ist sehr gering. Anders ist es bei den hohen Druckdifferenzen in Anlagen mit Kohlendioxid. Hier, so befanden die Forscher, lohne es sich, diese Energie für den Kältemittel-Kreislauf nutzbar zu machen. Zu diesem Zweck entwickelten sie eine Expander-Kompressor-Einheit (ECU). Diese nutzt die bei der Entspannung umgesetzte Energie zur Unterstützung des Kompressionsprozesses. Dadurch erhöht sich die Energieeffizienz besonders bei hohen Umgebungstemperaturen. Im Frühjahr 2011 wurden diese Forschungsarbeiten der TU Dresden und des Projektpartners, der kke GmbH aus Kesselsdorf bei Dresden, bei der Verleihung des 3. Deutschen Kältepreises mit dem zweiten Platz in der Kategorie „Klimafreundliche kältetechnische Sonderanwendungen“ ausgezeichnet. In diesem Projekt wurde die ECU in eine Anlage des Projektpartners integriert und getestet. Hierbei handelt es sich um eine sogenannte Boosteranlage, in der Normalkühlung und Tiefkühlung kombiniert sind. Diese Versuchs- und Demonstrationsanlage simuliert die realistischen Bedingungen in einem Supermarkt mit einer Verkaufsfläche von rund 1.000 Quadratmetern. Eine weitere Anlage ohne Tiefkühleinheit befindet sich derzeit in einem Schweizer Supermarkt im Praxistest.