Free Cooling in der Industrie: Wann lässt sich der Verdichterbetrieb von Kältemaschinen reduzieren?

Beim Free Cooling, auch freie Kühlung genannt, wird Wärme aus einem industriellen Prozess an eine kühlere Umgebung abgegeben. Dadurch sinkt die Laufzeit der Verdichter einer Kältemaschine. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Kühlung keinen Strom benötigt: Pumpen, Ventilatoren und Regelungstechnik bleiben in Betrieb. Wie hoch die tatsächliche Einsparung ausfällt, hängt von den erforderlichen Medientemperaturen, dem Kältebedarfsprofil und der Effizienz des Gesamtsystems in den einzelnen Jahresstunden ab.

Wie funktioniert Free Cooling in der Industrie?

In einer herkömmlichen Kaltwasseranlage entzieht die Kältemaschine dem Medium über einen verdichtergestützten Kältekreislauf Wärme. Beim Free Cooling wird diese Wärme über einen Trockenkühler oder einen in die Kältemaschine integrierten Wärmetauscher an die kühlere Außenluft abgegeben. Sind die Bedingungen günstig genug, können die Verdichter abgeschaltet werden. Andernfalls lässt sich das Medium lediglich vorkühlen; die Kältemaschine stellt dann die verbleibende Kälteleistung bereit.

Zu den Anwendungen gehören die Kühlung von Maschinen, Produktionsanlagen, Formen, Prozesskreisläufen und weiteren Verbrauchern, die auch außerhalb des Sommers Kälte benötigen. Nicht jede Nutzung kühler Außenluft in der Gebäudelüftung ist damit gleichzusetzen. Im Mittelpunkt steht hier Free Cooling in Kaltwasseranlagen und industriellen Flüssigkeitskreisläufen, nicht die Planung einer gesamten Kälteanlage. Einen breiteren Überblick über Anlagen und Verbraucher bietet unser Beitrag zur industriellen Kältetechnik.

Wann ist die Außenluft kalt genug?

Grundvoraussetzung ist der Wärmefluss vom wärmeren Medium zu einer kälteren Wärmesenke. Doch eine Außenlufttemperatur unterhalb der Rücklauftemperatur garantiert noch kein vollständiges Free Cooling. Zu berücksichtigen sind außerdem die für den Wärmeaustausch erforderliche Temperaturdifferenz, die Leistung des Wärmetauschers, der Volumenstrom, Verschmutzungen der Wärmeübertragungsflächen und Verluste in nachgeschalteten Komponenten.

Nehmen wir an, ein Prozess benötigt 14°C Vorlauftemperatur und führt das Wasser mit 19°C zurück. Wenn der Trockenkühler beim betrachteten Volumenstrom und der jeweiligen Last eine angenommene Temperaturdifferenz von 5 K zwischen Außenluft und austretender Flüssigkeit benötigt, kann bei 6°C Außentemperatur eine ausreichende Reserve für die vollständige Kühlung bestehen. Bei 12°C ließe sich der Rücklauf in diesem vereinfachten Beispiel möglicherweise auf etwa 17°C abkühlen, jedoch nicht auf die geforderten 14°C. Die Kältemaschine müsste dann nachkühlen. Die 5 K sind eine Annahme für das Rechenbeispiel und kein allgemeingültiger Kennwert eines Trockenkühlers; die tatsächlich erreichbaren Temperaturen ergeben sich aus den Gerätekennlinien.

Auch Daikin beschreibt in seiner Übersicht zu Free-Cooling-Lösungen den Übergang von mechanischer Kälteerzeugung über den Teilbetrieb zum vollständigen Free Cooling. Verdunstungskühlung muss anders bewertet werden als ein Trockenkühler: Hier spielen auch Feuchtkugeltemperatur und Wassermanagement eine Rolle. Temperaturschwellen verschiedener Technologien dürfen deshalb nicht ungeprüft übernommen werden.

Die Verfügbarkeit von Free Cooling muss stündlich berechnet werden

Viele Stunden mit niedrigen Außentemperaturen in einer Region reichen allein nicht aus, um eine Investition zu bewerten. In genau diesen Stunden muss der Betrieb tatsächlich Kälte benötigen, und die Anlage muss bei den geforderten Temperaturen die notwendige Leistung übertragen können. Ein ganzjährig im Dreischichtbetrieb arbeitendes Werk hat meist ein anderes Potenzial als ein Standort, der nur während der Sommerproduktion kühlt.

Für die Analyse werden mindestens folgende Daten benötigt:

• Zeitlicher Verlauf der Kältelast: Kälteleistung oder Kälteenergie in den einzelnen Stunden, Produktionsänderungen und Stillstände.
• Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sowie die für den Prozess zulässigen Abweichungen.
• Volumenstrom des Mediums, Pumpenkennwerte, Druckverluste und mögliche Unterschiede zwischen den Kreisläufen.
• Wetterdaten von einem möglichst nahe gelegenen Standort, passend zu den Betriebsstunden des Werks.
• Kennlinien von Wärmetauscher und Trockenkühler für die relevanten Temperaturen, Volumenströme und Ventilatordrehzahlen.
• Elektrische Leistungsaufnahme der Kältemaschine und der Hilfsantriebe an den jeweiligen Betriebspunkten.

Als Ausgangspunkt für externe Daten eignen sich Mess- und Beobachtungsdaten des polnischen Wetterdienstes IMGW-PIB oder stündliche ERA5-Reanalysedaten von Copernicus. Für eine genaue Auslegung müssen Unterschiede zwischen Wetterstations- oder Rasterdaten und den tatsächlichen Bedingungen am Lufteintritt des Trockenkühlers berücksichtigt werden, etwa auf einem durch Sonneneinstrahlung erwärmten Hallendach.

Wie lässt sich die Kältelast aus Messwerten bestimmen?

Bei einem Wasserkreislauf kann die abgeführte Wärmeleistung näherungsweise wie folgt berechnet werden: Q [kW] ≈ 1,163 × Volumenstrom [m³/h] × Temperaturdifferenz [K]. Bei 17,2 m³/h und 5 K ergibt sich eine Leistung von rund 100 kW. Diese Näherung gilt für Wasser in einem üblichen Temperaturbereich. Für Glykolgemische müssen die spezifische Wärmekapazität und Dichte entsprechend der tatsächlichen Zusammensetzung und Temperatur angesetzt werden.

In der Simulation werden für jede Stunde die Kältelast des Prozesses, die verfügbare Trockenkühlerleistung unter den jeweiligen Bedingungen und der gesamte Strombedarf jeder Variante ermittelt. Erst die Auswertung aller Stunden zeigt die Dauer des vollständigen und teilweisen Free Coolings, die auf diese Weise bereitgestellte Kältemenge und die dafür benötigte elektrische Energie.

Vollständiges und teilweises Free Cooling erfordern eine geeignete Regelung

Die Regelung sollte die Betriebsart anhand der tatsächlich erreichbaren Vorlauftemperatur, des Kältebedarfs und der elektrischen Leistungsbilanz wählen. Ein typischer Ablauf umfasst das Einschalten des freien Kühlkreislaufs, die Regelung von Volumenstrom und Ventilatordrehzahl und anschließend – falls erforderlich – die schrittweise Erhöhung oder Verringerung des Kältemaschinenanteils. Auch Trane erläutert das Zusammenspiel eines Trockenkühlers mit einer bestehenden Kaltwasseranlage.

In der Praxis sind folgende Punkte zu prüfen:

• Schalthysterese, damit Kältemaschine und Ventile bei kleinen Temperaturänderungen nicht ständig ein- und ausschalten;
• Temperatur- und Durchflusssensoren auf beiden Seiten des Wärmetauschers sowie die Zuverlässigkeit ihrer Messwerte;
• Mindestvolumenströme durch Kältemaschine, Wärmetauscher und Verbraucher;
• Vorrang für die Einhaltung der Prozessparameter beim Anfahren, Stillsetzen und bei Störungen;
• Frostschutz, hydraulische Bypässe und das Verfahren zur Rückkehr zur mechanischen Kälteerzeugung;
• Aufzeichnung von Betriebsart, Temperaturen, Volumenströmen, Leistungen und Alarmen im Leitsystem.

Nicht jeder theoretisch mögliche Vorkühlbetrieb bringt eine Energieeinsparung. Verbrauchen zusätzliche Pumpen und Ventilatoren mehr Strom, als durch die Entlastung des Verdichters eingespart wird, darf die Regelung den Mischbetrieb nicht allein deshalb erzwingen, weil die Außenluft kälter geworden ist.

Pumpen, Ventilatoren und Glykol können die Energiebilanz verändern

Das Wort „free“ bezieht sich auf die Kältequelle, nicht auf die Betriebskosten. Mit einem zusätzlichen Trockenkühler können neue Ventilatoren, eine Pumpe für den Außenkreislauf, ein weiterer Plattenwärmetauscher, Armaturen und höhere hydraulische Widerstände hinzukommen. Die Energiedifferenz ist für das gesamte System einschließlich vorhandener und neuer Antriebe zu berechnen; ein bloßer Vergleich von Verdichter- und Ventilatorleistung reicht nicht aus. Das US-Energieministerium beschreibt wasserseitige Economizer, die je nach Anordnung den Kältemaschinenbetrieb ersetzen oder das Wasser vorkühlen können. Das Beispiel stammt aus der Rechenzentrumskühlung, doch die systemweite Bilanzierung ist auch für industrielle Prozesse relevant.

Ein frostgefährdeter Kreislauf benötigt einen Frostschutz, der zu den örtlichen Bedingungen und Herstellerangaben passt. Häufig wird ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt. Es verändert die thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Mediums; Förderleistung und Druckverluste dürfen deshalb nicht wie bei reinem Wasser angesetzt werden. Eine Möglichkeit ist ein separater Glykol-Außenkreislauf, der über einen Wärmetauscher vom Prozesskreislauf getrennt ist. Dadurch gelangt weniger Glykol in den Prozess, allerdings entsteht ein zusätzlicher Wärmeübertragungswiderstand und gegebenenfalls wird eine weitere Pumpe benötigt. Die Dokumentation von Daikin zeigt Varianten mit Glykol sowie einen vom Verbrauchersystem getrennten Außenkreislauf.

Wie viel Strom lässt sich einsparen? Beispiel für einen Betriebszeitraum

Angenommen, ein industrieller Kreislauf benötigt in 1000 ausgewählten Stunden, in denen vollständiges Free Cooling möglich ist, eine Kälteleistung von 100 kW. Für den Vergleich werden dieselbe Kälteabnahme und dieselben erforderlichen Temperaturen in beiden Varianten zugrunde gelegt. Die angegebenen elektrischen Leistungen sind beispielhafte Annahmen, die alle wesentlichen Antriebe der jeweiligen Variante umfassen. Es handelt sich nicht um Messwerte eines bestimmten Werks.

Die Differenz beträgt in diesen Stunden (35 − 13) kW × 1000 h = 22 000 kWh beziehungsweise 22 MWh elektrische Energie. Daraus lässt sich nicht automatisch die jährliche Einsparung des Betriebs ableiten. In den übrigen Stunden kann die Anlage teilweise frei oder ausschließlich mechanisch kühlen; ihre Leistungsaufnahme hängt von der tatsächlichen Last und Regelung ab.

Für die Wirtschaftlichkeitsrechnung kommen anschließend Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten, ein möglicher Glykolwechsel und der Wert der eingesparten Energie in den Stunden mit tatsächlich reduziertem Strombezug hinzu. Die Varianten sollten auch für ein wärmeres Jahr und eine geringere Produktionsauslastung verglichen werden. Soll die Investition durch Energieeinsparungen begründet werden, kann ein Energieeffizienz-Audit mit einer klar festgelegten Vergleichsmethode zwischen Ausgangszustand und Nachrüstung sinnvoll sein.

Für welche Betriebe lohnt sich die Nachrüstung – und wann ist Vorsicht geboten?

Besonders vielversprechend sind Anlagen mit ganzjähriger oder langer Kühlsaison, relativ gleichmäßiger Kälteabnahme und einer ausreichend hohen Vorlauftemperatur, die die Umgebung in vielen Stunden ermöglichen kann. Günstige Bedingungen bestehen beispielsweise in Kreisläufen zur Wärmeabfuhr aus Produktionsanlagen. Jeder Prozess muss jedoch einzeln geprüft werden: Eine zu starke Anhebung der Wassertemperatur kann die Produktqualität oder die Betriebsbedingungen von Maschinen beeinträchtigen.

Sorgfältiger zu bewerten sind Anwendungen, die fast nur an heißen Tagen Kälte benötigen, sehr niedrige Vorlauftemperaturen verlangen, keinen Platz für einen Trockenkühler bieten oder bei denen ein neuer Wärmetauscher die Druckverluste und den Umbauaufwand deutlich erhöht. Zu prüfen ist außerdem, ob die Abwärme sinnvoll genutzt werden könnte. Manchmal verdient die Wärmerückgewinnung in der Industrie einen eigenen Vergleich mit der Wärmeabgabe an die Umgebung. Es handelt sich um unterschiedliche energetische Entscheidungen, die in bestimmten Stunden miteinander konkurrieren können.

Was ist vor der Investition und bei der Abnahme zu prüfen?

1. Systemgrenze festlegen. Definieren Sie, welche Kältemaschinen, Kreisläufe, Pumpen und Verbraucher in den Vergleich einbezogen werden, damit kein Hilfsenergiebedarf übersehen wird.
2. Messwerte aus typischen Betriebsphasen erfassen. Benötigt werden Volumenströme, Temperaturen, elektrische Leistungen, Prozesslast sowie Angaben zu Produktionsänderungen und Stillständen.
3. Stündliche Energiebilanz erstellen. Verknüpfen Sie die Betriebsstunden der Kälteverbraucher mit Wetterdaten und Gerätekennlinien und bestimmen Sie die Anteile von vollständigem, teilweisem und mechanischem Kühlbetrieb.
4. Technische Grenzen prüfen. Kontrollieren Sie Frostschutz, Pumpen und Druckverluste der Wärmetauscher, Aufstellfläche, Schallemissionen, Wartungszugang sowie die Einhaltung der Prozessparameter bei Störungen.
5. Abnahmekriterien festlegen. Überprüfen Sie unter geeigneten Betriebsbedingungen Vorlauftemperatur, Volumenstrom, Regelungsmodus und elektrische Leistung der Gesamtanlage. Sorgen Sie für eine Datenaufzeichnung, mit der der Effekt nach der Nachrüstung bewertet werden kann.

Aus Sicht eines Energieauditors sind zwei Fragen zu trennen: Wie viel Kälte kann ohne Verdichter bereitgestellt werden, und wie viel Strom verbraucht die Anlage dadurch tatsächlich weniger? Die erste Frage beantwortet die thermische Auslegung, die zweite erst eine auf realen Betriebsdaten beruhende Gesamtbilanz.

Wie beginnen Sie die Bewertung von Free Cooling in Ihrem Betrieb?

Beginnen Sie mit einer einfachen Beschreibung der Anlage: Was wird wann gekühlt, welche Vor- und Rücklauftemperaturen sind erforderlich und welche Geräte und Messwerte stehen bereits zur Verfügung? So lässt sich klären, ob zunächst eine Lastprofilanalyse, eine Überprüfung der Regelung oder ein Variantenvergleich der Nachrüstung im Vordergrund stehen sollte. Für ein erstes Gespräch müssen noch nicht sämtliche Messungen vorliegen. Wenn Sie Daten und Umfang einer solchen Bewertung strukturieren möchten, nehmen Sie Kontakt mit Energy Trend auf.

Technische Quellen und Daten für die Analyse

• Daikin – Free-Cooling-Lösungen für luftgekühlte Kältemaschinen: Kreislaufkonfigurationen und Übergang zwischen Betriebsarten.
• Trane – Freie Kühlung: Funktionsweise eines Trockenkühlers in Verbindung mit einer Kaltwasseranlage.
• US Department of Energy – Cooling Water Efficiency Opportunities: wasserseitige Economizer in paralleler oder serieller Anordnung zur Kältemaschine.
• IMGW-PIB – öffentliche Daten: Informationen zur Verfügbarkeit meteorologischer Mess- und Archivdaten.
• Copernicus Climate Data Store – ERA5: stündliche Wetter-Reanalysedaten mit Einschränkungen aufgrund der räumlichen Auflösung.