CO_2-Kälte auf Schiffen - Herausforderungen und Lösungen aus der Praxis

摘要

Neue Kältemittelverordnungen und die Nachfrage nach klimafreundlicheren Lösungen für Kälteversorgung und Klimatisierung bringen den Einsatz natürlicher Kältemittel nach vorne. Im stationären Bereich an Land gehören CCh-basierte Kühlsysteme bereits zum Stand der Technik. Im Bereich des Schiffbaus steigt die Nachfrage nach entsprechenden Lösungen. Im Schiffbau sieht man sich, einerseits aufgrund von Klassenrichtlinien und besonderen Sicherheitsvoraussetzungen andererseits aus technischer Sicht besonderen Herausforderungen gegenüber, für die es innovative aber gleichzeitig praktikable Lösungen zu entwickeln gilt. Ohne die Erfahrungen und erprobten Konzepte aus dem Landbereich, beispielsweise von gängigen Supermarkkühlsystemen ungenutzt zu lassen, ist es erforderlich gängige Konzepte an die maritimen Bedingungen anzupassen oder ganz über Bord zu werfen und verschiedene anlagentechnische Aspekte neu zu denken. Zwar sind mittlerweile eine Reihe Standardkomponenten für CO_2-Kühl-systeme verfügbar, allerdings sind auch hier für die maritime Anwendung nötige Anpassungen zu bewerkstelligen. Um die verschiedenen Kältebedarfe und unterschiedliche Prioritäten bezüglich Kosten, Klimabilanz und Komplexität zu bedienen, kommen verschiedene Grundkonzepte in Frage. Eine Kompromisslösung mit hoher Effizienz und reduziertem Aufwand stellen Zweistoff-Kaskaden mit CO_2-Tief-kühlung dar. Reine CO_2-Kühlprozesse mit mehrstufiger Verdichtung sind sowohl für den Normal- als auch für den Tiefkühlbereich gangbare Möglichkeiten, die allerdings größeren technischen Aufwand mit sich bringen. Die präsentierte Arbeit zeigt Konzepte und Lösungen aus der Praxis für verschiedene für den Schiffbau geeignete Systemvarianten auf und geht auf gemachte Erfahrungen und Optimierungspotentiale ein. Bei der Betrachtung der Fragestellung nach eigensicherem Betrieb ist in erster Linie die Unterscheidung zwischen unter- und überkritischem Betrieb entscheidend und die Auswahl entsprechender Komponenten zu beachten. Hierbei wird eine Abwägung von Kosten und Aufwand bezüglich hochdruckfähigen Komponenten gegenüber nötigen Sicherheitskühleinrichtungen und Druckausgleichvorrichtungen vorgenommen. Diese Thematik spielt vor allem beim Kaskadenbetrieb mit konventioneller Normalkühlung eine wichtige Rolle. Diese Systemvariante verspricht bei richtiger Auslegung eine hohe Anlageneffizienz, birgt aber Herausforderungen für einen zuverlässigen Betrieb und hinsichtlich der Regelung. Anders als im Landbau mit stark schwankenden Umgebungsbedingungen, bietet die frisch- oder seewasserabhängige Gaskühlung in der Schiffskälte weniger Spielraum für druckgeregelte Prozessoptimierungen. Im Kühltemperaturbereich beläuft sich die abzudeckende Bandbreite von unter -30°C bis 6°C. In dieser Kombination kommen individuell auf die vorliegenden maritimen Randbedingungen abgestimmte Regelungskonzepte, mit reduzierter Komplexität zum Tragen. Basierend auf einem robusten Grundkonzept für eigensichere CO2-Schiffskälteanlagen, können Tiefkühlsysteme, Proviantkälteanlagen und Kaltwassersätze in einem breiten Leistungsbereich abgedeckt werden. Neben der technischen Umsetzung CO2-basierter Kühlsysteme, findet auch die energetische und ökologische Bilanz Betrachtung. Aufgrund der per Schiffsdiesel generierten Antriebsleistung fallen hierbei Wirkungsgradeinbußen im Vergleich zu konventionellen Anlagen stärker ins Gewicht, sodass erst eine genauere Betrachtung eine belastbare ökologische Bewertung zulässt. Noch ist der Erfahrungsschatz zu maritimer CO2-Kälte gering, dennoch eröffnen regulatorische und von der Verfügbarkeit und der Entwicklungserfahrung von Zuliefererkomponenten abhängige Dynamiken Entwicklungs- und Optimierungspotentiale. Diese sowie innovative ganzheitliche Konzepte, etwa für rein auf natürlichen Kältemitteln basierende Kaskadensysteme, finden in einem Ausblick Betrachtung.