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Kältetechnik - Kälteanlagen
Absorptionskälteanlagen, Wärmepumpen, Strahlpumpen als alternative Technik?

„Kälte ist per Definition keine physikalische Größe, sondern lediglich der Kehrwert der thermischen Energie und entspricht daher einer vergleichsweise niedrigen Temperatur.“ So ist es im Internetlexikon „Wikipedia“ nachzulesen.

Da die thermische Energie üblicherweise in kJ oder Ws gemessen wird, hätte die Kälte demnach die Einheit . Diese Definition taugt recht wenig, da ein normal denkender Mensch spätestens bei der Einheit und der Frage, wieso diese „einer vergleichsweise niedrigen Temperatur entspricht“, hängen bleibt.

Möglicherweise ist das, was wir als Kälte bezeichnen zu einfach, um es wissenschaftlich kompliziert genug ausdrücken zu können.

So wie eine Heizung eine Temperaturerhöhung bewirken soll, so soll die Kälteanlage eine Temperaturabsenkung erreichen. Kälte wäre demnach eine geringere Temperatur und zwar bezogen auf irgend etwas. Vermutlich wäre es sinnvoller von Kühltechnik und Kühlanlagen zu sprechen, damit wäre eindeutig, dass es um die Absenkung von Temperaturen bzw. Energieinhalten geht.

Nachfolgend sollen nur Techniken behandelt werden, die großtechnisch im Einsatz sind, d.h. auf Techniken wie z.B. die Verwendung von Peltierelementen, die zum Kühlen von elektronischen Bauteilen, von einfachen Kühltaschen oder auch auf Atom-U-Booten eingesetzt werden, wird hier verzichtet.

In Großbrauereien sind heute meist zentrale - mit Ammoniak als Kältemittel betriebene - Kompressionskälteanlagen im Einsatz. Teilweise wird ein Sekundärkreislauf, meist mit einem Glykol-Wassergemisch, betrieben, um die Ammoniakfüllmenge und das Risiko bei einer Leckage des Ammoniakkreislaufs zu minimieren bzw. das was die Genehmigungsbehörden als Risiko ansehen und mit entsprechenden Auflagen belegen.

Sehr selten wird eine Analyse durchgeführt, um den technisch geringstmöglichen Energiebedarf zu ermitteln.

Selbst bei Neuinvestitionen wird häufig aus „Erfahrung“ heraus entschieden, was am günstigsten ist.

Diese Behauptung soll nachfolgend am Beispiel des Würzekühlers dargestellt werden: Gebräuchlich sind zum einen einstufige Würzekühler, die aus Eiswasser oder gekühltem Süßwasser Warmwasser erzeugen, das dann als warmes Brauwasser mit Temperaturen oberhalb von 80°C im Sudhaus wieder verwendet wird. Zum anderen sind zweistufige Plattenapparate gebräuchlich, bei denen die Würze zunächst mit Brauwasser vorgekühlt und dann mit einem Glykol-Wassergemisch oder mit Eiswasser, im geschlossenen Kreislauf, auf Anstelltemperatur gekühlt wird. Selbstverständlich gibt es auch Brauereien, die so warm anstellen, das sie die Anstelltemperatur einfach mit Brauwasser erreichen, diese sind jedoch in einem Beispiel für einen Wirtschaftlichkeitsvergleich mit der Überschrift „Kälteanlagen“ nicht wirklich zu gebrauchen.

Es ist bekannt, das 2stufige Würzekühler mehr Warmwasser erzeugen als einstufige. Dies alleine deutet bereits daraufhin, dass der 2stufige Apparat einen höheren Wärmerückgewinn bietet als der 1stufige. Wenn man beim 2stufigen Apparat das zuviel an Warmwasser nicht verwerten kann, könnte man das 80grädige Wasser ja einfach mit einer Kältemaschine auf 15°C kühlen und wieder dem Brauwasser zusetzen. Wer diesen Vorschlag als unsinnig bezeichnet, hat möglicherweise noch nicht erkannt, dass beim Betrieb eines 1stufigen Würzekühlers im Prinzip genau dies statt findet. Wer heute zuviel Warmwasser in seinem Betrieb hat, macht etwas falsch. Es gibt sehr viele Möglichkeiten Warmwasser sinnvoll - insbesondere im Sudhaus - einzusetzen, so dass jeder „kostenlos“ erzeugte Tropfen Warmwasser die Gesamtkosten senken kann.

Aber warum erzeugt der zweistufige Würzekühler mehr Warmwasser?

Die Effizienz eines 1stufigen Würzekühlers hängt ab von der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz, die des 2 stufigen Apparates hingegen hängt ab, von der Differenz der Brauwassereintrittstemperatur zur Würzeübergabetemperatur zwischen den beiden Abteilungen. Beim 2stufigen Würzekühler sind hier Temperaturdifferenzen von 3 K wirtschaftlich sinnvoll zu erreichen. Beim 1stufigen wäre für eine mittlere logarithmische Temperaturdifferenz von 3 K eine etwa 3mal größere Wärmeübertragungsfläche notwendig als beim 2stufigen Würzekühler. Üblicherweise werden 1stufige Würzekühler mit einer mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz von etwa 12 K betrieben, wodurch die Übertragungsfläche und die Investitionskosten geringer ausfallen, als beim 2stufigen Kühler.

Wenn man aber aus wirtschaftlichen Gründen einen 2stufigen Würzekühler wählt, warum setzt man dann für das 2te Abteil einen Plattenapparat ein, der mit einem Wärmeträger (Wasser, Sole oder Wasser-Glykolgemisch) betrieben wird, der mit einer Kompressionskältemaschine herunter gekühlt wurde. Aus energetischer und auch aus wirtschaftlicher Sicht wäre es sinnvoller das 2te Abteil mit einer Kältemitteldirektverdampfung zu betreiben.
Aus der Erfahrung heraus werden in Brauereien zur Kühlung fast ausschließlich Kompressionskälteanlagen eingesetzt. Nur weil eine groß genügende Anzahl von Leuten sich für eine bestimmte Technik entscheidet, muss diese nicht gezwungenermaßen die wirtschaftlich sinnvollste Lösung darstellen.

Nachfolgend sollen einige Techniken beschrieben werden, die großtechnisch - teilweise auch in Brauereien - im Einsatz sind.

Absorptionskälteanlagen sind sehr einfach im Aufbau. Der Stromverbrauch ist äußerst niedrig. Es wird jedoch Wärmeenergie auf einem relativ hohem Temperaturniveau benötigt. Die Wirtschaftlichkeit einer Absorptionskälteanlage hängt genauso wie die Wirtschaftlichkeit einer Kühlanlage mittels Strahlpumpen zum einen von der Preisdifferenz Wärme- zu elektrischer Energie und zum anderen von den Temperaturdifferenzen ab.

Ein nicht zu unterschätzender Vorteil für die Kühlanlage mit Strahlpumpen ist, dass als Kältemittel ausschließlich Wasser eingesetzt wird. Der Nachteil der Strahlpumpenanlagen für die Brauerei ist, das Wasser bekanntlich bei 0°C gefriert und somit Temperaturen unter 0°C mit der Strahlpumpenanlage nicht direkt erzeugt werden können.

Absorptions- und Strahlpumpenkühlanlagen haben sehr wenige bewegte Teile und einen sehr geringen Wartungsbedarf.

Beide Systeme können interessant sein beim Betrieb einer Kraftwärmekopplung mit Gasturbine, da häufig diese Anlagen bereits wirtschaftlich arbeiten, wenn die Wärme zu einem Teil der eigentlichen Kosten der Primärenergie sinnvoll verwertet werden kann.

Da Brauereineubauten oder Erweiterungen selten sind, muss im Normalfall davon ausgegangen werden, dass bereits eine Kompressionskälteanlage vorhanden ist. Durch eine Herabsetzung der Kondensationstemperatur mit einer Unterkühlung des Kondensats, kann der Wirkungsgrad der Kompressionskälteanlage sehr deutlich erhöht und damit der elektrische Kraftbedarf deutlich gesenkt werden. Hierfür müssen keine Temperaturen unter 0°C erzeugt werden, so dass hier auch Strahlpumpenanlagen sehr wirtschaftlich eingesetzt werden können. Der Vorteil dieser Verfahrensweise ist, dass die Wärme der Kraftwärmekopplungsanlage außerhalb der Heizperiode äußerst sinnvoll verwendet werdet kann.

Nahezu alle Brauereien lagern CO2 flüssig, so dass es vor der Verwendung verdampft werden muss. Diese Verdampfer können ebenfalls den Wirkungsgrad der Kompressionskälteanlage verbessern, wenn die Verdampfungswärme dazu benutzt wird, das Kältemittel zu kühlen.

An etwa 100 Tagen im Jahr wird in Deutschland eine Temperatur von unter 0°C gemessen. Vor 100 Jahren war es noch üblich, diese kostenlose Kühlung zu nutzen. Auch heute wäre es mit relativ geringem Aufwand möglich, kalte Außenluft zumindest teilweise für die Raumkühlung einzusetzen.

Da die meisten Brauereien auch in Zukunft Kompressionskälteanlagen betreiben werden, stellt sich die Frage ob man eine Kältemitteldirektverdampfung konsequent einsetzt oder zumindest in einigen Bereichen auf eine indirekte Kühlung, z.B. mit einem Glykol-Wassergemisch arbeiten sollte. Dies ist vornehmlich eine rein wirtschaftliche Entscheidung. Schwere Ammoniakunfälle in Brauereien sind extrem selten. Andere Kältemittel als Ammoniak werden wegen der schlechteren thermodynamischen Eigenschaften kaum eingesetzt.

Funktion der Absorptionskälteanlage

Funktion einer Kühlanlage mit Dampfstrahlpumpen

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