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Ausgewählte Ausgabe: 3-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Die Methodik „Simreff“

KÄLTEERZEUGUNG | Mit dynamischer Systemsimulation in der Kältetechnik können ungenutzte Energieeinsparpotenziale erkannt werden. Eine Verknüpfung von Anwender-, Kälte- und Wirtschaftlichkeitsprozessen erlaubt eine ganzheitliche Betrachtung von Kältelast, Kälteanlage und Wirtschaftlichkeit einer bevorstehenden Investition. Mit der Steigerung der Energieeffizienz des Gesamtsystems ergeben sich Kosteneinsparungen und eine Verbesserung der CO2-Bilanz von Kälteanlagen.


Der Energiebedarf der in Deutschland installierten Kältesysteme beträgt rund 15 % des gesamten deutschen Elektroenergiebedarfs. Im Dezember 2014 hat die Bundesregierung das Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 beschlossen. Dabei erfolgte die Vorgabe, bis zum Jahr 2020 mindestens 40 % weniger Treibhausgase als im Jahr 1990 zu emittieren [1; 2]. In das umfangreiche Maßnahmenpaket sind auch der Fortschrittsbericht zur Energiewende und der „Nationale Aktionsplan Energieeffizienz (Nape)“ eingeflossen. Der Nape stellt die Energieeffizienz als die wichtigste Säule der Energiewende dar und bezeichnet ihr Potenzial als schlafenden Riesen [3]. Beim Endenergieverbrauch in Deutschland ragt die Kälteerzeugung mit 14 % heraus [4]. Vor allem Branchen wie die Lebensmittelindustrie mit einem Anteil von 67 % sind große Verbraucher von gewerblicher und industrieller Kälte. Aber auch Anwendungen wie Klimatisierung (21,7 %) und Industriekälte (9,1 %) benötigen große Mengen an Kälteenergie. In Deutschland sind etwa 120 Mio. Kälteanlagen installiert, und im Bereich der Industrie- und Prozesskälte ist der Verbrauch an elektrischer Energie in den letzten Jahren stetig angewachsen.

Industrie-Prozesskälteanlage der Combitherm GmbH.

Industrie-Prozesskälteanlage der Combitherm GmbH.


Betreiber von Kälteanlagen sind nach EU-Energieeffizienzrichtlinie (2012 / 27 / EU) dazu verpflichtet, die Gesamtenergiebilanz zu verbessern. Des Weiteren ist das produzierende Gewerbe bestrebt, die Produktionsnebenkosten zu senken, um die eigene Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Dies sollte stets vor dem Hintergrund einer Betrachtung der Lebenszykluskosten von Kälteanlagen geschehen, da die kumulierenden Energiekosten die Investitionskosten um ein Fünf- bis Zehnfaches übersteigen können. Das Effizienzsteigerungspotenzial für Kälteprozesse liegt, je nach Anlage und Standort, im Bereich von 10 bis 40 %, verbunden mit einer Kosteneinsparung und einer Verbesserung der CO2-Bilanz des Kälteerzeugungsprozesses [5]. Die Methodik der dynamischen Systemsimulation ermöglicht diese ganzheitliche Bewertung und Optimierung und wird nachfolgend anhand einer Prozesskälteanlage im Detail vorgestellt.
Die Steigerung der Produktivität, der Energieeffizienz und der Produktqualität gewinnen bei Produktionsprozessen mit Kälteanwendung immer mehr an Bedeutung. Oft fehlt es den Betreibern an Wissen, ihre Prozesse fachgerecht und effizient zu optimieren, und somit wird das Effizienzsteigerungspotenzial nur teilweise oder gar nicht ausgeschöpft. Diese Effizienzpotenziale und Optimierung der Anlagentechnik können durch dynamische Systemsimulation aufgezeigt werden. Die Methodik „Simreff“ (Simulation, Refrigeration & Efficiency) stellt eine wissensbasierte Dienstleistung zur Planung, Inbetriebnahme und Betriebsoptimierung von Kälteanlagen dar. Angewendet wird die neu entwickelte Simreff-Simulationssoftware. Simreff verknüpft und simuliert dynamisch drei Prozesse und führt zu einer ganzheitlichen Betrachtung. Jeder Prozessschritt wird durch einen Simulationsbaustein (Anwender-, Kälte- und Wirtschaftlichkeitsprozess) abgebildet. In Abhängigkeit von Produktionsweise, Klimabedingungen und Teillastverhalten wird für ein Jahr ein stündliches Kältebedarfsprofil berechnet, und daraus wird das effizienteste und wirtschaftlichste Kälteanlagen- und Regelungskonzept ermittelt. Die Innovation dieser Systemsimulation besteht in der detailgetreuen Modellierung und Abbildung sowie Verknüpfung der Einzelprozesse. Dieser Systemsimulation liegen mathematische und physikalische Modelle, ein fundiertes Wissen über Anwendungsprozesse, den kältetechnischen Komponenten und Systemen zugrunde. Ergänzt werden die Systemstudien durch wirtschaftliche Analyseverfahren.

Simulation der Kälteanlage

Kern der Simulation ist die exakte Abbildung der Kälteanlage. Hierzu zählen neben dem Verdichter auch die Abbildung der Wärmeübertrager, Ventilatoren und Sekundärkreispumpen. Das Simulationsmodell der Kältemaschine wurde in einer Softwareumgebung mit integrierter Stoffdatenbank entwickelt. Zusätzlich kann eine grafische Nutzeroberfläche erstellt werden, die es ermöglicht, die erstellten Simulationsmodelle zu parametrieren und die Berechnungen durchzuführen.

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Autoren

Dipl.-Ing. (BA) Gerhard Frei

MBA, Jahrgang 1973, Studium der Kältesystemtechnik an der Europäischen Studienakademie Kälte-Klima-Lüftung ESaK. Master in Business Administration an der TU München. Dozent für Wärmeübertrager, BAFA EDL-G Auditor, -Energieberater und -Sachkundige. Geschäftsführender Gesellschafter der Simreff GmbH in München.
frei@simreff.com

Prof. Dr.-Ing. Arno Dentel

Jahrgang 1975, Studium der Versorgungs- und Gebäudetechnik an der Hochschule München, Promotion an der TU München. Professor an der Technischen Hochschule Nürnberg und Leiter der Arbeitsgruppe Energieeffiziente Systeme der Gebäudetechnik am Energie Campus Nürnberg.

Dipl.-Oec.  Steffen Klein

Jahrgang 1966, Studium der Wirtschaftswissenschaften an der Universität Hohenheim und Ecole Superieure de Commerce de Paris (ESCP). Geschäftsführender Gesellschafter der Combitherm GmbH in Fellbach.

Prof. Dr.-Ing. Wolfram Stephan

Jahrgang 1957, Studium des Maschinenbaus an der Universität Stuttgart, Promotion am Lehrstuhl HLK der Universität Stuttgart. Professor an der Technischen Hochschule Nürnberg und Leiter des Instituts für Energie und Gebäude.

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