28. April 2021

Entkopplung der Volumenströme von Energieerzeuger- und Verbraucherseite verspricht nachhaltigen und störungsfreien Anlagenbetrieb

Im privaten Wohnbau und bei Gewerbeimmobilien sind Wärmepumpen längst Standard. Aber auch in großen, energieintensiven Einsatzfeldern – wie der Industrie – gewinnen leistungsstarke Wärmepumpenlösungen an Bedeutung, wo neben einer hohen Heizlast oft auch ein ausgeprägter Kühlbedarf vorliegt. In Radfeld/Tirol setzt ein etablierter Produzent von nutzlastoptimierten Sattelaufliegern mit einem neuen Wärmepumpen-Hydraulik-Konzept ein klares Statement für mehr Nachhaltigkeit – von den eigenen Produkten bis zur Standortversorgung.

„Mehr Umweltverträglichkeit im Güterverkehr bedeutet für uns nicht nur die Warenbewegung auf der Straße effizienter zu machen, indem wir ausschließlich die Eigengewichtreduktion und Nutzlastoptimierung unserer Fahrzeuge fokussieren“, erklärt Bastian Litterscheid, Geschäft sführer der Berger Fahrzeugtechnik GmbH, einem europaweit führenden Entwickler von Leichtbau-Lösungen. „Wir sehen einen ‚grün orientierten Betrieb‘ als ganzheitlichen Plan, der nur dann aufgehen kann, wenn sämtliche Prozesse entlang unserer Wertschöpfungskette auf dieses Ziel ausgerichtet sind.“ Auch der Standortausbau in Radfeld folgte dieser Strategie und ist mit seinem Energieversorgungskonzept heute ein wichtiger Baustein für eine ökonomisch und ökologisch nachhaltige Fertigung des Unternehmens.

Die Berger Fahrzeugtechnik, die zur Unternehmensgruppe des österreichischen Ex-Formel-1-Fahrers Gerhard Berger gehört, ist spezialisiert auf die Herstellung von Sattelaufliegern und Chassis-Konstruktionen. Unter dem Markennamen „BERGERecotrail“ rollen am Standort Radfeld heute bis zu 1500 Fahrzeuge jährlich vom Band. Und die Prognosen weisen in Richtung Expansion: In den kommenden Jahren will der Hersteller sein Fertigungsvolumen verdoppeln; rund 3000 Fahrzeuge sollen dann im Zweischichtbetrieb gebaut werden.

Im Zuge der steigenden Produktionszahlen erwies sich eine Erweiterung des Firmensitzes in Radfeld als unumgänglich. Teile der bestehenden Produktionshallen mussten umgebaut oder ganz abgerissen werden. Auf einer Fläche von ca. 11 500 m² entstand so ein neues Verwaltungs- und Fertigungsgebäude mit ausreichend Raumkapazitäten, um eine Erhöhung der Produktionskapazitäten gewährleisten zu können.

Energieversorgung
Ebenfalls neu aufgesetzt wurde die energetische Versorgung der Gebäude. Auch hier waren Effizienzoptimierung und Nachhaltigkeitsförderung zentrale Treiber bei der Wahl geeigneter Energieerzeuger und der passenden Anlagentechnik. Die Planer des Energiekonzepts stammten aus dem Ingenieurbüro Moser & Partner in Absam/Tirol, einem vielfach ausgezeichneten Entwickler umweltorientierter gebäudetechnischer Gesamtlösungen.

„Unser Wunsch war es, die beidseitig hohe Leistung an Wärme und Kälte, die wir für die Produktion und die Raumklimatisierung vor Ort benötigen, maximal effizient und ressourcenschonend zu beziehen“, berichtet Martin Vogl, Instandhaltungstechniker bei Berger. „Dabei erwies sich die Planung als nicht ganz unkompliziert: Zum einen gab es keine Referenzwerte, etwa abnehmerspezifische Verbrauchsgrößen, die man zur Bedarfsermittlung hätte heranziehen können. Gleichzeit war klar, dass sämtliche Bau- und Installationsmaßnahmen während des laufenden Produktionsbetriebs erfolgen müssen.“

Wasser/Wasser-Großwärmepumpe
Basis des neuen energetischen Versorgungskonzepts ist eine Grundwasseranlage, die insgesamt drei Wasser/Wasser-Großwärmepumpen sowohl für Heizals auch für Kühlzwecke versorgt: zwei Niedertemperatur-Wärmepumpen mit je 450 kW Leistung und eine Hochtemperatur-Wärmepumpe mit 185 kW Leistung.

Da das Grundwasser als Wärmequelle ganzjährig annähernd gleichbleibende Temperaturen aufweist (8 bis 12 °C), kann die Wärmepumpentechnologie bei diesem Vorgang hohe Wirkungsgrade erzielen. Voraussetzung hierfür ist, dass Taktung, Arbeitstemperaturen und Laufzeiten sich auf einem optimalen Niveau und die Stromaufnahme möglichst gering halten. Ein bekanntes Problem, das eine solche Effizienzausschöpfung weitgehend zunichtemachen kann, sind Hydraulikstörungen sowie eine unzureichende Qualität der nachgelagerten Speicherlösung.

Um diesem Risiko vorzubeugen, entwarfen die Planer ein Versorgungssystem, das neben den Wärmepumpenanlagen zwei Speichersysteme („Zortström“-Anlagen) des Vorarlberger Gebäudetechnik-Spezialisten Zortea vorsieht.

Sammeln, speichern, verteilen
Die Grundidee der „Zortström“-Technologie ist die bedarfs- und effizienzoptimierte Koordination von Energieerzeuger- und Verbraucherseite. Das darauf aufb auende Hydraulik-Prinzip beruht auf drei wesentlichen Funktionen:

• der präzise ausgeregelten Zusammenführung von Wärme- und Kälteenergie aus unterschiedlichen, voneinander entkoppelten Quellen in ein zentrales Speichersystem mit exakter Trennung der Temperaturstufen (sammeln),
• der Bereithaltung von (mono-, bi- oder multivalent produzierter) thermischer Energie in einem gemeinsamen Speicherkomplex mit beliebig vielen Temperaturstufen und optimaler Schichtungseffizienz (speichern) sowie
• der stabilen und bedarfskonformen Versorgung unterschiedlicher Verbraucher bei variierenden Lastfällen (verteilen).

Die Solltemperaturen jeder Stufe im Zortström lassen sich durch die Leistung der Erzeuger regulieren. So ist es möglich, Niedertemperaturen sowie sämtliche Vor- und Rückläufe der verschiedenen Heiz- und Kühlkreise effizient durch Einbindung in die passende Temperaturstufe zu nutzen.

„Durch die vollständige Entkopplung aller Volumenströme kann die benötigte thermische Energie exakt nach Anforderung, mit hoher Präzision und ohne wechselseitige Pumpenbeeinflussung sowohl auf der Erzeuger- als auch auf der Abnehmerseite bewegt und im Speicher vorgehalten werden“, erklärt Christian Zortea-Soshko, Geschäft sführer und Technischer Leiter von Zortea. „Dabei hat der real erzielbare Effizienzgrad des Speichersystems insbesondere bei Einsatz von Wärmepumpen einen signifikanten Einfluss auf die Wirtschaft lichkeit des Gesamtsystems. Bereits eine Optimierung der Schichtungseffizienz um 10 % – also etwa von 70 % auf 80 % – führt dazu, dass der elektrische Energiebedarf der Wärmepumpe um 16 % sinkt“.

Für den Standort der Berger Fahrzeugtechnik planten das Ingenieurbüro Moser & Partner und die Zortea GmbH eine zweigliedrige Zortström-Anlage, bestehend aus einem „Multi-PG-H“ für Heizleistungen in fünf Temperaturstufen zwischen 35 und 70 °C sowie aus einem 6-stufigen „Multi-K“-Spreicher zur Bereitstellung von Kälte zwischen 8 und 18 °C. „Die funktionale Kopplung von Wärmepumpenbetrieb und Zortström-Technologie bewährt sich dabei als zentrale Stellschraube für die optimierte thermische Grundwassernutzung“, so Christian Zortea-Soshko.

Kühl-/Heizbetrieb
Im Sommer liefert das Brunnenwasser über einen Wärmeübertrager fast die gesamte Kälte (1 MW) in den Zortström in die exakt dafür ausgelegte Temperaturschicht auf einem höheren Kühltemperaturniveau. Eine Kältemaschine versorgt die Niedertemperaturkreise am Kälte-Zortström. Der Kältekreis „Kühlregister Lüftungsgeräte“ wird aufgrund der hohen Rücklauftemperatur von 17 °C mit Brunnenwasser vorgekühlt und über eine Kältemaschine auf die Zieltemperatur nachgekühlt. Die optimale Dimensionierung des Kälte- und des Wärme-Zortström ermöglicht dabei eine ideale Laufzeit der Kältemaschine wie auch der Wärmepumpen. Die Wärmepumpe, welche die Niedertemperaturkälte zur Verfügung stellt (ca. 20 % der benötigten Kälteleistung, Rest Brunnenwasser), liefert gleichzeitig auch Wärme für die Warmwasser-Bereitung (150 kW).

Während der Heizperiode unterstützt die Niedertemperaturabwärme der Druckluftkompressoren sowie der Kältetrockner das Brunnenwasser: Dieses wird primärseitig nachgewärmt, um das Verhältnis von Wärme-/Kälte zu Antriebsleistung (COP) der Wärmepumpen zu verbessern. Da das Gebäude auf Niedertemperatur ausgelegt wurde, kann der Gesamtwärmebedarf mit einem hohen Wirkungsgrad von den Wärmepumpen abgedeckt werden. „Die exakte Schichtung im Zortström unterstützt die effiziente Verteilung der Wärme sowie den Wirkungsgrad der Wärmepumpe selbst wesentlich, d. h. die von den Wärmepumpen erzeugte Temperatur von 45 °C wird exakt an die Verbraucher weitergegeben. Durch die hydraulische Entkopplung an beiden Zortström-Anlagen (Kälte und Wärme) können darüber hinaus Pumpenstromeinsparungen von 70 bis 90 % erzielt werden“, erläutert Zortea-Soshko abschließend.

Fazit
Das Technologie-Konzept für die thermische Grundwassernutzung im Standort Radfeld zeigt, wie der Einsatz Erneuerbarer Energien wirtschaftlich und ressourcenschonend gestaltet werden kann. Speziell für das Einsatzfeld der (Groß-) Industrie gibt das Projekt ein Beispiel, wie sich der Ausbau der regenerativen Energieversorgung weiter fördern lässt und Unternehmen gleichzeitig ökonomische und ökologische Ziele auch im Sinne ihrer unternehmerischen Gesellschaftsverantwortung in Einklang bringen können.

www.zortea.at

Gestörter Pumpenbetriebverursacht Versorgungsmängel und hohe Betriebskosten
Drehzahlgeregelte Pumpen werden auf Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf eingestellt, um die berechnete Wassermenge zu befördern. Bei klassischen Systemen – etwa bei Balken- oder Stangenverteilern – entsteht dadurch eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Versorgungskreise: Erhält eine kleine Pumpe am Verteiler nicht die erforderliche Wassermenge, so kann der benötigte Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf nicht erreicht werden. Folglich reguliert sich die Pumpe von selbst und stellt sich so auf eine höhere Drehzahl ein. Entsprechend steigt auch die Aufnahme an elektrischem Strom. Alle weiteren Pumpen – unabhängig von ihrer jeweiligen Leistungsklasse – reagieren nun in gleicher Weise, um den notwendigen Differenzdruck aufzubauen. Das Ergebnis ist ein gegenseitiges „Hochschaukeln“ der Pumpenarbeit, das mit einem signifikanten Anstieg des Energieverbrauchs einhergeht.