13. Mai 2019

Die Verschiebung der Kälteerzeugung mittels Eisspeichertechnologie gleicht Lastspitzen aus und vermeidet bei einem Sanierungsprojekt eine Erweiterung der elektrischen Anschlussleistung

Jahrelang stand der östliche X-Tower in Weiterstadt leer – bis die Merck KGaA im Sommer 2017 sieben der zehn Stockwerke mit einer Fläche von circa 15 000 m² anmietete, um moderne Büros für rund 1000 Mitarbeiter zu schaffen. Im Zuge der Modernisierung stellte sich allerdings heraus, dass die vorhandene elektronische Anschlussleistung für die Abdeckung der Spitzenlasten mit Kältemaschinen nicht ausreichte. Mit einem Eisspeicher konnte das Lastprofil im Tagesverlauf so ausgeglichen werden, dass die vorhandene Anschlussleistung nun ausreichend ist.

„Aufgrund des langen Leerstands des X-Towers und der veralteten Einzelbüro-Struktur stand außer Frage, dass wir die angemieteten Flächen modernisieren mussten“, erklärt Martin Füllsack, der für das Projekt zuständige Ingenieur bei der Merck KGaA. „Wir wollten eine Atmosphäre schaffen, in der sich unsere Mitarbeiter wohlfühlen und die ein angenehmes Arbeiten möglich macht. Zu den Maßnahmen zählte deswegen die Umstrukturierung zu Open Space-Büros ebenso wie eine moderne Raumkühlung.“ Für die Planung und Ausführung der neuen Haustechnik beauftragte das Unternehmen die GA-tec Gebäude- und Anlagentechnik GmbH. Schon bei der Bestandsaufnahme stellten die Verantwortlichen fest, dass die elektronische Anschlussleis­tung des Gebäudes für eine Umluftkühlung mithilfe von konventionellen Kältemaschinen unzureichend bemessen war.

Eisspeichertechnologie als Alternative
Um die Kältemaschinen mit der zur Verfügung stehenden Anschlussleistung nutzen zu können, mussten Lastspitzen vermieden werden. „So kamen wir auf die Idee, einen Eisspeicher zu nutzen: Dieser kann in den Nachtstunden mit einer Kältemaschine geladen werden und am Tag die gespeicherte Kälte wieder abgeben“, erklärt Füllsack. „Durch den Einsatz von Eisspeichern, die nachts geladen werden und tagsüber für die Grundlast zuständig sind, muss nur noch für die Spitzenlast die Kältemaschine zugeschaltet werden. Dadurch läuft die Kältemaschine in ihrem energetischen Optimum,“ fügt Ortwin Hees, Niederlassungsleiter der Region Berlin bei GA-tec, hinzu.

Kompakte Maße durch hohe Leistungsdichte
Bei der Recherche nach einer passenden Technologie wurde Merck auf den Eisspeicher „sp.ICE“ aufmerksam. Dabei handelt es sich um eine Entwicklung des Kapillarrohrmatten-Herstellers BEKA Heiz- und Kühlmatten GmbH und der GEFGA Energiesysteme GmbH.
Im Prinzip funktioniert der „sp.ICE“ ähnlich wie übliche Eisspeicher: Mithilfe eines Wärmetauschers wird in einem Behältnis stehendes Wasser in Eis umgewandelt, um später die Schmelzwärme nutzen zu können. Das Besondere am neuen, patentierten Eisspeicher sind die Kapillarrohrmatten aus Polypropylen, aus denen sich der Wärmeübertrager zusammensetzt. Die Rohre weisen einen Durchmesser von 4,5 mm bei einem Abstand von 10 mm auf, wobei die parallel geschalteten Kapillaren in einem Verteilerstamm zusammenlaufen. Der Rohrinnendurchmesser beträgt 2,9 mm. Das ermöglicht laut Hersteller „einen optimierten Wärmedurchgang, da die Eisdecke vor allem durch die Nähe der Rohre zueinander konstruktiv verringert wird“. Außerdem entstehe eine verhältnismäßig große Fläche zur Wärmeübertragung, was die Leis­tungskenndaten des Eisspeichers verbessere. Insgesamt könne auf diese Weise ein Eisfüllgrad – dieser gibt an, welcher Anteil des Speichers mit Eis gefüllt ist – von annähernd 100 % erreicht werden. Auch das Eigenvolumen des Wärmetauschers falle aufgrund der kleinen Durchmesser gering aus, weshalb eine kompaktere Konstruktion als bei üblichen Eisspeichern mit gleicher Leistung möglich sei. Als Folge dieser Eigenschaften sei eine effiziente Eiserzeugung bei einer mittleren Ladetemperatur von -2,5 °C möglich – und das bei deutlich reduzierten Ladezeiten von rund 6 h. Das bei Merck verbaute Modell erreicht bei einer Größe von 6058 mm x 2438 mm x 2591 mm eine Wärmeübertragungsfläche von 1345 m² sowie eine Ladeleistung von 416 kW. Da die Kapillarrohre nur eine Länge von 2000 mm aufweisen, sind die Durckverluste gering. Dabei kann der Eisspeicher als mobile und als stationäre Version ausgeführt werden. „Für die mobile Version verwenden wir normierte Container, die über eine Dämmebene aus Polystyrol-Hartschaum und eine Dicht­ebene aus glasverstärkter Polyethylen-Folie verfügen“, merkt Bauke an. In der Summe habe dies nicht nur einen geringeren Stromverbrauch zur Folge, sondern es sei auch weniger Stellfläche notwendig.

Geringer Wartungsaufwand ­gefordert
Eine Anforderung von Merck war, dass sowohl Betrieb als auch Instandhaltung der Anlage möglichst unkompliziert sind und wenig Zeit in Anspruch nehmen. „Da sich der X-Tower außerhalb unseres Werksgeländes befindet, kann er nicht so überwacht und gesteuert werden wie Anlagen am Hauptstandort“, so der Projekt-Ingenieur von Merck weiter. Um diesem Umstand gerecht zu werden, hat die GA-tec die Steuerung und Regelung der Anlage autark vom Werksgelände realisiert. Zusätzlich kann jederzeit der Betriebszustand der Anlage per Fernabfrage überwacht und auch, wenn notwendig, gesteuert werden.
In dem Projekt kommen zwei Eisspeicher mit einer Kapazität von zusammen 4200 kWh zum Einsatz, die vor allem in den Nachtstunden aufgeladen werden. Die Kältemaschinen werden tagsüber entsprechend dem Bedarf zugeschaltet. „Im Durchschnitt müssen sie so lediglich eine Leistung von 500 kW und weniger erbringen“, beschreibt Hees von GA-tec das Resultat. „Das ist mit der vorhandenen Anschlussleistung kein Problem.“

www.merckgroup.com
www.ga-tec.de
www.beka-klima.de