7. August 2019

Die Kombination von Photovoltaik, CO₂-Kälteanlage und Eisspeichertechnologie gleicht solare Leistungsüberschüsse oder -defizite aus. Ein Forschungsprojekt in einem Supermarkt mit Leuchtturmcharakter

Erneuerbare Energien sind volatil. In der Praxis kommen deshalb bei Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) oftmals Stromspeicher zum Einsatz. Es gibt aber auch andere Lösungsansätze. In einem Forschungsprojekt zusammen mit einer Supermarktkette und der Unterstützung vom schweizerischen Bundesamt für Energie wurden PV-Anlage, thermischer Speicher und Kälteanlage kombiniert. Das Projekt soll zukunftsweisend für den Umtgang mit Leistungsschwankungen durch Erneuerbare Energien sein. Wir stellen es vor.

Im Oktober 2018 wurde in der Westschweiz ein neuer Supermarkt eröffnet. Bei dem Gebäude handelt es sich um einen Neubau, bei dem speziell auf Erneuerbare Energien, umweltschonende Materialien und Energieeffizienz geachtet wurde. Der Supermarkt verfügt über eine Verkaufsfläche von 800 m². Es sind 52 m Pluskühlmöbel und 17 m Minuskühlmöbel installiert. Von den Kühlmöbeln der Pluskühlung sind 16 m mit Glastüren ausgestattet. Weiter sind zwei Pluskühlräume mit einem Gesamtvolumen von 52 m³ und einem Minuskühlraum mit einem Gesamtvolumen von 40 m³ vorhanden. Die Wärme der Kälteanlage wird zur Warmwasserbereitung und Raumbeheizung verwendet. Auf dem Dach und an der Fassade sind PV-Elemente mit einer Leistung von 190 kW_p installiert. Sie erzeugen den Prognosen nach jährlich eine Leistung von 172 000 kWh, wovon 114 500 kWh direkt im Gebäude genutzt werden könnten. Bei einem ermittelten Bedarf von 250 000 kWh/a würden somit 45 % des elektrischen Energiebedarfs im Gebäude durch Photovoltaik gedeckt. Dies entspricht 66 % der prognostizierten jährlichen Leistung aus der PV-Anlage. Der Anteil der nicht durch die PV-Anlage gedeckt werden kann, beispielsweise in der Nacht, wird aus dem Stromnetz bezogen.

Projektumfang und -ziel
Die Bauherrschaft prüfte verschiedene Möglichkeiten, überschüssige elektrische Energie aus der PV-Anlage zu speichern, um diese bei niedriger PV-Leistung zu nutzen. Dadurch soll zum einen der Bezug aus dem Stromnetz minimiert und zum anderen die Einspeisung in das Stromnetz reduziert werden. Geprüft wurden unter anderem Speichermöglichkeiten wie Batteriespeicher, Umwandlung in Wasserstoff oder in thermische Energie. Da in einem Supermarkt mit der vorhandenen Kälteanlage bereits eine Umwandlung von elektrischer in thermische Energie erfolgt und die Einbindung eines thermischen Speichers einfach umsetzbar ist, wurde die Lösung favorisiert. Angedacht war der Einsatz eines Latentspeichers.

Unterschiedliche Einbindungsvarianten geprüft
Während der Konzeptevaluation wurden verschiedene Einbindungsvarianten von thermischen Speichern geprüft. Dabei wurde auf folgende Punkte besonderer Fokus gelegt:

• Die Kälteanlage muss jederzeit ohne den thermischen Speicher betrieben werden können.
• Das Konzept soll technisch einfach und ohne grundlegende Änderung am Kältekreis umsetzbar sein.
• Wenn möglich soll Wasser ohne Zusatz als Speichermedium verwendet werden.
• Das Konzept soll unabhängig von der PV-Anlage eingesetzt werden können (Beispielsweise Nachtstrom oder Stromnetzstabilisierung).
• Der Energieverbrauch der Kälteerzeugung für die Lebensmittel soll durch das Konzept gleich bleiben oder besser werden.

Das Kältesystem
Die Basis bildet eine herkömmliche transkritische CO₂-Booster-Anlage. Das verdichtete CO₂ nach den Plus-Verdichtern wird zunächst zu den Wärmeübertragern für Brauchwasser und Heizung geführt, um anschließend die Restwärme im Gaskühler an die Umgebung abzugeben. Das CO₂ wird mittels Hochdruckventil auf Mitteldruck entspannt. Im Mitteldrucksammler wird das zweiphasige CO₂ getrennt und das gasförmige CO₂ wird über das Mitteldruckventil in die Saugleitung entspannt.
Das flüssige CO₂ im Mitteldrucksammler wird den Plus- und Minus-Kühlstellen zugeführt. Das verdampfte CO₂ wird nach den Minus-Kühlstellen durch die Minus-Verdichter auf Saugdruckniveau der Pluskühlung verdichtet. Das CO₂ von den Minus-Verdichtern wird in die Saugleitung der Plus-Verdichter geführt. Das CO₂ von den Plus-Kühlstellen wird zusammen mit dem CO₂ von den Minus-Verdichtern und dem Mitteldruckventil durch die Plus-Verdichter auf Hochdruck verdichtet.
Aufgrund der geforderten 55 kW_th Pluskühlleistung und 16 kWth Minuskühlleis­tung verfügt das System über vier Plusverdichter und drei Minusverdichter. Die Erweiterung wurde mit einem Eisspeicher, einem Zwischenkreis mit Pumpe für den Eisspeicher, zwei zusätzlichen Plus-Verdichtern, einem Wärmeübertrager nach dem Gaskühler und einem Verdampfer mit Einspritzung direkt ab Hochdruck umgesetzt. Die Eisspeicherverdichter wurden, entgegen dem ursprünglichen Konzept während der Evaluation, aufgrund desselben Saugdruckes, an die Saugleitung der Plusverdichter gehängt. Dies erlaubt eine bessere Leistungsregelung für den Eisspeicher und vermindert ein Takten der Verdichter. Ziel des Eisspeichers ist es, den Leistungsüberschuss oder das Leistungsdefizit der Photovoltaik gegen 0 kW_el zu regeln. Dazu wird der Leistungsüberschuss bzw. das Leistungsdefizit als Stellgröße für die Regelung hinzugezogen.

Regelung Entladebetrieb
Beim Entladebetrieb wird der Speicher genutzt, um das CO₂ hochdruckseitig nach dem Gaskühler zusätzlich zu unterkühlen. Über das Dreiwegeventil wird ein Teil des Massenstroms durch den Wärmeübertrager (Unterkühlung durch Eisspeicher) geführt und eine Temperatur vor dem Hochdruckventil von +10 °C geregelt. Der Unterkühler erlaubt eine maximale Unterkühlungsleistung von 35 kWth. Durch die Unterkühlung wird der Anteil an Flashgas im Mitteldrucksammler reduziert und somit werden die Plusverdichter entlastet. Die Entlastung reduziert die elektrische Leistungsaufnahme der Plusverdichter und somit das Leistungsdefizit. Das Dreiwegeventil nach dem Gaskühler erhöht den Öffnungsgrad solange, bis entweder das Leistungsdefizit der Photovoltaik
0 kW_el beträgt oder die Temperatur vor dem Hochdruckventil +10 °C beträgt. Entsteht während des Ladebetriebs ein Leis­tungsüberschuss, beginnt das Dreiwegeventil zu schließen und reduziert so die Unterkühlerleistung. Der Anteil an Flashgas und mit ihm die Leistungsaufnahme der Verdichter steigt wieder und der Leis­tungsüberschuss durch die PV-Anlage geht wieder gegen 0 kW_el.

Regelung Ladebetrieb
Beim Ladebetrieb wird der Speicher durch die Kälteanlage über den Eisspeicherverdampfer gekühlt, sodass sich im Speicher Eis bilden kann. Dazu wird CO₂ direkt ab Hochdruck in den Eisspeicherverdampfer eingespritzt. Dieser ist auf 65 kW_th Leis­tung dimensioniert und es wird eine nutzbare Überhitzung von 7 K geregelt. Der Öffnungsgrad des Einspritzventils wird über den Leistungsüberschuss der PV-Anlage geregelt. Ziel der Regelung ist es, über das Einspritzventil einen Leis­tungsüberschuss von 0 kW_el zu regeln. Ist der Leistungs­überschuss größer als 0 kW_el, öffnet das Einspritzventil und erhöht den Massenstrom zu den Plusverdichtern. Dadurch wird die elektrische Leistungsaufnahme der Plusverdichter erhöht und der Leistungsüberschuss nimmt ab. Das Einspritzventil erhöht den Öffnungsgrad solange, bis der Leistungsüberschuss 0 kW_el beträgt. Zusätzlich wird eine Überhitzung von 7 K geregelt, um Flüssigkeit auf den Verdichtern zu vermeiden. Entsteht während des Entladebetriebs ein Leistungsdefizit, beginnt das Einspritzventil den Öffnungsgrad zu schließen, bis das Defizit 0 kW_el beträgt.

Schlussbemerkung
Das Projekt zeigt auf, wie ein thermischer Speicher in Verbindung mit der PV-Anlage in einer Supermarktkälteanlage eingesetzt werden kann. Dabei ging es nicht darum, Best Practice anzuwenden. Vielmehr soll die eingesetzte und als zukunftsgerichtet geltende Technologie für künftige Projekte als Leuchtturm fungieren. Amortisationszeiten lassen sich nicht wirtschaftlich darstellen, da die Entwicklungskosten für diesen Piloten entsprechend hoch waren. Das Projekt wird in den kommenden Monaten umfassend messtechnisch begleitet.

Literatur:
Wiedenmann, E., Zusammenspiel einer CO₂-Kälteanlage mit Eisspeicher und Photovoltaik, DKV-Tagung 2018, Aachen, AA.III.19

Autoren: Erik Wiedenmann,
Jonas Schönenberger,
beide Frigo-Consulting, Gümligen, Schweiz

Bilder: Frigo-Consulting

Prinzipschemata
Speicher entladen (links): Das CO₂ wird nach dem Gaskühler und vor dem Hochdruckregelventil durch den Latentspeicher zusätzlich unterkühlt. Dank dieser Unterkühlung wird der Anteil an Flashgas im Mitteldrucksammler nach der Entspannung reduziert. Die Verdichter der Pluskühlung müssen dadurch einen geringeren Anteil an Flashgas verdichten, welches nicht zur Kühlung beiträgt. Da die Unterkühlung nicht unter +10 °C geht, reicht eine Temperatur von +4 °C im Zwischenkreis aus. Mit einer Temperaturdifferenz von 4 K zum Phasenwechsel im Latentspeicher kann somit ein Speicher mit reinem Wasser eingesetzt werden.

Speicher laden (rechts): Bei der Speicherladung wird ein zusätzlicher CO₂-Verdampfer bei -8 °C betrieben. Über den Zwischenkreis wird dem Speicher Wärme entzogen, wobei der Phasenwechsel bei ±0 °C geschehen soll. Damit wird die Kälteanlage während des Ladebetriebs mit bis zu 65 kW_th zusätzlich belastet, um den Überschuss aus der PV-Anlage zu nutzen.