Rechnerische Grundlagen für eine wirtschaftliche Dimensionierung von Eisspeichersystemen

Eisspeichersysteme bieten eine vielseitige und energieeffiziente Lösung für die Kühlung, insbesondere in Zeiten hoher Nachfrage oder bei Stromausfällen. Um jedoch die Effizienz und Leistung zu maximieren, ist es entscheidend, das System passend zu den spezifischen Anforderungen der vorhandenen Kühlanlage zu dimensionieren. Dies erfordert ein detailliertes Verständnis der Kühlstrategie, der Anwendungsanforderungen, der Ladezeit, der Lastprofile, der Spitzenlastanforderungen und der Platzbeschränkungen.

In diesem Artikel werden die Schlüsselfaktoren für die Auslegung und Dimensionierung eines Eisspeichersystems erläutert, um eine optimale Kühlleistung zu gewährleisten und gleichzeitig Kosten- und Energieeinsparungen zu erzielen.

1. Auswahl der richtigen Kühlstrategie: Vollspeicherung vs. Teilspeicherung

Der erste Schritt bei der Dimensionierung eines Eisspeichersystems besteht darin, Ihre Kühlstrategie zu definieren. Ausgehend vom Lastprofil Ihres Prozesses wird die Strategie bestimmt, wie viel Kühlkapazität Ihr System benötigt und wie viel Eis gespeichert werden muss, um die Anforderung zu decken.

Vollspeicherstrategie

Bei einer Vollspeicherstrategie ist das Eisspeichersystem so ausgelegt, dass es den gesamten Kühlbedarf deckt. Diese Strategie eignet sich ideal für Anlagen, die Spitzenstromkosten vollständig vermeiden oder während längerer Ausfälle ohne Netzabhängigkeit kühlen möchten.

Vorteile:

• Volle Unabhängigkeit vom Netz in Spitzenzeiten,
• Maximale Einsparungen bei Energiekosten.
• Energiespeicherung zu Zeiten mit niedrigen Strompreisen
• Nutzung von Überstromkapazitäten
• Redundanzfähig
• Hohe Effizienz bei der Kälteerzeugung
• Einsparung von CO₂ Emissionen

Teilspeicherstrategie

Bei einer Teilspeicherstrategie ist das Eisspeichersystem so ausgelegt, dass es nur einen Teil der Last abdeckt, während der Rest von der Kältemaschine übernommen wird. Diese Strategie kann den Energiebedarf zu Spitzenzeiten reduzieren und erfordert weniger Speicherkapazität.

Vorteile:

• Energiespeicherung zu Zeiten mit niedrigen Strompreisen
• Nutzung von Überstromkapazitäten
• Hohe Effizienz bei der Kälteerzeugung
• Einsparung von CO2 Emissionen
• Kleinere Systemgröße gegenüber einer Volllaststrategie
• Geringere Anfangsinvestitionen

Die Wahl zwischen Voll- und Teilspeicherung hängt von den Energiekostenstrukturen der Kühlanlage, den Kühlanforderungen und der Frage ab, ob eine Netzunabhängigkeit während der Spitzenzeiten entscheidend ist.

2. Verständnis der Anwendung: Anpassung des Systems an Ihre Branche

Verschiedene Branchen und Anwendungen haben unterschiedliche Kühlanforderungen, und die Dimensionierung Ihres Eisspeichersystems hängt von der Art der Anlage und ihren betrieblichen Bedürfnissen ab.

Kühlanforderungen der häufigen Anwendungen: 

• Rechenzentren: Erfordern präzise und kontinuierliche Kühlung, um sichere Betriebstemperaturen für Server aufrechtzuerhalten. Redundanz und Zuverlässigkeit sind hier entscheidend.
• Krankenhäuser: Benötigen ununterbrochene Kühlung für die Patientenversorgung und empfindliche Geräte. Redundante Systeme mit Notstromversorgung sind oft erforderlich.
• Bürogebäude: Haben in der Regel ein ausgeprägtem Tageslastprofil, sodass Teilspeichersysteme häufiger eingesetzt werden, da sie die Spitzenlast bei der Kälteerzeugung erheblich senken können.
• Industriebetriebe: Haben oft große, konstante Kühlanforderungen, was sie ideal für Vollspeicherstrategien macht, um die Betriebskosten zu senken.
• Molkereien: Durch die Anlieferung der Milch morgens und abends ergeben kurzzeitige Spitzenlasten. Diese können mit einem Eisspeicher abgedeckt werden.
• Agrarwirtschaft: Landwirtschaftliche Betriebe verfügen oft über große PV-Anlagen. Die Einspeisevergütung für ältere Anlagen laufen aus. Der zur Verfügung stehende PV-Strom kann zur Kühlung von Agrargütern wie Gemüse und Milchprodukte genutzt werden

Jede Anwendung hat ihr eigenes Lastprofil und ihre betrieblichen Besonderheiten, daher ist das Verständnis der spezifischen Anforderungen der zu erweiternden Anlage der Schlüssel zur richtigen Dimensionierung.

3. Ladezeit: Wie viel Zeit steht zur Eisherstellung zur Verfügung? 

Die Ladezeit, also das verfügbare Zeitfenster zur Herstellung von Eis, ist ein entscheidender Faktor bei der Dimensionierung Ihres Systems. Eisspeichersysteme sind so konzipiert, dass sie Kühlenergie, während der Nebenzeiten, in der Regel nachts, wenn der Strom billiger und die Nachfrage geringer ist, gespeichert werden.

Wichtige Faktoren:

• Nebenzeit für Energie: Wie lang sind die Nebenzeiten in Ihrer Region? Ein kürzeres Nebenzeitfenster erfordert ein leistungsfähigeres Eisherstellungssystem, um sicherzustellen, dass genügend Eis produziert wird, um den Kühlbedarf zu decken.
• Energiepreisgestaltung: Wenn die Strompreise stark von der Tageszeit abhängen, sollten Sie sicherstellen, dass das Eisspeichersystem schnell aufgeladen werden kann, um die Einsparungen während der Nebenzeiten zu maximieren.

Durch sorgfältige Berücksichtigung der Ladezeit kann ein System so dimensioniert werden, dass es nicht nur effektiv, sondern auch energieoptimiert ist.

4. Lastprofil: Verstehen der täglichen und saisonalen Kühlanforderungen

Das Lastprofil Ihrer Anlage beschreibt das Muster der Kühlanforderungen über einen Tag, eine Woche oder ein Jahr. Es ist wichtig, sowohl die Spitzen- als auch die Durchschnittslasten zu analysieren, um sicherzustellen, dass das Eisspeichersystem korrekt dimensioniert werden kann.

Wichtige Kenngrößen: 

• Spitzenlast: Die Kenntnis der Spitzenlast ist notwendig die Leistungsfähigkeit des Eisspeichers zu bestimmen (Größe des Wärmeübertragers).
• Kapazität: Die Kenntnis über die notwendige Tageskapazität wird für die Speichergrößenbestimmung benötigt. Diese Angabe kann aus dem Lastprofil erarbeitet werden.
• Temperatur: Auf welcher Ebene liegen die Versorgungstemperaturen (Vor- und Rücklauf)? Die Kenntnis der Nutztemperatur ist notwendig für die Bestimmung der Entladeleistung.

5. Platzbeschränkungen: Ein System entwerfen, das passt

Der verfügbare Platz ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Größe und Art des Eisspeichersystems. Eisspeichertanks benötigen Raum für die Unterbringung.

• Modulare Tanks: Modulare Eisspeichertanks können in kleineren Einheiten installiert werden, was in engen Räumen mehr Flexibilität bietet. Modulare Eisspeichertanks eignen sich besonders zur Nachrüstung in Bestandsanlagen.
• Maßgeschneiderte Speicher in kundeneigenen Tanks: In Vorortspeicher, zum Beispiel in einem Betontank, können maßgeschneiderte Eisspeicher integriert werden. Diese Option ermöglicht maximale Flexibilität in Bezug auf Form und Größe.
• Containersysteme: eignen sich besonders zur Aufstellung im Freien.

Die Platzanforderungen sollten frühzeitig, bereits im Planungskonzept, definiert und mit allen Planungsbeteiligten abgestimmt werden.

6. Auslegungsbeispiele für Eisspeicher

Beispiel 1: Volllasteisspeicher

Für eine Kälteversorgung eines Bürogebäudes soll ein Eisspeichersystem vorgesehen werden. Das Lastprofil wurde nach VDI 1946 ermittelt und steht zur Auslegung zur Verfügung. Bei der Auslegung soll die Leistung der Kältemaschine möglichst geringgehalten werden.

Tabelle 1.1 : Lastprofil nach VDI 2078

Aus dem Lastprofil ergibt sich Spitzenlast von 540 kW. Bei der weiteren Auslegung geht man davon aus das die Stundenkühlarbeit sich aus dem Stundenmaximum multipliziert mit einer Stunde ergibt. Aus Tabelle 1.1 kann die Gesamtkühlarbeit des Tages ermittelt werden. Mit Kenntnis der Gesamtkühlarbeit ergibt sich durch dividiert mit 24 Stunden die minimale Leistung zur Deckung der Tageslast. In diesem Fall 191,6 kW. Als Empfehlung würden wir eine Leistung von 200 kW wählen und damit die geforderte Kapazität von 4.600 kWh innerhalb von 23 Stunden erzeugen können. Die Tabelle 1.1 wird mit dem Leistungsvermögen der Kältemaschine ergänzt. Dabei erhält man durch Subtrahieren des Bedarfs von der Erzeugerleistung die Über- und Unterdeckung. Die Summe der Unterdeckung, in unserem Fall 2.200 kWh müssen durch den Eisspeicher abgedeckt werden.

Tabelle 1.2: Last- und Leistungsprofil Beispiel 1

Tabelle 1.3: Stoffdaten

Mit den ermittelten Werten und den Stoffdaten erfolgt die Auslegung des Eisspeichers gemäß der VDI Richtlinie 4657 Bald 2, Planung und Integration von Energiespeichern in Gebäudeenergiesysteme, Thermische Energiespeicher, Kapitel 9, Bemessung / Auslegung von Speichern, Abschnitt 9.3 Bemessung / Auslegung eines PCM-Speichers (Eisspeicher). In der Richtline wird ein Speichernutzungsgrad zur herstellerneutralen Auslegung eine Speichernutzungsgrad von 0,7 empfohlen.

Auslegung: Mit den aus dem Lastprofil Tabelle 1.1 ermittelnden Werten (Tabelle 1.2 und den Stoffdaten aus Tabelle 1.3) erfolgt die Auslegung des Eisspeichers

Tabelle 1.4: : Auslegung Eisspeicher Beispiel 1

Für die hier im Beispiel aufgeführten Bedingungen und einer Kühlanforderung von 2.220 kWh bietet demnach der sp.ICE-20´Eisspeicher mit 2.195 kWh eine ausreichende Kühlkapazität.

Die Abmessungen des sp.ICE-20´betragen:
Länge: 6.058 mm, Breite: 2.438 mm, Höhe: 2.591 mm

Beispiel 2: Teillastspeicher

Als Alternative zu Beispiel 1 soll die Kältearbeit möglichst über den Tag mit PV-Strom gedeckt werden. Für die Abend- und Nachtstunden soll die Kälteversorgung über einen Eisspeicher gedeckt werden. Der PV-Strom steht im Zeitraum von 10 bis 18 Uhr mit ausreichender Leistung zu Verfügung.

Lastprofil: Das Lastprofil entspricht dem Profil der Tabelle 1.1

Tabelle 2.1

Mit den ermittelten Werten und den Stoffdaten erfolgt die Auslegung des Eisspeichers gemäß Beispiel 1.

Tabelle 2.2: Auslegung Eisspeicher Beispiel 2

Die Anforderung an eine Kapazität von 1.020 kWh kann mit einem sp-ICE-10´Eisspeicher mit einer Kapazität von 1.280 kWh sicher gedeckt werden.

Die Abmessungen des sp.ICE-10´betragen:
Länge: 2.991 mm, Breite: 2.438 mm, Höhe: 2.591 mm

Beispiel 3: Thermischer Energiespeicher

Überstrom soll genutzt werden Energie für ein Nahkältenetz zu speichern. Es stehen Nachts in der Zeit von 23 bis 4 Uhr 1.000 kW als Strom zur Verfügung. Der EEP für die Kältemaschine wurde mit 4,5 bestimmt. Der Eisspeicher soll unterirdisch in einem Betontank installiert werden.

Mit den ermittelten Werten und den Stoffdaten aus dem Beispiel 1 erfolgt die Auslegung des Eisspeichers.

 Benötigte Abmessung Betontank: H x B x T = 4,2 x 12,0 x 12,0 m