DE102006039347A1 - Verfahren zur Kälteerzeugung durch Abwärmenutzung auf Seeschiffen - Google Patents

Verfahren zur Kälteerzeugung durch Abwärmenutzung auf Seeschiffen Download PDF

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Abstract

An Bord von Schiffen werden Kältemaschinen zur Ladungskühlung, zur Klimatisierung und zur Kühlung des Proviants eingesetzt. Absorptionsanlagen mit viel Wärmebedarf und sehr geringem elektrischen Energieverbrauch finden wegen der Lageempfindlichkeit auf Schiffen keine Anwendung, da Schiffe sich im Seegang bewegen. Schiffe nutzen die Abgase von Hauptdieselmotoren, um Dampf vorzugsweise für Vorwärmzwecke zu erzeugen. Das Trinkwasser auf Schiffen wird weitgehend durch Verdampfung von Seewasser und anschließender Kondensation und Aufbereitung erzeugt. Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, um die Abwärme auf Schiffen zur Kälteerzeugung zu nutzen. Dies wird als Beispiel zur Klimatisierung in Abbildung 1 dargestellt. Dabei kommt auch ein Kältespeicher (6) zur Anwendung, um den Zeitversatz zwischen Kälteerzeugung und Kältebedarf zu überbrücken.

Description

  • Stand der Technik
  • An Bord von Schiffen werden Kältemaschinen zur Ladungskühlung (Kühlschiffe, Kühlcontainerschiffe) zur Klimatisierung der Wohn- und Arbeitsbereiche im Deckshaus (Frachtschiffe) und zur Kühlung des Proviants (alle Schiffe) eingesetzt. Auf Passagierschiffen (Kreuzfahrt-, Fährschiffe) und Marineschiffen erfolgt ein extrem hoher Aufwand für die Klimatisierung, da hier fast alle Schiffsbereiche klimatisiert sind.
  • Die wichtigsten Verfahren zur Kälteerzeugung und Klimatisierung sind seit über 100 Jahren bekannt und in der Schifffahrt wird das Kompressionsverfahren mit mechanischen Verdichtern angewendet [1,2]. In Landanlagen wird zur Klimatisierung auch das Absorptionsverfahren eingesetzt.
  • Kompressionskälte
  • Beim Kompressionsverfahren erfolgt durch den in der Regel elektrisch angetriebenen Verdichter eine Druckerhöhung des gasförmigen Kältemittels mit anschließender Kondensation bei Umgebungstemperaturen. Dabei wird die Kondensationswärme auf Schiffen an das Seewasser abgeführt. Anschließend wird der Druck im Drosselventil abgebaut und das Kältemittel siedet bei niedrigen Temperaturen im Verdampfer. Die dazu notwendige Verdampfungsenthalpie wird der Umgebung (Kühlraum) entzogen. Das verdampfte und leicht überhitzte Kältemittel wird anschließend vom Verdichter angesaugt, womit der Kreislauf geschlossen ist. Dieses Prinzip wird auf Schiffen für alle o. a. Anwendungen eingesetzt, benötigt zum Antrieb elektrische Energie, die von Dieselgeneratoren bereitgestellt wird.
  • Absorptionskälte
  • Ein anderes Verfahren ist die Absorptionskälte, die für Landanlagen auf geringe elektrischen Energieverbrauch mit wenig bewegten Teilen optimiert ist und dadurch bedingt lageempfindlich ist. Ein Stoffpaar wie z. B. Ammoniak-Wasser, wird im Austreiber bei erhöhtem Druck unter Wärmezufuhr getrennt, wobei das ausgetriebene dampfförmige Ammoniak anschließend im Kondensator verflüssigt wird. Das flüssige Ammoniak wird danach im Drosselventil entspannt (Druckabsenkung) und anschließend im Verdampfer unter Wärmezugabe verdampft. Vom anschließenden Absorber, der dem Verfahren den Namen gab, wird das Ammoniak bei niedrigem Druck angesaugt. Das Wasser im Absorber saugt Ammoniak auf und bildet eine gemeinsame Lösung. Diese Lösung wird von der Lösungspumpe wieder in den Austreiber befördert, dabei erfolgt die Druckerhöhung und der Kreislauf ist geschlossen.
  • Ammoniak ist das Kältemittel und das Wasser dient zum Kältemitteltransport vom niedrigen Druck (Absorber) zum hohen Druck (Austreiber). Dieses Verfahren mit dem Stoffpaar Wasser-Ammoniak wird im Bereich niedriger Temperaturen (unter 0°C) eingesetzt. Für den Temperaturbereich über 0°C wird das Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid verwendet. Jetzt ist Wasser das Kältemittel und Lithiumbromid dient zum Kältemitteltransport vom Absorber zum Austreiber. Dieser Temperaturbereich über 0°C ist ideal für die Wohnraumklimatisierung. Das Absorptionsverfahren wird in Landanlagen häufig eingesetzt, wenn viel Abwärme zur Verfügung steht. Dies ist z. B. der Fall, wenn eine dezentrale elektrische Energieerzeugung erfolgt, da dann etwa 50 % der zugeführten Brennstoffenergie als Abwärme anfällt.
  • Die bisherigen Absorptionsanlagen mit sehr geringem elektrischen Energieverbrauch finden wegen der Lageempfindlichkeit auf Schiffen keine Anwendung, da Schiffe sich im Seegang bewegen. Daher sind geänderte Anlagen für den Schiffsbetrieb notwendig. Der Vorteil der Absorptionstechnologie ist der geringe mechanische Leistungsaufwand. Dagegen wird viel Wärme zur Kälteerzeugung benötigt, die auf Schiffen als Abwärme in Form von heißem Kühlwasser und Abgas grundsätzlich zur Verfügung steht, bisher jedoch nicht optimal genutzt werden. Bisher wurde die Absorptionstechnologie auf Schiffen nicht bzw. vor sehr langer Zeit [2] eingesetzt. Die Marine hat in den letzten Jahren Versuche mit modifizierten Anlagen durchgeführt, um die Probleme der Schiffsbewegungen zu lösen. Die Ergebnisse waren positiv und eröffnen den zukünftigen Schiffseinsatz.
  • Es ist bekannt, dass die Schiffe die Abgase der Hauptdieselmotoren in einem Abgaskessel nutzen, um Dampf vorzugsweise für Vorwärmzwecke zu erzeugen [3]. Das Trinkwasser auf Schiffen wird weitgehend durch Verdampfung von Seewasser und anschließender Kondensation und Aufbereitung erzeugt (Seewasserverdampfer). Als Wärmequelle zur Verdampfung wird die Abwärme des Motorkühlwasser genutzt [4, 5], dazu wird der Druck im Seewasserverdampfer auf Werte deutlich unter 1 bar (z. B. 0,1 bar) gesenkt um niedrige Verdampfungstemperaturen zu ermöglichen. In der Klimaanlage wird Dampf z. B. zur Befeuchtung und Aufwärmung der Luft benutzt [6].
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist, die Abwärme auf Schiffen zur Kälteerzeugung einzusetzen, um den eingesetzten Brennstoff (Primärenergie) auf Schiffen optimal zu nutzen und Kosten zu reduzieren. Ein guter Nebeneffekt ist die Reduzierung des Kohlendioxyd-, Schwefeldioxid- und Stickoxydausstoßes der Schiffe.
  • Auf Schiffen wird etwa 50 % der zugeführten Brennstoffenergie in Verbrennungskraftmaschinen (vorwiegend Dieselmotoren) in mechanische Energie gewandelt und zum Antrieb und elektrischen Energieversorgung genutzt. Die restlichen 50% gehen als Abwärme an die Umgebung in Form von Kühlwasser, Abgasen und Strahlungswärme verloren. Schiffe haben den Vorteil, dass die Leitungswege vom Dieselmotor (1) zur Kälteanlage (4) sehr kurz sind und Seewasser für die Rückkühlung des Kältemittels im Kondensator der Absorptionsanlage ausreichend zur Verfügung steht.
  • Besonders lukrativ ist der Einsatz auf Kühl-, Kühlcontainer- und Passagierschiffen, da hier sehr viel elektrische Energie zur Kälteerzeugung aufgewendet wird. Bisher wird das gesamte Potential der Abwärme nicht ausgeschöpft. Derzeit wird Abwärme auf Schiffen zur Heizung (3) diverser Systeme verwendet, u. a. auch für die Klimaanlage (5), Treibstoffaufbereitung (3) und außerdem zur Trinkwassererzeugung (3). Die Dieselmotoren der Schiffe verwenden als Treibstoff Schweröl, welches mit aufwändigen Verfahren auf den Schiffen gereinigt und bis auf 120–140°C vorgewärmt wird, um die notwendige Sauberkeit (Filter, Separatoren) und Einspritzviskosität (Vorwärmer) zu erreichen. Dafür wird Dampf aus Dampfkesseln genutzt, die im Seebetrieb im Abgaskessel (2) aus der Abgasenergie gewonnen wird. Im Revier- und Hafenbetrieb werden so genannte „Hilfskessel" zugeschaltet, in denen zur Beheizung Treibstoff verbrannt wird [3].
  • Durch diese Dampfverbraucher (3) (Brennstoffvorwärmung, Heizung, Trinkwassererzeuger) steht bisher nicht genug oder besser zeitweise nicht genug Abwärme zur Verfügung, da die bisherigen Systeme die Gesamtnutzung nicht erlauben. Dies ist der Fall, wenn kein Wärmerückgewinnungskreislauf installiert wird und wenn die Wärme aus den Rauchgasen nicht optimal genutzt wird.
  • Daher wird erfindungsgemäß ein Abwärmemanagement vorgeschlagen, um die Abwärme optimal zur Brennstoffvorwärmung, Trinkwassergewinnung und Kälteerzeugung zu nutzen. Dies wird am Beispiel von Kreuzfahrtschiffen deutlich, die vorwiegend über Nacht fahren und tagsüber im Hafen oder auf Reede liegen. In der Nacht wird zum Vortrieb viel Antriebsleistung benötigt, dabei fällt viel Abwärme an, die als Dampf aus dem Abgaskessel (2) zur Brennstoffaufbereitung und -vorwärmung genutzt wird. Mit dem Kühlwasser wird viel Trinkwasser (je nach Schiffsgröße 500–1000 t in 12 Stunden) in Entspannungsverdampfern erzeugt [5], obwohl der Trinkwasserverbrauch nachts niedrig ist. Der zeitversetzte Verbrauch und die Erzeugung werden mit Speicher- bzw. Trinkwassertanks ausgeglichen.
  • Am Tag wird deutlich weniger Energie benötigt, das Schiff liegt auf Reede oder im Hafen und der „Hafenbetrieb" benötigt etwa 15–25 % der Energie, wenn der gesamte Energiebedarf im Seebetrieb zu 100 % gesetzt wird. Da im Hafen oder auf Reede das Seewasser zur Trinkwassererzeugung ungeeignet ist, sind die Seewasserverdampfer außer Betrieb. Hier steht also zeitlich begrenzt Abwärmeenergie zur Verfügung. Andererseits sind die Dieselmotoren der Kreuzfahrtschiffe mit Abgaskesseln ausgestattet, die nur einen Teil der nutzbaren Abwärmeenergie der Abgase gewinnen.
  • Lösung der Aufgabe
  • Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, um die Abwärme auf Schiffen zur Kälteerzeugung zu nutzen. Dieses Verfahren wird als Abwärmemanagement bezeichnet. Es beginnt bei der Planung des Schiffes, um mit ausreichender Dimensionierung der Abgaskessel und Kühlwassersysteme eine optimale Nutzung unter Berücksichtigung der Investitions- und Brennstoffkosten zu sichern. Es dient im späteren Betrieb dazu, Brennstoff einzusparen. Dies wird als Beispiel zur Klimatisierung in 1 dargestellt. Dabei kommt auch ein Kältespeicher (6) zur Anwendung, um den Zeitversatz zwischen Kälteerzeugung und Kältebedarf zu überbrücken. Der Kältespeicher ist beim Einsatz von Ammoniak als Kältemittel als Eisspeicher besonders sinnvoll, da dann die Schmelzenthalpie genutzt wird.
  • Als zweites Beispiel ist in 2 eine mögliche Schaltung zum Einsatz auf Kühl- und Containerschiffen schematisch dargestellt, daraus wird ersichtlich, dass auch die Hilfsdiesel (7) in das Abwärmemanagement einbezogen sind. Hier ergeben sich neben der hier nicht dargestellten Wohnraumklimatisierung durch die Laderaumkühlung große energetische Vorteile.
  • Auf Containerschiffen wird mit einer Laderaumkühlung bestehend aus dem Kaltwassersystem mit Umwälzpumpe (8) den Laderaumlüftern (10) und Luftkühlern (11) die Laderaumluft für Integralkühlcontainer im Temperaturniveau deutlich abgesenkt, mit dem Vorteil, dass die Laderaumlüfter deutlich weniger elektrische Energie benötigen. Die im Laderaum (9) stehenden elektrisch betriebenen Integralcontainer verbrauchen dadurch ebenfalls weniger elektrische Energie, da die Temperaturdifferenz (Laderaumlufttemperatur – Kühlcontainerinnenraumtemperatur) erheblich niedriger ist. Ein dritter Vorteil ergibt sich bei der für Fruchtladung notwendigen Frischluftzufuhr aus dem Laderaum in den Integralkühlcontainer, da die Laderaumluft kälter ist und im Kühlcontainer nicht so stark heruntergekühlt werden muss. Für diese Anwendung in Laderäumen von Containerschiffen kann das Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid eingesetzt werden.
  • Auf Kühlschiffen wird das Stoffpaar Ammoniak-Wasser und statt des Kaltwassersystems ein Solesystem benötigt, da hier die Kühlgüter direkt im Laderaum gekühlt werden und die Laderaumluft je nach Ladung auf Minustemperaturen bis –30 Grad Celsius (z. B. Fisch) gekühlt wird.
  • In diesen als Beispiele dargestellten Anwendungen ist der Einsatz von schiffstauglichen Absorptionskälteanlagen erforderlich. Dazu ist es notwendig, die entsprechende Abwärme mit ihren entsprechenden Nutzen zu organisieren. Für das entsprechende Schiff ist vorab eine Nutzungsstudie mit Bewertung zu erstellen, um die Nutzung der verschiedenen Medien (Dampf, heißes Kühlwasser) den Aufgaben (Schiffsbetrieb, Klimatisierung, Kühlung, Trinkwassererzeugung oder -bunkerung) und Nutzen entsprechend festzulegen. So kann z. B. die Absorptionsanlage mit heißem Kühlwasser und/oder Dampf beheizt werden.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt neben der Einsparung von Brennstoff auch in einer Reduzierung von Kohlendioxid, Schwefel und Stickoxiden, die sowohl von der Europäischen Union als auch der International Maritime Organisation (IMO) gefordert werden.
  • Literatur:
    • [1] Hochhaus, K.-H.: Kälteanwendung auf Schiffen, in Lehrbuch der Kältetechnik, Band 2, C. F. Müller, Heidelberg, 1997
    • [2] Hochhaus, K.-H.: Deutsche Kühlschifffahrt (1902–1995), Verlag H. M. Hausschild GmbH, Bremen 1996, ISBN Nr.: 3-931785114
    • [3] Hochhaus, K.-H.: Dynamisches Verhalten von Hilfsdampfanlagen im Schiffsbetrieb Dissertation TU Hamburg-Harburg, VDI-Verlag, Reihe 12, Nr. 75
    • [4] Jung, J.: Ausnutzung von Wärme und Abgasen und Kühlwasser bei Dieselanlagen STG-Jahrbuch 53 (1959), S.284–296
    • [5] Hesse, T.; Hochhaus, K.-H.; Mehrkens, J. D.: Trinkwassersysteme auf Schiffen, Handbuch der Werften, Band 25, Schiffahrtsverlag Hansa, 2000, Hamburg
    • [6] Behrens, V.; Hochhaus, K.-H.; Wild, Y.: Schiffsbelüftung und Klimaanlagen (S. 49–114), im Handbuch der Werften, Band 25, Schiffahrtsverlag Hansa, Hamburg

Claims (9)

  1. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaswärme der Dieselmotoren zur Kälteerzeugung genutzt wird.
  2. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen, dadurch gekennzeichnet, das die Abwärme aus dem Abgas und Kühlwasser der Dieselmotoren genutzt wird, um mit dem Einsatz von Absorptionskältemaschinen Kälte zu erzeugen.
  3. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid zur Klimatisierung eingesetzt wird.
  4. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffpaar Ammoniak-Wasser zur Proviantkühlung eingesetzt wird.
  5. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffpaar Ammoniak-Wasser zur Ladungskühlung eingesetzt wird.
  6. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abwärmemanagement die Abwärmenutzung steuert.
  7. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentralanlage mit dem Stoffpaar Ammoniak-Wasser Kälte erzeugt, die als Eis gespeichert werden kann.
  8. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballastwassertank als Kältespeicher dient.
  9. Verfahren zur Kälteerzeugung auf Schiffen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskälte zur Kühlung der Laderäume für die Aufnahme der Kühlcontainer dient.
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