Eisspeicher : Wie der Pharma-Riese Merck mit einem Eisspeicher Energie spart

Jahrelang stand der östliche X-Tower im deutschen Weiterstadt leer – bis Merck im Sommer 2017 sieben der zehn Stockwerke mit einer Fläche von circa 15.000 Quadratmeter anmietete. Da der Hauptstandort im benachbarten Darmstadt mit mehr als 11.000 Mitarbeitern langsam zu klein wurde, sollten hier moderne Büros für etwa 1.000 Mitarbeiter geschaffen werden. Zu diesem Zweck plante das Chemie- und Pharmaunternehmen den Einbau einer Umluftkühlung. Doch im Zuge der Modernisierung stellte sich heraus, dass die vorhandene elektrische Anschlussleistung für die Abdeckung der Lastenspitzen mit Kältemaschinen nicht ausreichte– bis zu 1.000 Kilowatt wären nötig gewesen. Bei der Suche nach einer Möglichkeit, diesen Wert zu reduzieren, wurde Merck auf eine neue Eisspeichertechnologie aufmerksam. Aber alles der Reihe nach.

„Aufgrund des langen Leerstands des X-Towers und der veralteten Einzelbüro-Struktur stand außer Frage, dass wir die angemieteten Flächen des X-Towers modernisieren mussten“, erklärt Martin Füllsack, der für das Projekt zuständige Ingenieur bei Merck. „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 im August 2017 GA-tec Gebäude- und Anlagentechnik. Doch bei der anfänglichen Bestandsaufnahme stellten die Verantwortlichen fest, dass die elektronische Anschlussleistung des Gebäudes für eine Umluftkühlung mithilfe von konventionellen Kältemaschinen sehr knapp bemessen ist und dass durch den Einsatz von Eisspeichern mit einer schnellen Lade- und Entladezeit eine energetisch nachhaltige Gebäudebetreibung möglich ist. „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.

Um die Kältemaschinen mit der bereits zur Verfügung stehenden Anschlussleistung nutzen zu können, mussten entsprechende Lastspitzen vermieden werden. Dies wiederum kann nur mit einer zeitlichen Verschiebung des Strombedarfs erreicht 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“, bemerkt Füllsack. „Auf diese Weise kann er zum Lastausgleich hinzugezogen werden.“ In der Folge konnte die Kältemaschine deutlich kleiner ausgelegt werden. Gleichzeitig bestand das Potenzial, eine Effizienzsteigerung der gesamten Anlage zu erzielen, da sich durch die Verschiebung der Kälteproduktion in die Nacht eine gleichmäßigere Auslastung der Maschine ergibt.

Bei der Recherche nach einer passenden Technologie wurde Merck auf den Eisspeicher sp.ICE aufmerksam. Dabei handelt es sich um eine gemeinsame Neuentwicklung des Kapillarrohrmatten-Herstellers BEKA Heiz- und Kühlmatten und von GEFGA Energiesysteme, die im April 2017 in Shanghai vorgestellt wurde. Diese macht sich nun erstmals die Eigenschaften von Kapillarrohrmatten zunutze: „In Gesprächen mit Fachkollegen, vor allem mit jenen von GEFGA, wurden die technisch bedingten Einschränkungen beim Einsatz von traditionellen Eisspeichern deutlich. Dazu zählen beispielsweise lange Ladezeiten oder ein verhältnismäßig großes Eigenvolumen der Wärmeübertrager“, erläutert BEKA-Geschäftsführer Albrecht Bauke. „So lag es nahe, die Vorteile der Kapillarrohrtechnik – extrem kleine Rohrdurchmesser und Wandstärken – auch bei Eisspeichern zu nutzen.“

Bei den ersten Überlegungen zum Einsatz des neuartigen Eisspeichers, konnte GEFGA den Bauherren dank einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von den Vorteilen des sp.ICE überzeugen. Dann wurde gemeinschaftlich mit TechDesign und GA-tec nach den technischen Vorgaben der geplanten Anlage der sp.ICE auf diesen Einsatz hin angepasst.

Im Prinzip funktioniert der sp.ICE ähnlich wie herkömmliche Eisspeicher: Mithilfe eines Wärmetauschers wird in einem Behältnis stehendes Wasser in Eis umgewandelt, um später die Schmelzwärme wieder nutzen zu können. Doch das Herz des neuen, patentierten Eisspeichers sind die Kapillarrohrmatten aus Polypropylen, aus denen sich der Wärmeübertrager zusammensetzt. Die Rohre weisen einen Durchmesser von lediglich 4,5 Millimeter bei einem Abstand von nur zehn Millimeter auf, wobei die parallel geschalteten Kapillaren in einem Verteilerstamm zusammenlaufen. Der Rohrinnendurchmesser beträgt 2,9 Millimeter. Das ermöglicht einen optimierten Wärmedurchgang, da die Eisdecke vor allem durch die Nähe der Rohre zueinander konstruktiv verringert wird. Außerdem entsteht eine verhältnismäßig große Fläche zur Wärmeübertragung, was die Leistungskenndaten des Eisspeichers verbessert. Insgesamt kann auf diese Weise ein Eisfüllgrad – dieser gibt an, welcher Anteil des Speichers mit Eis gefüllt ist – von annähernd 100 Prozent erreicht werden. Auch das Eigenvolumen des Wärmetauschers fällt aufgrund der kleinen Durchmesser gering aus, weshalb eine kompaktere Konstruktion als bei üblichen Eisspeichern mit gleicher Leistung möglich ist.

Als Folge dieser Eigenschaften ist eine effiziente Eiserzeugung bei einer mittleren Ladetemperatur von lediglich -2,5 Grad Celsius möglich. Durch die geringe Temperaturdifferenz konnten die Ladezeiten mit etwa sechs Stunden ebenfalls deutlich reduziert werden. Das bei Merck verbaute Modell sp.ICE 20‘ erreicht so bei einer Größe von 6.058 Millimeter x 2.438 Millimeter x 2.591 Millimeter eine Wärmeübertragungsfläche von 1.345 Quadratmeter sowie eine Ladeleistung von 416 Kilowatt bei sechs Stunden. Da die Kapillarrohre nur eine Länge von 2.000 Millimeter aufweisen, sind zudem die Druckverluste äußerst 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 hat dies nicht nur einen geringeren Stromverbrauch zur Folge, sondern es ist auch weniger Stellfläche notwendig. „Uns überzeugte vor allem, dass der sp.ICE deutlich effizienter und kompakter ist als andere Eisspeichertechniken“, bestätigt Füllsack.

Eine Anforderung von Merck war jedoch, dass sowohl Betrieb als auch Instandhaltung der Anlage möglichst unkompliziert sind und kaum 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. Außerdem ist der sp.ICE gänzlich wartungsfrei: Das Innere des Eisspeichers ist ein geschlossenes System und als solches wenig anfällig für Störungen.

Aufgrund dieser Produkteigenschaften entschieden sich die Projektverantwortlichen für den Einsatz der neuen Technologie: zwei sp.ICE 20. Diese sollten vor allem in den Nachtstunden aufgeladen werden – der Kältebedarf geht zu dieser Zeit gegen Null. Am Tag sollten die voll geladenen sp.ICE – die Speicherkapazität der beiden Eisspeicher beträgt zusammen 4.200 Kilowattstunden – die Abdeckung der Spitzenlast übernehmen. Dabei stellt auch ein Spitzenlastbedarf von über 1.000 Kilowatt kein Problem dar. Die Kältemaschinen werden dann entsprechend dem jeweiligen Bedarf zugeschaltet. Häufig ist sogar der Kühlbetrieb am Tag ohne Kältemaschine möglich. „Im Durchschnitt müssen sie so lediglich eine Leistung von 500 Kilowatt und weniger erbringen“, beschreibt Hees von GA-tec das Resultat. „Das ist mit der vorhandenen Anschlussleistung kein Problem.“

Damit konnte eine kleinere Kältemaschine mit 500 Kilowatt gewählt werden und eine Erweiterung der Anschlussleitung war nicht mehr notwendig.

Im Oktober 2017 erhielt BEKA von GA-tec schließlich den Auftrag für zwei transportfähige sp.ICE 20‘ für die Außenaufstellung. Dies war notwendig, um aufwendige Umbaumaßnahmen am Gebäude zu vermeiden. Nach nur zwölf Wochen Lieferzeit wurden die beiden sp.ICE 20‘ im Dezember 2017 im BEKA-Werk in Berlin fertiggestellt und ausgeliefert. Damit die Aufstellung schnell und sicher vorgenommen werden konnte, hatte BEKA die Modelle bereits werkseitig oberhalb des Speichers mit einer Verteilerrohr-Konstruktion inklusive einer Wetterschutz-Einhausung versehen. Die Eisspeicher sind nun seit April 2018 im Einsatz. Auch im Hitzesommer 2018 bewährten sich die sp.ICE. „Die Effizienz der Modelle Überstieg unsere Erwartungen – selbst an sehr heißen Tagen war die Leistungsgrenze noch nicht erreicht“, resümiert Füllsack. Eine Erweiterung der Gesamtanlage ist bereits geplant, um auch die noch nicht ausgebauten Bürobereiche und die Kantine zu kühlen. Eine modulare Erweiterung ist mit dem Eisspeichern sehr flexibel möglich.