Abwärme statt Gastherme: Wie transkritische CO₂-Kälteanlagen Ihr gesamtes Betriebsgebäude heizen

1. Das ungenutzte Gold auf dem Hallendach

Physikalisch betrachtet kann man „Kälte“ nicht erzeugen – man kann einem Kühlraum, einem Froster oder einem Produktionsprozess lediglich Wärme entziehen und diese an einer anderen Stelle wieder abgeben. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht die am Verflüssiger bzw. Gaskühler abgegebene Wärmeleistung (Q̇_C) exakt der Summe aus Kälteleistung (Q̇₀) und zugeführter elektrischer Antriebsleistung (P_el) des Verdichters:

Ein Betrieb mit einer Kälteleistung von 250 kW verfügt somit permanent über ein Wärmekraftwerk mit mehr als 320 kW thermischer Leistung. Bei konventionellen Bestandsanlagen wird diese Energie über Ventilatoren am Dach vernichtet – und dafür zusätzlich Strom für die Rückkühlerlüfter bezahlt.

2. Warum CO₂ (R744) die Wärmerückgewinnung revolutioniert hat

Bei älteren synthetischen Kältemitteln (wie R404A oder R134a) war die Wärmerückgewinnung oft nur eingeschränkt nutzbar: Die Kondensationstemperatur lag meist bei moderaten 35 °C bis 45 °C. Nur ein kleiner Teil der Wärme (die sogenannte Heißgas-Enthitzung, ca. 10 bis 15 % der Gesamtleistung) erreichte höhere Temperaturen.

Mit dem Umstieg auf Kohlendioxid (CO₂ / R744, GWP = 1) ändert sich die Thermodynamik grundlegend:

• Hohe Drucklagen und steiler Temperaturverlauf: Im überkritischen (transkritischen) sowie im hochdruckseitigen Bereich weist CO₂ extrem hohe Verdichtungsendtemperaturen (oft 85 °C bis 120 °C) auf.
• Gleitende Wärmeabgabe im Gaskühler: Da im transkritischen Bereich kein klassischer Phasenwechsel bei konstanter Temperatur stattfindet, kühlt das CO₂-Gas über ein breites Temperaturband ab. Dadurch passt sich die Temperaturkurve des Kältemittels wie maßgeschneidert an die Aufwärmkurve des Wassers im Gegenstrom-Plattenwärmetauscher an.

3. Zweistufige Wärmerückgewinnung in der Praxis

Bei HERZOG planen wir industrielle CO₂-Verbundanlagen standardmäßig mit einer zweistufigen Wärmerückgewinnung (WRG), die im Schaltschrank über unsere SPS-Architektur vollautomatisch vor dem Außen-Gaskühler durchströmt wird:

Stufe 1: Hochtemperatur-Enthitzer (60 °C bis 75 °C)

Unmittelbar nach den Verdichtern strömt das heiße CO₂-Gas durch den ersten Edelstahl-Plattenwärmetauscher. Hier wird die Temperaturspitze genutzt, um Hygiene-Pufferspeicher auf bis zu 75 °C aufzuheizen. In Großbäckereien, Fleischverarbeitungsbetrieben und Gastronomie-Zentrallagern deckt diese Stufe den gesamten Heißwasserbedarf für Reinigung, Spülstraßen und Mitarbeitersanitärbereiche ab.

Stufe 2: Niedertemperatur-Wärmetauscher (30 °C bis 45 °C)

Im zweiten nachgeschalteten Wärmetauscher wird der Großteil der verbleibenden Enthalpie auf einem Temperaturniveau von 35 °C bis 45 °C ausgekoppelt. Diese Energiemenge speist Fußbodenheizungen, Betonkernaktivierungen, Lüftungs-Heizregister in Produktionshallen oder die Unterfrierschutzheizung unter Tiefkühlräumen.

4. Was passiert im tiefen Winter, wenn wenig gekühlt wird?

Eine berechtigte Frage vieler technischer Leiter lautet: „Was passiert an einem kalten Sonntag im Jänner, wenn die Produktion steht und die Kühlräume kaum Last haben – friert dann unser Gebäude ein?“

Moderne CO₂-Booster-Anlagen von HERZOG lösen dieses Problem durch einen integrierten Wärmepumpen-Modus (Falschlast-Verdampfer): Reicht die Abwärme aus den Kühlräumen im Winter kurzzeitig nicht für die Gebäudeheizung aus, nutzt die Kälteanlage den Außen-Gaskühler (oder einen separaten Luftverdampfer) als Wärmequelle aus der Außenluft. Sie benötigen somit kein redundantes zweites Heizsystem (keinen Gaskessel, keinen Pelletskessel und keinen Schornstein), sondern nutzen ein einziges, zentral gewartetes System für Kälte, Klima, Heizung und Warmwasser.