Innovatives Verfahren zur Eisbreierzeugung

Die Energiewende und die damit verbundenen klimapolitischen Ziele erfordern bessere technische Lösungen. Dies trifft auch auf den Bereich der Kälteerzeugung und -speicherung zu. Typische Ziele sind die Erhöhung der Leistungszahlen von Kältemaschinen, die Verringerung von potenziellen Umweltschäden durch herkömmliche Kältemittel und die Flexibilisierung durch Speicher.

Der Einsatz von Eisbrei, also Wasser mit einem Anteil feiner Eispartikel, ist dafür sehr gut geeignet. Dieses pumpfähige Phasenwechselmaterial vereint als Kälteträger und Speicherstoff die Vorteile von Kaltwasser und stationärem Eis [1]. Das Stoffsystem ist umweltfreundlich und lässt sich auch in Bestandskühlsysteme integrieren. Eisbrei kommt bereits seit den 80er-Jahren in geschlossenen Kühlkreisläufen zum Einsatz [2]. Obwohl im Laufe der Zeit verschiedene Herstellungsverfahren entwickelt wurden [3, 4], handelt es sich bisher eher um eine Nischenanwendung [5]. Die Autoren sehen einen wesentlichen Grund hierfür in den Nachteilen der bestehenden Verfahren zur Eisbreierzeugung, z. B. Verschleiß mechanisch bewegter Bauteile, Erfordernis einer separaten Kältemaschine, Einsatz nachteiliger Kältemittel, in­effizienter Kältemaschinenbetrieb, be­grenzte Eisproduktionsraten bzw. Skalierbarkeit der Verfahren auf sehr große Kälteleistungen.

Mit dem Ziel, die technischen Grenzen herkömmlicher Systeme zu überwinden, entwickelten Urbaneck und Richter (2022) im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt geförderten Verbundprojektes Forschungsplattform für Kälte- und Energietechnik KETEC (Teilprojekt 9) [6] einen neuartigen Ansatz zur Eisbreierzeugung [7, 8]. Dieser besteht in der Zusammenführung eines Kältemittels mit Wasser unter hohem Druck und der anschließenden Entspannung in einem düsenartigen Bauteil, wobei verschiedene Kälteeffekte auftreten und zur Eisbildung genutzt werden können. Die Autoren präsentierten in früheren Arbeiten das innovative Verfahren [1, 9], welches die Herstellung von Eisbrei kontinuierlich, skalierbar, effizient und unter Einsatz natürlicher Kältemittel bzw. Kälteträger ermöglicht. Mithilfe eines Demonstrators konnte nun der experimentelle Funktionsnachweis erbracht werden. Der Artikel beschreibt die Versuchsanlage und präsentiert die ersten Ergebnisse.

Systembeschreibung

Der Demonstrator, zu sehen in Abb. 1 (Stand 01/2025), stellt die Umsetzung des geschlossenen Prozesses gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren von Urbaneck und Richter [7], [8] dar. Dieser umfasst dabei einen Kälteträgerkreis (Wasser), einen Kältemittelkreis, einen sogenannten Apparat, in welchem die Zusammenführung (Dispersion), Entspannung, Eisbildung und Wärmeübertragung erfolgen, einen Speicher sowie einen Entladekreis [1]. Zusätzliche mögliche Erweiterungen und Optimierungen wurden zunächst nicht berücksichtigt, um die Komplexität des Systems und die Anzahl an Einflussfaktoren gering zu halten.

Abb. 2 zeigt das vereinfachte Anlagenschema des Demonstrators. Im Kälteträgerkreis fördert eine Beladepumpe eisfreies Kaltwasser aus dem Speicher (ca. 6–8 bar) in den Apparat (75–80 bar). Der geplante Kreisprozess und die Zustandspunkte des Kältemittels sind in Abb. 3 dargestellt. Der Verdichter saugt das CO₂ gasförmig aus dem oberen Bereich des Speichers an (ca. 6–8 bar, Zustand 11). Prozessbedingt sind Wasser und Kältemittel im direkten Kontakt, wodurch das Sauggas kontinuierlich mit Feuchtigkeit beladen wird, was einen Nachteil darstellt. Deswegen entfeuchtet in dieser Versuchsanlage ein Gastrockner das Kältemittel durch Abkühlung (Zustand 12 → 13). Das Sauggas erfährt anschließend eine Erwärmung in einem internen Wärmeübertrager (14 → 15), bevor es in einem zweistufigen Kolbenkompressor mit Zwischenkühlung überkritisch auf 75–80 bar verdichtet wird (1NDS → 2HDS). Darauf folgen die Gaskühlung (3 → 4) und eine weitere Abkühlung im internen Wärmeübertrager (4 → 5). Der Apparat führt das flüssige Kältemittel (6) und das Wasser aus dem Kälteträgerkreis unter (näherungsweise) gleichem Druck zusammen, wobei nach derzeitigen Vorstellungen ein disperser Stoffstrom1 (7) entsteht. Dieser wird in einem düsenartigen Abschnitt des Apparats auf den Niederdruck von ca. 6–8 bar entspannt (7 → 8*), wobei das CO₂ vollständig verdampft (8* → 9), was zur Bildung von Eispartikeln im Wasser führt. Der Zustand 8* ist jedoch rein theoretisch und voraussichtlich nicht real vorzufinden, weil die Verdampfung im Apparat auf einer Strecke mit fortschreitendem Druckabfall erfolgt. Der Joule-Thomson-Effekt des entspannenden Gases sowie das Ausgasen von gelöstem CO₂ treten als zusätzliche Kälteeffekte in dieser Prozessführung auf. Eine Auslaufstrecke ermöglicht eine weitere Wärmeübertragung vom Eisbrei auf das kältere Gas (9 → 10). Der erzeugte Eisbrei und das entspannte, gasförmige Kältemittel trennen sich im Speicher aufgrund der Dichteunterschiede (10 → 11). Dort ist eine Speicherung des Eisbreis möglich, bis dieser durch den Entladekreis entnommen wird. Eine elektrische Heizung simuliert im Demonstrator die Kühlaufgabe (Verbraucher). Die Entladepumpe fördert das eisfreie Kaltwasser in den Speicher zurück. Der interne Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf sorgt für die Einhaltung einer Mindest-Eintrittstemperatur am Verdichter, für eine verringerte Gefahr der ungewollten Gashydratbildung² in der Rohrleitung (Zustandsänderung 14 → 15 in Abb. 3) sowie für eine Steigerung der Anlageneffizienz.

Mit dem Ziel einer umfassenden messtechnischen Untersuchung des Prozesses sind neben zahlreichen Druck- und Temperatursensoren auch Massestromsensoren (Coriolismessgeräte) in jedem Teilkreis zur Bestimmung der Dichte/n (ein-/mehrphasig) und des Massenstroms vorgesehen. Darüber hinaus sollen zukünftig verschiedene optische Messmethoden zur Analyse der Stoff- und Phasenanteile sowie der Eisbrei-Partikelgröße zum Einsatz kommen. Hierzu ist der Demonstrator mit Schaugläsern in allen relevanten Leitungsabschnitten und dem Speicher ausgestattet.

Versuchsdurchführung

Im Rahmen der Inbetriebnahme des Demonstrators konnten erste Funktionstests durchgeführt werden. Eine Herausforderung beim Betrieb der Anlage ist die Einstellung des Vordrucks am Apparat (Kältemittel-Zustand 7) aufgrund der starren Geometrie der Düse. Der Vordruck sowie das Mengenverhältnis von Kältemittel zu Kälteträger können in einem gewissen Bereich durch die Verdichterdrehzahl und den Wassermassenstrom eingestellt werden. Die vorausgegangene Auslegung der Düse und insbesondere des engsten Querschnitts konnte aufgrund der Komplexität der im Apparat auftretenden Mehr-Stoff-/Mehr-Phasen-Strömung sowie der möglichen Kälteeffekte allerdings nur überschlägig erfolgen. Daher wurden Düsen mit verschiedenen Querschnitten gefertigt, um dadurch den richtigen Betriebspunkt treffen zu können. Die genaue Analyse, Berechnung und Simulation des Apparats sind Gegenstand weiterer Forschung.

Jedoch stellte es sich bei den ersten Funktionstests als unmöglich heraus, selbst mit dem kleinsten verfügbaren Düsenquerschnitt (Ø 0,4 mm) den für die Verflüssigung des Kältemittels nötigen Vordruck zu erreichen. Infolgedessen wurde dem Apparat im Kältemittelkreis ein Nadelventil vorgeschaltet, welches die Einstellung der zusätzlich notwendigen Druckerhöhung im Kältemittelkreis ermöglichte. Dadurch ergab sich bei diesen ersten Funktionstests eine zweistufige Entspannung des Kältemittels im Widerspruch zum geplanten Kreisprozess (vgl. mit Abb. 3), mit einer Druckdifferenz zwischen Zustand 5 und 6. Somit war es aber möglich, die Funktionsweise des Verfahrens und die Eisbreierzeugung zu testen, indem die Dispersion aus Wasser und dem teilweise flüssigen CO₂ (Nassdampf im Zustand 6) gemeinsam unter Verdampfung des Kältemittels in der Düse entspannte.

Ergebnisse und Diskussion

In dem zuvor beschriebenen Funktionstest wurde erfolgreich kontinuierlich Eisbrei mit bis zu 41 % Eisanteil erzeugt. Die stabilen Produktionsphasen dauerten bis über eine Stunde. Unterbrechungen waren notwendig, da sich im Schauglas hinter der Düse (vgl. mit Abb. 2) Eis ansammelte, sodass der Apparat wiederholt mit eisfreiem Wasser durchspült werden musste. Das Schauglas dient lediglich dem optischen Zugang des Demonstrators und ist keine notwendige Prozesskomponente. Zu keinem Zeitpunkt traten Probleme durch eine Verstopfung bzw. Vereisung der Düse auf, wie bspw. [20], [21], [22], [23] diese für ähnliche Eisbreierzeugungsverfahren mit direktem Kontakt zu einem verdampfenden Kältemittel berichten. Somit konnte der Funktionsnachweis des innovativen Verfahrens erbracht werden.

Der Druck im Kältemittelkreis vor dem Nadelventil betrug im stabilen Testbetrieb ca. 58–62 bar bei einer Temperatur von ca. 18–22 °C. Das Wasser strömte mit ca. 10–14 °C und einem Druck von ca. 47–49 bar in den Apparat. Der CO₂-Massenstrom lag zwischen ca. 0,30 und 0,44 kg/min, der des Wassers sank von ca. 1,20 auf 0,42 kg/min. Das CO₂-Wasser-Vehältnis im Apparat stellte sich zwischen ca. 0,3 und 0,8 kg/kg ein, mit entsprechenden Eisanteilen im Eisbrei von ca. 6–41 %.

Der erzeugte Eisbrei wies augenscheinlich eine sehr gute Qualität auf. Abb. 4 zeigt das Schauglas hinter der Düse mit der oben strömenden CO₂-Gasphase und dem Eisbrei unten. Das im Wasser gelöste CO₂ gaste aufgrund des Druckabfalls in der Düse und der Eisbildung aus, was an den vielen Bläschen zu erkennen ist. Mikroskopische Untersuchungen zur Korngröße waren bislang nicht möglich, allerdings zeigen Detailaufnahmen (Abb. 5), dass die einzelnen Eispartikel nicht mit bloßem Auge erkennbar waren. Basierend auf Erfahrungen aus früheren Experimenten lag die geschätzte Korngröße auch hier in der Größenordnung von 0,1–0,2 mm [8].

Neben dem Funktionsnachweis brachte der Testbetrieb auch wichtige Erkenntnisse zu Einschränkungen der aktuellen Anlagenkonfiguration. Wie zuvor beschrieben ist die Fertigung kleinerer Düsenquerschnitte erforderlich (Ø 0,35–0,25 mm), um den benötigten Vordruck am Apparat zu erreichen. Tests mit den neuen Geometrien müssen zeigen, ob damit auf das vorgeschaltete Nadelventil verzichtet werden kann oder ob dieses zur Feineinstellung des Prozesses im Demonstrator weiterhin von Vorteil ist.

Weiterhin nahm im Testbetrieb der Massenstrom der Beladepumpe deutlich ab, obwohl sich keine signifikanten Änderungen der Druck- oder Temperaturverhältnisse im Kälteträger- oder Kältemittelkreis als mögliche Ursache zeigten. Allerdings wurde bei verschiedenen Tests beobachtet, dass gelöstes CO₂ in der Saugleitung der Beladepumpe ausgaste. Das Gas sammelte sich dann an Hochpunkten der Leitung und führte zu einer Verringerung des Strömungsquerschnitts und teilweise sogar zu Strömungsabrissen. Daher ist geplant, die Einbaulage der Pumpe so zu ändern, dass sich das Gas nicht in der Leitung sammeln kann. Zusätzlich sollen Möglichkeiten zur Entgasung vorgesehen werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Obwohl mit der aktuellen Anlagenkonfiguration des Demonstrators die geplante Prozessführung nicht realisiert werden konnte, ermöglichten die ersten Funktionstests mithilfe eines zusätzlichen Nadelventils vor dem Apparat die erfolgreiche kontinuierliche Eisbreierzeugung, womit die Funktion des innovativen Verfahrens erbracht ist. Der Testbetrieb lieferte vielversprechende Ergebnisse und wichtige Erkenntnisse für die Optimierung der Versuchsanlage. Der erzeugte Eisbrei wies eine sehr gute Qualität auf und der Eisanteil war über das CO₂-Wasser-Verhältnis kontrollierbar. Zudem bestätigte sich, dass aufgrund der gemeinsamen Entspannung von Kältemittel und Kälteträger (Dispersion) in einer Düse eine Vereisung bzw. Verstopfung dieser vermieden werden kann.

Im nächsten Schritt erfolgen diverse Anpassungen an dem Demonstrator, wie bspw. Fertigung und Einbau kleinerer Düsenquerschnitte, Optimierung der Einbaulage der Beladepumpe sowie Entgasungsleitungen im Kälteträgerkreis. Nach Abschluss der Umbauten soll der systematische Versuchsbetrieb aufgenommen werden. Ziel ist es, optimale Prozessparameter zu ermitteln, Optimierungspotenziale in der Anlagengestaltung bzw. Prozessführung zu identifizieren und die Eisbreiqualität zu charakterisieren. Langfristig wird eine Skalierung auf große Kälteleistungen bzw. Eisproduktionsraten angestrebt. Potenzielle Einsatzfelder liegen in der verfahrenstechnischen Industrie, der Gebäudekühlung und in der Fernkälte, insbesondere bei Nutzung volatiler erneuerbarer Energien.

Danksagung

Das zugrunde liegende Verbundvorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) unter den Kennzeichen 03SFO623A/B/C aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Projektmanagement übernimmt der Projektträger Jülich (PtJ). Das Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) fördert den Koordinator zum Aufbau des Kompetenzzentrums Kälte- und Klimatechnik auf der Grundlage eines Beschlusses des sächsischen Landtags. Für die Förderung, Unterstützung und Zusammenarbeit bedanken sich die Projektpartner sehr.

Von Manuel Matthes, Levi Walter, Jonathan Rausendorf, Jonathan Laun, Thorsten Urbaneck, Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik

Literatur

[1] Matthes, M.; Rausendorf, J.; Richter, M.; Urbaneck, T.: A novel process for the generation of ice slurry based on a dispersible two-substance system. In: Proceedings of the 16th IEA ES TCP International Conference on Energy Storage. Kuznik, F., Editor. Lyon: INSALAVOR, 2024, S. 9–12. https://doi.org/10.5281/zenodo.13790499.

[2] Kauffeld, M.; Gund, S.: Ice slurry–History, current technologies and future developments. International Journal of Refrigeration, 99. Bd. (2019), S. 264–271. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.010

[3] Urbaneck, T.: Kältespeicher - Grundlagen, Technik, Anwendung. 1. Aufl. München: Walter de Gruyter, 2012. - ISBN 978-3-486-70776-2.

[4] Rausendorf, J.; Urbaneck, T.: Herstellungsverfahren von Eisbrei – Stand der Technik und Forschung. HLH - Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik, 74. Jg. (2023), H. 3 S. 56–60. ISSN 1436-5103.

[5] Brauneis, C.: Eisbrei als Energieträger. KKA - Kälte Klima Aktuell, Bauverlag, 38. Jg. (2019), H. 2 S. 58–60.

[6] Urbaneck, T.; Richter, M.; Hempel, O.; Safarik, M.; Müller, M.; Henninger, S.; Schossig, P.; Henninger, H.-M.: KETEC Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik - Entwicklung, Ziele und fachliche Ausrichtung. KI – Kälte Luft Klimatechnik, Hüthig, 59. Jg. (2023) H. 1-2, S. 38–41. ISSN 1865-5432.

[7] Urbaneck, T.; Richter, M.: Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension in einem geschlossenen Prozess. DE 10 2022 134 153.4, Patentanmeldung vom 20.12.2022.

[8] Urbaneck, T.; Richter, M.: Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension in einem geschlossenen Prozess. DE 20 2022 107 104, Gebrauchsmusteranmeldung vom 20.12.2022, Eintragung am 01.03.2023.

[9] Matthes, M.; Rausendorf, J.; Richter, M.; Urbaneck, T.: Experimental Investigation of a Novel Process for the Generation of Ice Slurry Based on a Dispersible Two-Substance System. In: Proceedings of the 14th IIR Conference on Phase-Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning. FRISE research unit Centre IDF Jouy-en-Josas-Antony, Editor. Paris: International Institute of Refrigeration, 2024, S. 52-59. https://doi.org/10.18462/iir.pcm.2024.0019.

[10] Sloan Jr., E. D.; Koh, C. A.: Clathrate hydrates of natural gases. 3. Aufl. Boca Raton: CRC press, 2007. ISBN 0-8493-9078-8.

[11] Lemmon, E. W.; Bell, I. H.; Huber, M. L.; McLinden, M. O.: NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties - REFPROP. Version 10.0. National Institute of Standards and Technology, Standard Reference Data Program, Gaithersburg, 2018.

[12] Span, R.; Wagner, W.: A new equation of state for carbon dioxide covering the fluid region from the triple‐point temperature to 1100 K at pressures up to 800 MPa. J. Phy. Chem. Ref. Data, 25. Bd. (1996) Nr. 6 S. 1509-1596. https://doi.org/10.1063/1.555991.

[13] Span, R.; Beckmüller, R.; Hielscher, S.; Jäger, A.; Mickoleit, E.; Neumann, T.; Pohl, S. M.; Semrau, B.; Thol, M.: TREND. Thermodynamic Reference and Engineering Data 5.0. Chair of Thermodynamics, Ruhr-Universität Bochum (2020).

[14] Wagner, W.; Pruß, A.: The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use. J. Phys. Chem. Ref. Data, 31. Bd. (2002) Nr. 2 S. 387–535. https://doi.org/10.1063/1.1461829.

[15] Feistel, R.; Wagner, W.: A new equation of state for H 2 O ice Ih. J. Phys. Chem. Ref. Data, 35. Bd. (2006) Nr. 2 S. 1021–1047. https://doi.org/10.1063/1.2183324.

[16] Jäger, A.; Vinš, V.; Gernert, J.; Span, R.; Hrubý, J.: Phase equilibria with hydrate formation in H2O+CO2 mixtures modeled with reference equations of state. Fluid Ph. Equilib., 338. Bd. (2013), S. 100–113. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2012.10.017.

[17] Jäger, A.; Vinš, V.; Span, R.; Hrubý, J.: Model for gas hydrates applied to CCS systems part III. Results and implementation in TREND 2.0. Fluid Ph. Equilib., 429. Bd. (2016), S. 55–66. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2016.08.027.

[18] Vinš, V.; Jäger, A.; Hrubý, J.; Span, R.: Model for gas hydrates applied to CCS systems part II. Fitting of parameters for models of hydrates of pure gases. Fluid Ph. Equilib., 435. Bd. (2017), S. 104–117. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2016.12.010.

[19] Vinš, V.; Jäger, A.; Span, R.; Hrubý, J.: Model for gas hydrates applied to CCS systems part I. Parameter study of the van der Waals and Platteeuw model. Fluid Ph. Equilib., 427. Bd. (2016) S. 268–281. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2016.07.014.

[20] Wijeysundera, N. E.; Hawlader, M. N. A.; Andy, C. W. B; Hossain, M. K.: Ice-slurry production using direct contact heat transfer. International Journal of Refrigeration, 27. Bd. (2004) Nr. 5 S. 511–519. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2004.03.007.

[21] Zhang, X. J.; Zheng, K. Q.; Wang, L. S.; Wang, W.; Jiang, M.; Zhao, S. Y.: Analysis of ice slurry production by direct contact heat transfer of air and water solution. Journal of Zhejiang University SCIENCE A, 14. Bd. (2013) S. 583–588. https://doi.org/10.1631/jzus.A1300171.

[22] Hayder, S. H.; Danook, S. H.; Sultan, H. S.: Direct-Contact Evaporation Using Different Refrigerants: A Review. Basrah Journal for Engineering Sciences, 20. Bd. (2020) Nr. 2 S. 34–47.

[23] Zhang, Y.; Su, L.; Dong, K.; Liu, T.: Experimental study of ice slurry production system using direct contact heat transfer of RC318 and water in a horizontal pipe. Energy Procedia, 158. Bd. (2019) S. 4495–4501. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.762.

___________________

1 Die thermodynamischen und strömungsmechanischen Vorgänge im Apparat sind nach Auffassung der Autoren komplex und zurzeit weitgehend ungeklärt. Hier sind weitere Untersuchungen notwendig.

² Gashydrat ist im Allgemeinen eine eisähnliche Feststoffphase, welche sich bei niedrigen Temperaturen und erhöhtem Druck aus einem Gas und Wasser bildet [10]. Es ist im Demonstrator ungewollt, weil es a) Leitungen verstopfen und b) die Eisbreierzeugung verfälschen könnte.