Bis zu 60% Energie sparen: So arbeiten Umwälzkühler nachhaltiger und günstiger

In Laboren weltweit werden Nachhaltigkeit und Effizienz immer wichtiger. Das ist nicht nur eine Frage immer strenger werdender Rechtsvorschriften, sondern auch eine Imagefrage. Wer umweltschonend arbeitet und Ressourcen im Laborbetrieb spart, erfüllt aber nicht nur Nachhaltigkeitsziele besser, sondern senkt auch Kosten im Sinne des Total Cost of Ownership (TCO).

Doch wie geht das? Durch zwei konstruktive Maßnahmen an Umwälzkühlern kann ein großer Beitrag zum Umweltschutz geleistet werden und nebenbei die Betriebskosten gesenkt sowie die Leistungsdichte erhöht werden.

1. Natürliche Kältemittel statt fluorierte Kältemittel
2. Auf Nachhaltigkeit optimierte Kältemaschinen

Kältemittel in Umwälzkühlern – wohin die Reise geht

Auch heute noch sind viele gängige Kältemittel teilweise fluoriert. Diese tragen zum Treibhauseffekt und damit zum Klimawandel bei. Eine Reduzierung des Global Warming Potentials (GWP) von Kältemitteln ist deshalb politisch gewollt. Seit 2020 dürfen bestimmte Kältemaschinen nicht mehr mit R134a ausgeliefert werden. Bis zum Jahr 2030 sollen fluorierte Kältemittel auf ein Fünftel der noch 2015 in den Markt gebrachten Menge reduziert werden. Und jüngst wurden weitere Verschärfungen angekündigt. Jeder weiß: Damit steigen die Kosten für die teilfluorierten Kältemittel signifikant.

Für ein international agierendes und verantwortungsbewusstes Unternehmen wie IKA sind das viele gute Gründe, um nachhaltigeres Kühlen möglich zu machen. Auch dann, wenn die eigenen Geräte noch nicht von den neuen Verboten betroffen sind. Aber wie genau funktioniert das?

Was das natürliche Kältemittel R290 kann

Das natürliche Kältemittel R290 weist im Vergleich zu anderen standardmäßig verwendeten Kältemitteln ein deutlich geringeres GWP (Global Warming Potential) auf. Im Vergleich: R290 liegt bei GWP=3, während andere Kältemittel deutlich höhere Werte haben (R134a: GWP 1430, R449a: GWP 1379, R404a: GWP 3920). Das bedeutet eine Reduzierung des Treibhauspotenzials auf nur 0,21 % des Basiswertes von R134a. Hierbei ist noch nicht berücksichtigt, dass die Kältemittel-Füllmengen bei R290 ebenfalls reduziert werden können.

Durch den Einsatz des natürlichen Kältemittels R290 kann aber nicht nur der Treibhauspotenzialfaktor (GWP) reduziert werden. Dieses Kältemittel erhöht zugleich die Leistungsdichte der Geräte. Der positive Effekt: mehr Effizienz und eine kompaktere Bauweise, also weniger Platzbedarf im Labor. Mit einem einzigen RC 2 GREEN können sogar gleich zwei Rotationsverdampfer versorgt werden, während von einem Wettbewerbsgerät hierfür zwei Kühler benötigt werden. Bei den Umwälzkühlern RC 2 lite, HRC 2 lite, RC 2 GREEN und RC 5 setzt IKA daher schon heute auf den Betrieb mit R290. Bei der Entwicklung der RC Umwälzkühler haben die Ingenieure von IKA auf Energieeffizienz gesetzt und einzigartige Lösungen entwickelt.

Bedarfsgesteuerte Kältemaschinen für noch mehr Nachhaltigkeit

Auch Kältemaschine ist nicht gleich Kältemaschine. Die Geräte der RC basic/control-Serie von IKA unterscheiden sich maßgeblich von anderen Umwälzkühlern. Ihr Herzstück ist ein drehzahlgeregelter Kompressor, mit dessen Hilfe auf den aktuellen Kälteleistungsbedarf reagiert wird. In Abhängigkeit der Last beziehungsweise der benötigten Kälteleistung kann das Gerät somit seine Leistung flexibel anpassen. Wird wenig Leistung benötigt, läuft der Kompressor auf Sparflamme. Dabei ist er außerdem sehr leise und benötigt kaum Energie. Permanentes Ein- und Ausschalten des Gerätes ist somit überflüssig. Das wirkt nebenbei Verschleiß entgegen und verlängert die Produktlebenszeit.
Nächster Nachhaltigkeitsfaktor: die hochwertige Isolierung des Vorratstanks. Sie minimiert den Energieeintrag aus der Umgebung und hält das Thermofluid kalt. Der luftgekühlte Microchannel-Kondensator sorgt zudem für eine optimale Wärmeabfuhr. Der hierfür benötigte Luftstrom wird von einem drehzahlgeregelten Lüfter erzeugt. Das reduziert den Geräuschpegel und senkt abermals den Energieverbrauch. Zum Schutz des Wärmeüberträgers vor Verschmutzung und dem damit einhergehenden Effizienzverlust verfügen alle IKA Umwälzkühler über einen herausnehmbaren und leicht zu reinigenden Filter direkt vor dem Kondensator. Damit ist gleichbleibende Leistung über den Produktlebenszyklus garantiert – ganz ohne zusätzliche Wartungsarbeiten.

Ein weiterer technischer Kniff nutzt diese Leistung für die besonders präzise Temperaturregelung: Mit dem elektronisch gesteuerten Expansionsventil wird eine Temperaturkonstanz von bis zu ±0,05 K erreicht.

Praxischeck Umwälzkühler – Umweltkosten im Vergleich

Durch die beschriebenen Eigenschaften der Umwälzkühler, insbesondere durch den drehzahlgeregelten Kompressor, werden bei vergleichbaren Applikationen im Vergleich zu Wettbewerbsgeräten bis zu 60 % Energiebedarf im laufenden Betrieb eingespart.

Zur Ermittlung des Energiebedarfs wurden die Umwälzkühler zur Destillation von 500 ml Wasser im 1-Liter Verdampferkolben eines Rotationsverdampfers verwendet. Wasserbadtemperatur +60 °C, Druck 70 mbar. Schon beim Vergleich der mittleren Leistungsaufnahme (Bild 1) im Leerlauf der Umwälzkühler (Rotationsverdampfer ausgeschaltet) wird deutlich, dass der RC 2 von IKA im Vergleich zum Wettbewerber deutlich effizienter arbeitet.
Bei der Betrachtung des Energieverbrauchs über einen ganzen Tag gesehen, wirkt sich die Effizienz noch stärker aus (Bild 2).

Denn die bedarfsgesteuerten IKA Umwälzkühler reduzieren ihre Leistung auf ein Minimum, angepasst an die tatsächlich benötigte Kühlleistung. Hier zeigt sich, dass der RC 2 im Vergleich zum Wettbewerber weniger als ein Drittel der Energie verbraucht.

Abbildung 3 zeigt die Wirkungsweise der bedarfsgesteuerten IKA-Umwälzkühler (rot) im Vergleich zu einem ungeregelten Kühler (blau). Dargestellt ist ein 8-Stunden-Arbeitstag, an dem 4 Destillationen (500 ml Wasser) durchgeführt wurden. Gut zu erkennen ist der generell niedrigere Leistungsbedarf im Leerlauf zwischen den Destillationen sowie die Anpassung der Kühlleistung im Destillationsprozess.

Rechnen wir das an einem Beispiel durch: Ein RC 2 GREEN ersetzt zwei konventionelle Umwälzkühler mit einer Leistung von 400 W. Dank innovativer Kühltechnologie können bis zu 250 Euro an Energiekosten pro Jahr eingespart werden. Über die zu erwartende Produktlebenszeit des Gerätes hinweg entspricht das mindestens 2.500 Euro. Neben der finanziellen Einsparung können so 3,75 Tonnen an CO2 eingespart werden. Alternativ müssten 163 Bäume gepflanzt werden, um die zusätzlich bei der Energiegewinnung (im Energiemix) erzeugten CO2-Emissionen zu kompensieren. Die Menge an eingespartem CO2 entspricht der freigesetzten Menge beim Flug von einer Person von Frankfurt nach New York und wieder zurück.

Fazit: Kühlen mit Köpfchen

Die Umwälzkühler der RC-Reihe von IKA zeigen, dass Labore bereits heute deutlich nachhaltiger kühlen können. Möglich sind: der Einsatz umweltschonender Kältemittel, eine höhere Leistungsdichte und die Einsparung von Energie. Über den gesamten Produktlebenszyklus gedacht bedeuten diese Geräte aber nicht nur mehr Nachhaltigkeit, sondern auch weniger Kosten. Denn die Betriebskosten von Laboren werden erheblich gesenkt.
Einkäufer erkennen sofort: Nach dem TCO-Ansatz ist ein gegebenenfalls etwas höherer Anschaffungspreis dieser nachhaltigen Geräte kein Hindernis. Im Gegenteil. Betrachten wir alle Aspekte der späteren Nutzung – Treibhauseffekt, Energieverbrauch, Leistungsdichte, Wartung sowie die Risiken in Bezug auf weitere politische Einschränkungen – lohnt sich die Anschaffung eines nachhaltigen Umwälzkühlers. Sie ist gut für die Finanzen und den Nachhaltigkeitsbericht.

Weitere Informationen

Dieser Artikel entstand mit freundlicher Unterstützung von IKA.

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