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Voltavision Kältetechnikanlage Voltacooler

Fraunhofer IEG und Voltavision starten in Bochum weltweit einzigartiges Geothermie-Projekt zur nachhaltigen Kühlung in der Industrie

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Innovativer Erdkältespeicher mit intelligentem Steuerungssystem soll Energieverbrauch zur Kühlung um 70 bis 90 % senken.

Kühlanlagen sind essenziell, um Gebäude und technische Anlagen gerade an heißen Sommertagen betriebsfähig zu halten. In Deutschland beanspruchen solche Systeme etwa 14 % des gesamten Stromverbrauchs. Gleichzeitig bleibt im Winter und nachts ausreichend natürliche Kälte ungenutzt. Diesem Potenzial widmet sich das Projekt „MissEllyDEMO“, das von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG gemeinsam mit Ideengeber und Praxispartner Voltavision, ein führender Testing-Spezialist für Hochvolt-Batterien, umgesetzt wird.

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMKW) mit rund 2,8 Millionen Euro*, entsteht auf dem Bochumer Firmengelände von Voltavision ein Erdsonden-Kältespeicher der dank intelligenter Nutzung saisonaler und tageszeitlicher Temperaturunterschiede den stromintensiven Einsatz von Kompressionskühlung maximal reduziert und eine nachhaltige wie kostensparende Alternative darstellen wird. Die energetische Simulation der abgeschlossenen Machbarkeitsstudie „MissyElly“ zeigt, dass die Reduktionspotenziale des Energiebedarfs bei 70 bis 90 % im Vergleich zu konventionellen Kältesystemen liegen. Das errechnete Potential dieses Verfahrens, elektrische Energie einzusparen, liegt bei rund 7 % des gesamten Stromverbrauchs, womit deutschlandweit eine CO2 Einsparung von über 20 Mio. Tonnen pro Jahr möglich wäre.

Kältespeicher zur Kühlung durch Erdwärme als Schlüssel zur Ressourcenschonung

Das Geothermie-Projekt zielt auf die ganzjährige Bereitstellung von Kälte zur Kühlung von Laboren und Prüfständen für elektrische Energiespeicher ab. Während die Freikühlung im Winter durch Luftkühlung umweltschonend möglich ist, fordert der Sommer den Einsatz von stromintensiver Kompressionskälte. Um den Anteil erneuerbarer Energien bei der Kühlung zu steigern, bietet sich Umgebungskälte als natürliche, primäre Quelle an. Hierbei wird Abwärme, also überschüssige Wärmeenergie, die bei industriellen Prozessen entsteht, mithilfe der natürlichen Kühle des Erdbodens abgeleitet bzw. gekühlt. Das Projekt „MissEllyDEMO“ setzt nun ein innovatives System zur Speicherung und Nutzung von regenerativer Umweltkälte um, das die im Winter sowie nachts verfügbare Kälte im Erdreich speichert und sie dann gezielt im Sommer zur Kühlung der Prüfanlagen und Gebäude nutzt. Dabei fungieren 40 Erdwärmesonden als saisonaler Kältespeicher, der die Prozesswärme aus Voltavisions Prüflaboren in den Untergrund abführt. Dank der strategischen Anordnung der Erdwärmesonden und einer prädiktiven Betriebssteuerung lassen sich die Energieaufwände für die Kühlung deutlich reduzieren. „Wir konzipieren einen Erdsonden-Kältespeicher und betreiben ihn so dynamisch, dass er Wärmeenergie in einem weiten Leistungsbereich und in bedarfsgerechten Geschwindigkeiten aufnehmen kann“, erklärt Projektleiter Roman Ignacy von Fraunhofer IEG. „Die smarte Steuerung und das flexible Anlagendesign sind wohl weltweit einmalig.“

Umgesetzt wird das Projekt am Bochumer Headquarter des Industriepartners Voltavision. Der Experte für Batterietests betreibt besonders effiziente Prüflabore, entwickelt Prüfstands-Equipment und testet Batteriezellen- und Module sowie Hochvolt-Batterien etwa für die Automobilindustrie. Als Akteur beim Wandel zu klimafreundlicher Elektromobilität strebt Voltavision stets danach, auch selbst schnellstmöglich klimaneutral zu arbeiten und CO2-Emissionen immer weiter zu reduzieren. „Neben der Nutzung der Abwärme zur Heizung der Gebäude im Winter und dem Einsatz von Photovoltaikanlagen, betreiben wir auch das erste Batterie-Prüflabor mit klimaneutraler Kältetechnik auf Basis natürlicher Kältemittel. Mit der geplanten Geothermie-Anlage und dem Innovationssprung, der in ihr liegt, gelingt uns ein weiterer, großer Schritt zu nachhaltigen Energiesystemen und das nicht nur für unsere industrielle Anwendung“, erklärt Lore Mall, verantwortliche Projektleitung bei Voltavision, und führt weiter aus: „Wenn die Außentemperatur niedrig ist, wird schon jetzt das Kühlwasser der Anlagen über die Umgebungskälte in der Luft gekühlt. Diese Freikühlung ist an sehr warmen Tagen nicht möglich, so dass stromintensive Kompressionskälte zum Einsatz kommen muss. Um den Freikühlanteil auf bis zu 100 % zu erhöhen, wohlwissend dass die Sommer heißer werden, entstand die Idee, auf dem Firmengelände im Boden gespeicherte Kälte aus dem Winter im Sommer zu nutzen. Wir freuen uns sehr, das Projekt nun gemeinsam mit der Fraunhofer IEG an unserem Standort im Bochumer Technologie-Quartier umzusetzen.“

Umsetzung am Standort Bochum

Das auf vier Jahre angelegte Projekt „MissEllyDEMO“ folgt als Demonstrationsanlage mit digitalem Zwilling auf eine 2023 abgeschlossene Machbarkeitsstudie. Dieser Prototyp soll zeigen, wie die Dynamik von regenerativer, kostengünstiger aber volatiler Umweltkälte sinnvoll in einen realen ökonomischen Prozess integriert werden kann.

Dazu wird erstmals ein Feld an Erdwärmesonden als Speicher für eine Industrieanwendung mit permanentem Prozesskältebedarf genutzt. Das Erdsondenfeld wird im Durchschnitt 150 kW und in Spitzenzeiten bis zu 550 kW liefern, während die Speicherkapazität von 386 MWh bereits etwa 15 % des Gesamtbedarfs bei Voltavision ausmachen wird. Die Analyse der Kühlbedarfe von Voltavision zeigt deutlich, dass nicht der aufsummierte Jahreskühlbedarf, sondern die Spitzenlastzeiten im Sommer im Fokus stehen müssen. Für diese Zeit braucht es ein flexibles Kältereservoire im Untergrund, welches Kälteerzeugung und -verbrauch räumlich und zeitlich entkoppelt, um Spitzenlasten energieeffizient abdecken und Nennleistungen niedriger planen zu können.

Zur Umsetzung werden die 40 Sonden im Abstand von 5 bis 10 Metern bis zu 100 Meter tief verlegt. Eine Sole läuft als Betriebsmittel in den geschlossenen Rohrschleifen und gibt die abzuführende Prozesswärme an den Untergrund ab. Eine smarte und prädiktive Betriebssteuerung regelt dabei, wie die Sonden tagesaktuell verschaltet werden, ob parallel, seriell oder in bestimmten Zonen, um die optimale Wärmeübertragung beim vorausschauenden „Auf- und Entladen“ zu gewährleisten. „Durch die innovative Verschaltung der Erdsonden entsteht ein dynamisch auf thermische Lasten regelbares System mit einer maximalen Leistungs- sowie Energiespeicherungsfähigkeit. Hierin liegt ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal und gleichzeitig die Innovation des Speicherkonzepts,“ beschreibt Anja Hanßke, Leiterin des Competence Center Wärmenetze 4.0 von Fraunhofer IEG, welches das Projekt durchführt.

Simulationen zeigen, dass durch diese Speichertechnologie der Energiebedarf um 70 % bis 90 % im Vergleich zu traditionellen Systemen gesenkt werden kann. Bei einem Kälteleistungsbedarf von bis zu 420 kW im Jahresverlauf des zu versorgenden Gebäudekomplexes von Voltavision bedeutet dies ein hohes Einsparpotenzial an CO2-Emissionen wie auch Betriebskosten. Aus den Betriebserfahrungen des Demonstrators bei Voltavision ergeben sich dann auch die Entwicklungspfade für die Erweiterung auf andere Prozesse und weitere Anwender. Dazu erstellt Fraunhofer IEG auch einen digitalen Zwilling der Anlage, der an den Realdaten validiert wird und dann als Planungstool zur Betriebs- sowie grundlegenden Auslegungsoptimierung zur Verfügung steht.

 

*Das von Fraunhofer IEG koordinierte Teilvorhaben „Umsetzung und Optimierung eines geothermalen Kälteversorgungssystems“ im Projekt „MissEllyDEMO – Multivalent seasonal geothermal cold supply demonstartion monitoring evaluation and optimisation“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz über den Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH mit 2.091.004,94 Euro gefördert (Förderkennzeichen 03EN6044A). Das von Voltavision koordinierte Teilvorhaben (03EN6044B) „Umsetzung und Demonstration eines geothermalen Kälteversorgungssystems“ erhält 694.864,16 Euro. Beide Teilvorhaben ergänzen sich und dauern vier Jahre.

 

 

Ansprechpartner für Journalisten: Nadine Konstanty • nadine(at)konstant.de

 

PR KONSTANT ist die PR-Agentur von Voltavision.

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Voltavision VPZ Zellprüfstand

Battery Show Europe: Voltavision präsentiert erstmals neue Zellprüfstände in Regalanordnung mit Spannplatten-Temperierung sowie weitere Labore mit klimaneutraler Kältetechnik

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In diesem Monat trifft in Stuttgart wieder Innovationskraft auf Branchenexpertise. Vom 18. bis 20. Juni 2024 versammeln sich auf der Battery Show Europe erneut die führenden Köpfe der Batterie- und E-Mobility-Industrie. So präsentiert auch Voltavision, Pionier und etablierter Spezialist für Batterietests in der Entwicklungsphase, vor Ort neben seinem Testdienstleistungsportfolio eigens entwickelte Komponenten für Prüfstände rund um Lithium-Zell-Kontaktierung und Prüflingstemperierung. Zudem informiert das Bochumer Unternehmen über das erste Prüflabor mit klimaneutraler Kältetechnik, in der CO2 und Propan als Kältemittel verwendet werden. Während die EU-Vorgaben aus der „F-Gase-Verordnung“ den HFKW-Ausstieg bis 2030 vorsehen, ist es Voltavision schon jetzt gelungen, sie bei gleichbleibender Qualität und Zuverlässigkeit des Kälteprozesses komplett zu ersetzen.

 

Realitätsnahe Einzeltemperierung für höhere Effizienz und geringere Kosten im Zelltesting

In Halle 6, Stand E27, zeigen die Experten aus Bochum unter anderem erstmalig ihre neuen Zellprüfstände „VPZ“ mit denen auch größere Zell-Messaufbauten in separaten Prüfräumen über Spannplatten unabhängig voneinander temperiert und getestet werden. Das Konzept des Prüfstandes in Regalanordnung – statt großer Prüfkammer mit Umgebungskühlung für mehrere Prüflinge – ist bei Voltavision schon seit 2023 im Einsatz, die zweite Generation befindet sich aktuell im Aufbau. Auf der Stuttgarter Messe präsentiert Voltavision nun erstmalig das Konzept seiner neuen Zelltestergeneration mit 12 Fächern in einem System. Alle einzeln mit Anschlüssen für Lastleitung und Messequipment für Spannungs-, Temperatur-, Weg- und Kraftmessung versehen, lässt sich pro Fach ein Prüfling ganz einfach im Plug & Play-Verfahren anschließen und einzeln mit einem Wasser-Glykol-Gemisch temperieren. Damit bietet Voltavision realitätsnähere Zelltests gemäß der späteren Anwendung der Hochvolt-Batterien im E-Auto mit Flüssigkeitskühlung. Hierbei greift Voltavision auf Zentralkälte für den Kaltwasserkreislauf zurück und betreibt die Zellprüfstände mit Propan als Kältemittel, während der Warmwasserkreislauf mit Prozessabwärme der Stickstofferzeugungsanlage geheizt wird. Dieses Vorgehen führt zu einer hohen Energieeffizienz sowie CO2-Einsparung.

Zudem empfiehlt sich der „VPZ“ gerade dann, wenn Hersteller viele verschiedene Temperaturbereiche simulieren möchten. So bietet die Möglichkeit, pro Fach für jeden Prüfling ein eigenes Szenario zu testen, vielfältige Vorteile und minimiert das Ausfallrisiko im Havariefall, da lediglich der betroffene Prüfling ausfällt und keine weiteren Testreihen gefährdet werden. Nicht zuletzt ergeben sich weitreichende Flächen- und energetische Vorteile, so wird je nach Testszenario signifikant weniger Platz und Energie verbraucht, was wiederum den CO2-Fußabdruck sowie die Kosten reduziert.

Darüber hinaus zeigt Voltavision mit den Zellkontaktiersystemen ESR-45 für Rundzellen und ESF-45 für kleinere Pouchzellen Eigenentwicklungen, die einfaches Handling mit robuster Bauweise und enormer Anpassbarkeit bei gleichbleibend hoher Kontaktqualität kombinieren. Mit diesen Zellkontaktiersystemen bietet das Bochumer Unternehmen auch anderen Prüflaboren eine neue Lösung für den Einsatz unter höchsten labortechnischen Beanspruchungen und Testbedingungen zur schnellen und reproduzierbaren Kontaktierung von Zellen verschiedener Größen und Bauformen an.

 

Erstes Batterie-Prüflabor mit klimaneutraler Kältetechnik auf Basis natürlicher Kältemittel

Natürlich spielt auch das Thema Nachhaltigkeit auf der Battery Show, vor allem aber bei Voltavision, eine große Rolle. Mit mehreren Prüflaboren mit einer Gesamtlaborfläche von 4.600 Quadratmetern, 195 Prüfkammern und 2111 Testkanälen für Zellen, Module und Batterien zählt das Unternehmen zu den führenden Testdienstleistern für Batterien. Als Akteur beim Wandel zu klimafreundlicher Elektromobilität strebt Voltavision stets danach auch selbst schnellstmöglich klimaneutral zu arbeiten und hat das erste Prüflabor mit klimaneutraler Kältetechnik, in der CO2 und Propan als Kältemittel verwendet werden, in Betrieb genommen. Um in den Prüflaboren die wichtigen Tests zu den Produkteigenschaften bei tiefen Temperaturen bis zu -40 °C zuverlässig durchzuführen, nutzt Voltavision schon länger eigens entwickelte Temperiergeräte – Voltacooler – mit starker Leistung bei geringer Umweltbelastung. Nun haben Ingenieure eine Anlage für diese tiefen Temperaturen konstruiert, die auf CO2 als natürliches Kältemittel setzt. So erreicht die Gesamtanlage einen GWP-Wert (Global Warming Potential) unter 3 und einen ODP-Wert (Ozone Depletion Potential) von 0 – ist also im Gegensatz zu vielen anderen Kältemitteln auch für die Ozonschicht völlig unschädlich. In Stuttgart präsentieren die Bochumer ihr Konzept einer klimaneutralen Zentralkälteanlage für Batterie und neuerdings auch Zellen.

 

Ansprechpartner für Journalisten: Nadine Konstanty • nadine(at)konstant.de

 

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