ETS – CO2 Refrigeration system with integrated energy-transfer-system

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502435
• Titre du projet anglais: ETS – CO2 Refrigeration system with integrated energy-transfer-system

Description succincte (Allemand)

Die Kälteanlage der Prodega Dietikon wird mit allen dazugehörigen Installationen nach 15 Jahren ersetzt. Bei der neuen Anlage wird komplett auf das natürliche Kältemittel CO2 gesetzt. Neben bekannten, effizienzsteigernden Massnahmen wie Ejektoren und Parallelkompression, wird bei dieser Anlage eine für diesen Bereich komplett neue Technologie eingesetzt. Mithilfe eines Energie-Transfer-Systems (ETS) wird die hochwertige Abwärme der Kälteanlage genutzt, um neben dem Kälteprozess einen zusätzlichen Kühleffekt zu erzielen. Bemerkenswert ist dabei, dass beide Kreisläufe miteinander verbunden sind und mit demselben Arbeitsmittel CO2 betrieben werden. Der im ETS erzielte Kühleffekt kann genutzt werden, um den Kältekreis zu unterkühlen und so dessen Effizienz zu steigern. Es wurde berechnet, dass eine Einsparung des Strombedarfs von 8% resultiert. Das Demonstrationsprojekt soll wichtige Erkenntnisse liefern und dazu beitragen, dass diese Technologie rasch die Marktreife erlangt.

Description succincte (Anglais)

The refrigeration system at Prodega Dietikon is being replaced with all the associated installations after 15 years. The new system will be completely based on the natural refrigerant CO2. In addition to wellknown efficiency-enhancing measures such as ejectors and parallel compression, this system uses a completely new technology for this sector. With the aid of an energy transfer system (ETS), the highquality waste heat from the refrigeration plant is used to achieve an additional cooling effect in addition to the refrigeration process. It is noteworthy, that both cycles are connected to each other and areoperated with the same working fluid CO2. The cooling effect generated in the ETS can be used to subcool the refrigeration cycle and thus increase its efficiency. It has been calculated that a saving in electricity demand of 8% results. The demonstration project is expected to provide important findingsand help this technology to quickly reach market maturity.

Description succincte (Français)

L'installation frigorifique de Prodega Dietikon et toutes ses installations seront remplacées après 15 ans. La nouvelle installation est entièrement basée sur le CO2, un réfrigérant naturel. Outre les mesures connues d'amélioration de l'efficacité telles que les éjecteurs et la compression parallèle, cette installation fait appel à une technologie entièrement nouvelle dans ce domaine. À l'aide d'un système de transfert d'énergie (ETS), la chaleur résiduelle de haute qualité de l'installation frigorifique est utilisée pour obtenir un effet de refroidissement supplémentaire en plus du processus de réfrigération. Ce qui est remarquable, c'est que les deux circuits sont reliés entre eux et fonctionnent avec le même fluide de travail, le CO2. L'effet de refroidissement obtenu dans l'ETS peut être utilisé pour sous-refroidir le circuit de réfrigération et augmenter ainsi son efficacité. Il a été calculé qu'il en résulterait une économie de 8% sur la consommation d'électricité. Le projet de démonstration devrait fournir des informations importantes et contribuer à ce que cette technologie atteigne rapidement le stade de la commercialisation.

Rapport final (Allemand)

Im Rahmen eines Pilot- und Demonstrationsprojekts des Bundesamts für Energie (BFE) wurde ein neu entwickeltes Energie-Transfer-System (ETS) in die CO2-Kälteanlage des Prodega-Markts in Dietikon integriert. Das ETS wurde eigens für diese Anwendung konzipiert, gefertigt und im Zuge einer Anlagen-modernisierung vor Ort in die neue CO2-Kälteanlage eingebunden. Nach Abschluss der Installation gingen die Kälteanlage und das ETS im Herbst 2022 in Betrieb. Das ETS reduziert das Temperatur-Niveau der Abwärme der CO2-Kälteanlage und wandelt diese Reduktion über einen Rankine-Kreisprozess in zusätzliche Kälteleistung um. Dadurch wird die Kälteanlage entlastet, Exergieverluste werden reduziert und der Stromverbrauch des Gesamtsystems gesenkt. Anhand dieser ersten Feldanlage konnte gezeigt werden, dass die Integration eines ETS in eine CO2-Kälteanlage technisch machbar ist und das System grundsätzlich funktioniert. Es gelang, die hochwertige Abwärme der CO2-Kälteanlage zu nutzen, bevor diese auf einem tieferen Temperatur-Niveau an die Gebäudeheizung oder die Aussenluft abgegeben wurde. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor dabei war der Nachweis, dass das Temperatur-Niveau der Abwärme auch nach Durchlauf des ETS noch hoch genug für die Beheizung des Gebäudes ist. Somit kann das ETS wie prognostiziert, auch im Winterhalbjahr während der Heizperiode, durchgehend betrieben werden und währenddessen zu einem effizienteren Betrieb vom Gesamt-System beitragen. Darüber hinaus lässt sich daraus ableiten, dass das Konzept des ETS auch in Kombination mit CO2-Wärmepumpen zu einem effizienteren Gesamt-System beitragen kann, was einen positiven Einfluss auf die Anwendungsfälle dieser Technologie hat. Nach rund 4 000 Betriebsstunden zeichnete sich ab, dass die eingesetzte Plunger-Pumpe offener Bau-art relevante Leckagen aufwies und erstmals revidiert werden musste. Die bis dahin gewonnenen, positiven Betriebserfahrungen mit dem ETS führten dazu, dass ein Pumpenhersteller gewonnen werden konnte, eine halbhermetische Radial-Pumpe speziell für die ETS-Anwendung zu entwickeln. Das Be-sondere an dieser Pumpe ist ihre saugseitige Druckbeständigkeit von 130 bar(a), die eine leicht veränderte Einbindung in das ETS ermöglicht. Seit Herbst 2024 ist die neu-entwickelte Radial-Pumpe in einem Folgeprojekt, ausserhalb des ursprünglichen P&D-Projektumfangs, erfolgreich im Einsatz. Die bisherigen Betriebserfahrungen mit der angepassten Systemkonfiguration sind vielversprechend. Die zu Projektbeginn erwartete Effizienzsteigerung von 8 %, bezogen auf ein Betriebsjahr mit Plunger-Pumpe, konnte mit dem neuen Konzept der Radial-Pumpe übertroffen werden. Unter Berücksichtigung der energetisch relevanten Faktoren ergibt sich eine Netto-Effizienzsteigerung von 9 bis 11 %, inklusive des Strombedarfs der Pumpe. Zusätzlich bietet das Konzept mit der Radial-Pumpe weitere Vorteile in Bezug auf reduzierte Pulsationen, geringere Geräuschemissionen sowie eine vereinfachte Systemintegration. Daher liegt der Schwerpunkt der aktuellen Auswertung auf dem Folgeprojekt mit Radial-Pumpe. Basierend auf aktuellem Kenntnisstand, ist davon auszugehen, dass bei CO2-Kälteanlagen oder CO2-Wärmepumpen mit Nennkälteleistungen grösser 250 bis 300 kWt ein sinnvolles Kosten-Nut-zen-Verhältnis vom Gesamtsystem resultiert.

Documents annexés

• Schlussbericht_deutsch [PDF] 2'224 kB

Rapport final (Anglais)

As part of a pilot and demonstration project by the Swiss Federal Office of Energy (SFOE), a newly developed Energy Transfer System (ETS) was integrated into the CO2 refrigeration system of the Pro-dega store in Dietikon. The ETS was specifically designed and manufactured for this application and incorporated into the new CO2 refrigeration system on site during a system modernization. After instal-lation was completed, the refrigeration system and the ETS were commissioned in autumn 2022. The ETS lowers the temperature level of the waste heat from the CO2 refrigeration system and converts this reduction into additional cooling capacity via a Rankine cycle. This relieves the refrigeration system, reduces exergy losses, and decreases the overall power consumption of the system. This first field installation demonstrated that integrating an ETS into a CO2 refrigeration system is tech-nically feasible and that the system functions as intended. It was possible to utilize the high-quality waste heat from the CO2 refrigeration system before it was released at a lower temperature level to the building heating system or the outdoor air. A key success factor was the demonstration that the temperature level of the waste heat, even after passing through the ETS, remained sufficiently high to heat the build-ing. This means that the ETS can, as predicted, be operated continuously during the winter heating season and contribute to a more efficient operation of the overall system. Furthermore, this shows that the ETS concept can also improve overall system efficiency when combined with CO2 heat pumps, thereby positively influencing the potential applications of this technology. After around 4 000 operating hours, it became apparent that the open design plunger pump used exhib-ited significant leakage and required its first overhaul. The positive operational experience with the ETS up to that point made it possible to engage a pump manufacturer to develop a semi hermetic radial pump specifically for the ETS application. The special feature of this pump is its suction side pressure resistance of 130 bar(a), which enables a slightly modified integration into the ETS. Since autumn 2024, the newly developed radial pump has been in successful operation in a follow up project outside the original P&D project scope. The operational experience gained so far with the adapted system configu-ration is promising. The efficiency increase of 8% expected at the beginning of the project—based on one year of operation with the plunger pump—was exceeded with the new radial pump concept. Taking into account the en-ergy relevant factors, the net efficiency increase amounts to 9 to 11%, including the pump’s power con-sumption. Additionally, the radial pump concept offers further advantages such as reduced pulsations, lower noise emissions, and simplified system integration. Therefore, the current evaluation focuses on the follow up project with the radial pump. Based on current knowledge, CO2 refrigeration systems or CO2 heat pumps with nominal cooling capacities above 250 to 300 kWt are expected to achieve a meaningful cost benefit ratio for the overall system.

Rapport final (Français)

Dans le cadre d’un projet pilote et de démonstration de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN), un système de transfert d’énergie (ETS) nouvellement développé a été intégré dans l’installation frigorifique au CO2 du magasin Prodega à Dietikon. L’ETS a été spécialement conçu et fabriqué pour cette application, puis intégré sur site dans la nouvelle installation au CO2 lors d’une modernisation. Une fois l’installation terminée, le système frigorifique et l’ETS ont été mis en service à l’automne 2022. L’ETS abaisse le niveau de température de la chaleur résiduelle de l’installation frigorifique au CO2 et convertit cette réduction en puissance frigorifique supplémentaire via un cycle de Rankine. Cela permet de soulager l’installation frigorifique, de réduire les pertes d’exergie et de diminuer la consommation électrique totale du système. Cette première installation sur le terrain a démontré que l’intégration d’un ETS dans une installation frigorifique au CO2 est techniquement réalisable et que le système fonctionne comme prévu. Il a été possible d’utiliser la chaleur résiduelle de haute qualité du système au CO2 avant qu’elle ne soit transférée à un niveau de température plus bas au chauffage du bâtiment ou à l’air extérieur. Un facteur clé de réussite a été la démonstration que la température de la chaleur résiduelle, même après passage dans l’ETS, restait suffisamment élevée pour le chauffage du bâtiment. L’ETS peut donc être exploité en continu pendant la période de chauffage hivernale et contribuer à un fonctionnement plus efficace du système global. Par ailleurs, cela montre que le concept ETS peut également améliorer l’efficacité globale lorsqu’il est combiné avec des pompes à chaleur au CO2, ce qui élargit les possibilités d’application de cette technologie. Après environ 4 000 heures de fonctionnement, il est apparu que la pompe à plongeur utilisée, de con-ception ouverte, présentait des fuites importantes et nécessitait une première révision. Les expériences positives accumulées avec l’ETS ont permis de convaincre un fabricant de développer une pompe radiale semi hermétique spécialement destinée à l’application ETS. Cette pompe se distingue par sa résistance à la pression côté aspiration de 130 bar(a), permettant une intégration légèrement modifiée dans l’ETS. Depuis l’automne 2024, cette nouvelle pompe radiale est utilisée avec succès dans un projet de suivi, en dehors du cadre initial du projet P&D. Les expériences d’exploitation recueillies jusqu’à présent avec la configuration adaptée sont prometteuses. Le gain d’efficacité initialement attendu de 8 % pour une année de fonctionnement avec la pompe à plongeur a été dépassé grâce au nouveau concept de pompe radiale. En incluant tous les facteurs énergétiques pertinents, le gain net d’efficacité atteint 9 à 11 %, consommation électrique de la pompe comprise. De plus, la pompe radiale offre des avantages supplémentaires tels que la réduction des pulsations, une diminution des émissions sonores et une intégration simplifiée. C’est pourquoi l’évaluation actuelle se concentre sur le projet de suivi équipé de la pompe radiale. Selon l’état actuel des connaissances, les installations frigorifiques ou pompes à chaleur au CO2 d’une puissance frigorifique nominale supérieure à 250 à 300 kWt présentent un rapport coût bénéfice avantageux pour le système global.