REFERENZPROJEKT · BACKWARENPRODUKTION
CERN, wo Standardlösungen an ihre Grenzen stoßen
Die Kühlung der CERN-Detektoren ATLAS und CMS stellt außergewöhnliche Anforderungen an Temperaturstabilität, Verfügbarkeit und Betriebssicherheit. Die zentrale Aufgabe bestand darin, die besonderen Betriebsbedingungen in ein beherschbares Anlagenkonzept zu übersetzen. Mit 18 maßgeschneiderten CO2-Kälteanlagen wurde ein modulares Anlagenkonzept entwickelt.
ENDKUNDE
CERN
STANDORT
Meyrin bei Genf, Schweiz
ANLAGENKONZEPT
18 modulare CO2-Kälteanlagen
KÄLTEMITTEL
R744 / CO2
GESAMTKÄLTELEISTUNG
rund 1,35 MW
AUSGANGSLAGE UND HERAUSFORDERUNG
Kühlung für die nächste Generation der Teilchenforschung
ATLAS und CMS gehören zu den größten Detektoren am Large Hadron Collider des CERN. Für die nächste Betriebsphase des Teilchenbeschleunigers werden beide Detektoren umfassend modernisiert.
Die höhere Leistungsfähigkeit stellt zugleich neue Anforderungen an ihre Kälteversorgung. Die empfindliche Messtechnik muss dauerhaft bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden, um sie vor den Auswirkungen der Strahlung zu schützen. Gleichzeitig darf die Temperatur nur minimal schwanken. Gefordert ist deshalb ein Kühlsystem, das Temperaturen unter −50 °C zuverlässig bereitstellt und auch unter wechselnden Betriebsbedingungen stabil arbeitet.
Eine marktübliche Standardanlage konnte diese Anforderungen nicht erfüllen. Neben der tiefen Verdampfungstemperatur mussten große Leitungslängen, ein Höhenunterschied von rund 90 Metern sowie hohe Anforderungen an Redundanz und Verfügbarkeit berücksichtigt werden. CERN entschied sich deshalb für eine schrittweise Entwicklung mit Testsystemen, Prototypen und einem modularen Anlagenkonzept.
TECHNISCHE ANFORDERUNGEN
Kältetechnik an den Grenzen des Machbaren
Verdampfung nahe am Tripelpunkt
Die Anlagen arbeiten mit einer Verdampfungstemperatur von −53 °C und damit nahe am Tripelpunkt von CO2. In diesem Betriebsbereich kommt es auf eine besonders präzise Druck- und Temperaturregelung an. Fehlfunktionen könnten zu einer Verfestigung des Kältemittels und damit zu erheblichen Schäden am System führen.
90 Meter Höhenunterschied
Zwischen Verdichtern und Verdampfern liegt ein Höhenunterschied von rund 90 Metern. Hinzu kommen mehrere hundert Meter Rohrleitungen zwischen den überirdisch installierten Kälteanlagen und den unterirdischen Detektoren. Das stellt insbesondere das Ölmanagement und die sichere Rückführung des Kältemittels vor große Herausforderungen.
Temperaturstabilität von ±1 °C
Die Detektoren benötigen definierte und dauerhaft stabile Temperaturbedingungen. Die Kälteanlagen müssen deshalb auch bei wechselnden Lasten eine Temperaturstabilität von ±1 °C gewährleisten.
Hohe Verfügbarkeit im Dauerbetrieb
Eine längerfristige Unterbrechung der Kälteversorgung könnte die Detektoren beschädigen. Redundanz, Modularität und ein kontrolliertes Betriebsverhalten in unterschiedlichen Lastzuständen gehörten daher zu den zentralen Anforderungen des Projekts.
REALISIERTE LÖSUNG
18 modulare CO₂-Kälteanlagen mit rund 1,35 MW Gesamtleistung
Für die Detektoren ATLAS und CMS wurden insgesamt 18 maßgeschneiderte transkritische CO₂-Boosteranlagen realisiert. Elf Anlagen sind für CMS und sieben für ATLAS vorgesehen. Gemeinsam stellen sie eine Gesamtkälteleistung von rund 1,35 MW bereit. Jede Anlage arbeitet mit zwei Verdichtern in der Tiefkühlstufe und einem Verdichter in der Hochdruckstufe. Insgesamt kommen mehr als 50 halbhermetische Hubkolbenverdichter von BITZER zum Einsatz.
Um unterschiedliche Lastzustände sicher abzudecken und gleichzeitig die erforderliche Redundanz bereitzustellen, wurde ein modulares Anlagenkonzept umgesetzt. Einzelne Anlagen können abhängig vom tatsächlichen Kältebedarf zu- oder abgeschaltet werden. Dadurch lässt sich die Kälteversorgung flexibel an die Betriebsbedingungen der Detektoren anpassen. Zahlreiche Bypässe und eine dreistufige Abscheidung unterstützen die Druck-, Temperatur- und Ölregelung. Dadurch kann das System auch bei Teillast stabil betrieben und flexibel an den jeweiligen Kühlbedarf der Detektoren angepasst werden.
Die Wärmeabgabe erfolgt abhängig von den Betriebsbedingungen über Wasser oder Luft. Zugleich schafft das System die technischen Voraussetzungen, um künftig Wärme aus dem Kälteprozess zurückzugewinnen.
DER BEITRAG VON COMPACT
Von der Lösungsfindung bis zur Inbetriebnahme
Die Zusammenarbeit begann im Rahmen eines Testsystems, das 2023 gemeinsam mit InfraSolution geliefert wurde. Die hier gewonnenen Erfahrungen bildeten eine wichtige Grundlage für die Ausführung des späteren Gesamtsystems.
Im engen Austausch mit CERN, InfraSolution und BITZER wirkte compact an der Planung und technischen Auslegung des Anlagenkonzepts mit. Dazu gehörten die Konstruktion und Fertigung der Kälteanlagen, ihre Lieferung sowie die technische Unterstützung bei Integration und Inbetriebnahme.
Durch die enge technische Abstimmung zwischen allen Projektpartnern entstand eine Lösung, die gezielt auf die Anforderungen der beiden Detektoren zugeschnitten ist.
NATÜRLICHES KÄLTEMITTEL R744
Darum setzt CERN bei ATLAS und CMS auf das natürliche Kältemittel CO₂
Mit R744 setzt CERN auf ein natürliches Kältemittel, das hohe Anforderungen an Sicherheit, langfristige Verfügbarkeit und regulatorische Zukunftsfähigkeit erfüllt. Gleichzeitig ermöglicht CO₂ die Umsetzung leistungsfähiger Kälteanlagen für anspruchsvolle Anwendungen im Tiefkühlbereich. Das natürliche Kältemittel erfüllt damit wichtige Anforderungen an eine langfristig nutzbare Kälteversorgung. Nach Bewertung der technischen, sicherheitsbezogenen und ökologischen Anforderungen entschied sich CERN für eine vollständig CO₂-basierte Lösung für die Kühlsysteme von ATLAS und CMS.
Durch den Umstieg auf CO₂ soll der Einsatz von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial deutlich reduziert werden. Für den künftigen Betrieb wird eine Vermeidung von bis zu 40.000 Tonnen CO₂-Äquivalenten pro Jahr erwartet. Die tatsächliche Einsparung wird sich nach Aufnahme des regulären Betriebs der modernisierten Detektoren bewerten lassen.
Vorteile des Anlagenkonzepts
PROJEKTDOKUMENTATION
Wie eine Kältelösung entsteht, die es so noch nicht gab
CO₂-Kältetechnik für ATLAS und CMS: In der Dokumentation berichten die beteiligten Experten über die Entwicklung und Umsetzung des Kühlsystems.
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Mehr InformationenDie Dokumentation Vertreter von CERN, InfraSolution, BITZER, compact, der NTNU in Trondheim und EKAnalys geben Einblicke in die technischen Anforderungen, die Wahl von CO₂ als Kältemittel und die Zusammenarbeit im Projekt.
ERGEBNISSE
Erfolgreicher Projektabschluss
CERN bewertet die durch InfraSolution und die beteiligten Partner ausgeführten Arbeiten positiv. Nach Aussage des CERN-Projektleiters wurden die wesentlichen Projektmeilensteine eingehalten und ein hoher Qualitätsstandard des Gesamtsystems erreicht.
ZUSAMMENARBEIT IM PROJEKT
Engineering im direkten Austausch
Die Dimension und die technischen Anforderungen des Projekts erforderten eine enge Abstimmung zwischen allen Beteiligten. CERN verantwortete die Prozessauslegung sowie die elektrische Auslegung und die Steuerungslogik.
Testsysteme, technische Prüfungen und Factory Acceptance Tests ermöglichten es, das Konzept schrittweise zu validieren. Die offene Kommunikation zwischen den Partnern und der direkte fachliche Austausch waren entscheidend, um auftretende Herausforderungen gemeinsam zu lösen.
Projektbeteiligte
• CERN
• InfraSolution AG
• BITZER Kühlmaschinenbau GmbH
• compact Kältetechnik GmbH
• weitere spezialisierte Partner für Montage, Schweißarbeiten, Elektroinstallation und Isolierung
AUSBLICK
Natürliche Kältemittel für anspruchsvolle Anwendungen
Das Projekt zeigt, dass sich natürliche Kältemittel auch unter außergewöhnlichen technischen Bedingungen erfolgreich einsetzen lassen, wenn Anlagenkonzept, Regelungstechnik und Prozessanforderungen konsequent aufeinander abgestimmt werden. Für Betreiber industrieller Kälteanlagen bedeutet das: Auch hohe Leistungen, tiefe Temperaturen und anspruchsvolle Verfügbarkeitsanforderungen schließen den Einsatz natürlicher Kältemittel nicht grundsätzlich aus. Entscheidend ist eine Auslegung, die sich an der konkreten Anwendung orientiert. Genau dieser anwendungsbezogene Engineering-Ansatz bildet die Grundlage der Projektarbeit von compact Kältetechnik.
IHR ANSPRECHPARTNER
Ihr Ansprechpartner für das Projekt
Bei Fragen zu dieser Anlage oder ähnlichen Projekten steht Ihnen unser Team gerne zur Verfügung – von der ersten Planung bis zur Inbetriebnahme.
Erzählen Sie uns von Ihrem Vorhaben.
Jedes Projekt beginnt mit einer Anforderung, einer Idee oder mit einem klaren Ziel. Erzählen Sie uns, woran Sie arbeiten. Gemeinsam schauen wir, welche Kältelösung zu Ihrer Anwendung passt.
FAQ
Häufige Fragen
Hier finden Sie Antworten auf die häufigsten Fragen rund um diese Anlage und ähnliche Lösungen.
