Energieeffiziente Kälteerzeugung: Doppelter Effekt für den Klimaschutz

Technische Kälteerzeugung spielt bei der Erwärmung des Klimas eine zweifache Rolle. Zum einen nimmt der Bedarf an Kälte durch die ansteigenden Temperaturen zu ¹⁾. Dies hat einen steigenden Ausstoß klimaschädlicher Emissionen zur Folge, solange der Strom-Mix durch den Einsatz fossiler Brennstoffe geprägt ist. Außerdem besitzen die heute häufig als Kältemittel verwendeten synthetischen F-Gase (FKW/HFKW) beträchtliches Treibhaus-Potenzial (Global Warming Potential/GWP) und sorgen durch Leckagen sowie unzureichende Entsorgung und Aufbereitung zusätzlich für THG-Emissionen.

Im Jahr 2017 entfielen 14 % des Gesamtstromverbrauchs in Deutschland allein auf die Kälteerzeugung der etwa 144 Millionen im Einsatz befindlichen Kältesysteme. Während der Energiebedarf zwischen 2009 und 2017 trotz einer steigenden Anzahl von Kühlgeräten (Kühl- und Gefrierschränke, usw.) dank großer Effizienzsteigerungen um beinahe 30 % sank, nahm im selben Zeitraum der Energiebedarf der industriellen Kälteerzeugung um 25 % zu [1].

Dabei können Maßnahmen, die sich im Bereich der Haushaltskälte als erfolgreich erwiesen haben, auch in Industriebetrieben angewandt werden. Beispiele zeigen: Ein optimierter Betrieb, die Drehzahlregelung und Dämmung sowie die Nachrüstung von Bestandsanlagen oder die Anwendung neuer Technologien bei der Installation von Neuanlagen führen zu einer Senkung des Strombedarfs um teilweise mehr als 50 %.

Wichtige Stellschraube: das Kältemittel

Großen Einfluss hat das verwendete Kältemittel: Das GWP von F-Gasen, die heute häufig als Kältemittel eingesetzt werden, ist tausend- bis zehntausendmal höher als das von CO₂ in der Atmosphäre. Aus diesem Grund hat die Politik eine schrittweise Beschränkung dieser Kältemittel über die F-Gase-Verordnung geregelt (Phase Down). Bis zum Jahr 2030 soll demnach die in der Europäischen Union am Markt verfügbare Menge von F-Gasen auf ein Fünftel des heutigen Niveaus reduziert werden.

Inzwischen existieren verschiedene Alternativen zu synthetischen Kältemitteln. Dazu gehören natürliche und klimaschonende Kältemittel wie CO₂, Ammo­niak, Propan und Wasser. Auch Abwärme kann zur Kälteerzeugung in sogenannten Sorptionsanlagen genutzt werden. Sind Abwärmequellen vorhanden, stellen diese einen besonders energieeffizienten Ansatz dar. Durch vergleichsweise moderate Außentemperaturen in Deutschland bietet sich hier auch die temporäre Nutzung der Freien Kühlung an. Bei dieser Technik wird die Umgebungstemperatur der Außenluft direkt für die Kühlung verwendet und die Kältemaschine nur bei höheren Außentemperaturen zugeschaltet.

Der erste Schritt zur besseren Energieeffizienz: Erfassen und Auswerten

Um den Betrieb einer Bestandsanlage zu optimieren, ist zunächst eine Analyse des Kältesystems notwendig. Meist kann allein durch die Überprüfung von Kältebedarf und Kälteleistung eine Einsparung erzielt werden. Zur genaueren Einschätzung der Wirtschaftlichkeit der Bestandsanlage lohnt sich außerdem ein kontinuierliches Monitoring. Hierfür werden Messwerte unter anderem für Temperatur, Druck und Energie- beziehungsweise Stromverbrauch aufgenommen und in Energiekennzahlen umgerechnet, was die Bewertung der Energieeffizienz ermöglicht. Auf dieser Basis können Maßnahmen zur Effizienzsteigerung der Anlage abgeleitet werden. Im Vergleich mit anderen, ähnlichen Anlagen ermöglichen Energiekennzahlen außerdem ein Benchmarking der eigenen Anlage. Das Monitoring sorgt ferner für Transparenz, etwa indem es Leckagen und Lastspitzen erkennt sowie die Bewertung der saisonalen Auslastung ermöglicht.

Auf diese Weise lassen sich auch nachträgliche Optimierungspotenziale identifizieren, beispielsweise bei der bedarfsgerechten Regelung von Verdichtern und Verflüssiger-Ventilatoren durch Frequenzumrichter oder durch den Einsatz von elektrisch statt mechanisch geregelter Ventile [1; 2] (Tabelle).

Best Practice: Beispiele erfolgreicher Energieeinsparung bei der Kälteerzeugung

Die folgenden Praxisbeispiele verdeutlichen die großen Einsparpotenziale bei der industriellen Kälteerzeugung ²⁾. So optimierte der Folienhersteller Rehau sein Kältesystem, indem er zunächst ein Energiemanagementsystem einführte. Daraufhin installierte die Firma ein neues Kühlsystem, das unter anderem wassergekühlte Verdichter sowie Freikühler auf dem Dach umfasst. 40 % der insgesamt erforderlichen Kälte können insbesondere im Winter über die Freie Kühlung, ohne Einsatz von Kompressionskälte gedeckt werden. Insgesamt kann Rehau so 82 % des Strombedarfs für die Kälteerzeugung einsparen.

Bei der Ostsee-Zeitung ermöglichte die Analyse thermischer und elektrischer Lastmessungen während des Druckprozesses ebenfalls das Erstellen eines alternativen Kühlkonzepts. Auch für den Verlag erwies sich das Prinzip der Freien Kühlung als erfolgsversprechend: der Stromverbrauch für die Kälteerzeugung wurde um 85 % gesenkt.

Das Unternehmen Gebrüder Schwarz aus der Kunststoff- und Werkzeugtechnik nutzt statt eines Fluorkohlenwasserstoffs (R134a, GWP = 1.430) Wasser als Kältemittel. Allein dieser Wechsel bewirkt eine Einsparung von 59,5 t CO₂-Äquivalenten/a. Außerdem wurden weitere Maßnahmen getroffen: Der Rückkühler wurde näher am Verbraucher installiert und die Kälteerzeugung erfolgt nun saisonal mit Freier Kühlung. Kombiniert ermöglichen diese Maßnahmen Energieeinsparungen von etwa 300 MWh/a.

Die Stadt Rosenheim nutzt Abwärme aus einem Müllheizkraftwerk per Fernwärme in Verbindung mit einer Absorptionskältemaschine und einem adiabaten Rückkühlwerk zur Gebäudeklimatisierung eines ganzen Quartiers. Derartige Lösungen lassen sich ebenfalls für Betriebe mit Abwärmepotenzial und Kältebedarf einsetzen.

Einsparung von 75 Prozent des Strombedarfs für die Kälteerzeugung

Das Duoplast-Werk in Sünna stellt jährlich etwa 20 000 t Blasfolie her. Der Produktionsprozess beinhaltet die Kühlung verschiedener Temperaturniveaus mit unterschiedlichen Kältemitteln. Der Strombedarf zur Kühlung belief sich vor den Maßnahmen auf 11 000 MWh/a, dies entsprach 10 % des gesamten Energieverbrauchs. Im Rahmen des Projekts „Leuchttürme CO₂-Einsparung in der Industrie“ der dena wurden Maßnahmen zur Senkung des Stromverbrauchs sowie ein Wechsel der Kältemittel (zu Propan) durchgeführt.

Hierzu wurden ein Kalt- sowie ein Kühlwasserkreislauf installiert. Zum Einsatz kommen hocheffiziente Kältemaschinen sowie ein Freikühler, über den bei ausreichend geringer Außentemperatur der komplette Kältebedarf gedeckt werden kann. Um Verluste über die Verrohrung zu verringern, wurden außerdem Dämmmaßnahmen durchgeführt und der Rohrquerschnitt vergrößert. Diese Maßnahmen ermöglichen Einsparungen von 1 350 MWh Strom pro Jahr beziehungsweise 575 t CO₂/a. Das entspricht einer Einsparung von 75 % des Strombedarfs für die Kälteerzeugung ³⁾.

Hofmann & Vratny ist ein mittelständischer Hersteller von Vollhartmetall-Fräsern. Das Unternehmen fertigt am Standort Aßling in Bayern mit rund 130 Mitarbeitenden über zwei Millionen Fräser pro Jahr. Mit dem Ziel, Nachhaltigkeit und Innovationen in der Branche voranzutreiben, setzte Hofmann & Vratny im neuen Werk in Aßling Maßnahmen zur fossilfreien und effizienten Kälteversorgung um. Vor den Maßnahmen betrug der Energieverbrauch für die Kälteerzeugung 3 370 MWh/a.

Als Energieeffizienzmaßnahme wurde ein Gebäude vollständig gedämmt und die Installation einer energieeffizienten Absorptionskältemaschine zur Nutzung der Druckluft-Abwärme für die Gebäudeklimatisierung der Werke realisiert. Zusätzlich wurden ein Freikühler sowie Kälte- und Wärmespeicher installiert. Diese Maßnahmen ermöglichten Einsparungen von 370 MWh/a (11 % des Energieverbrauchs) sowie 107 t CO₂/a. Das entspricht einer Senkung der jährlichen Energiekosten von 26 000 €. Für ihr Engagement wurde Hofmann & Vratny 2020 mit dem Energy Efficiency Award der dena ausgezeichnet.

Fördermöglichkeiten

Für die Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen bei Kältesystemen können beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa) Zuschüsse beantragt werden. Die genaue Förderhöhe kann durch den Förderrechner ⁴⁾ kalkuliert werden. Sie ist auf maximal 50 % der förderfähigen Ausgaben sowie höchsten 150 000 € beschränkt [3].

Daneben kann auch Modul 4 der Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) genutzt werden. Bei KMU werden bis zu 40 % der förderfähigen Investitionskosten – maximal jedoch 15 Mio. € – übernommen. Die maximale Förderung beträgt bis zu 900 € pro jährlich ein­gesparter Tonne CO₂ ⁵⁾. 

Interview: „Wesentlich ist die Ausschöpfung der Potenziale einer kombinierten Erzeugung von Kälte und Wärme“

Frau Jacobi, wie sollten Unternehmen vorgehen, um Energieeinsparpotenziale für ein bestehendes Kältesystem zu erschließen?

Am besten beginnt man mit einer Analyse der Prozesskette, angefangen beim Verbraucher und dem Hinterfragen der tatsächlichen Bedarfsanforderungen unter Beachtung perspektivischer Entwicklungen. Wir beziehen dabei immer das Gesamtsystem in die Bewertung mit ein. Durch ein Monitoring auf Basis geeigneter Messungen und Effizienzauswertungen decken wir ebenfalls Einsparpotenziale auf.

Welche Maßnahmen versprechen besonders hohe Einsparungen?

Besonders hoch sind die Einsparungen, wenn man die Kondensationstemperaturen minimiert und die Verdampfungstemperaturen der Kältemaschine durch bedarfsgerechte Temperaturwahl maximiert. Weitere erhebliche Einsparpotenziale lassen sich durch die Minimierung der Grädigkeiten erzielen. Durch eine weitgehende Nutzung der Freien Kühlung lässt sich der Stromeinsatz der Kälteerzeugung erheblich reduzieren. Nicht zuletzt sind eine geeignete Regelung und hydraulische Verschaltung der Verbraucher die Grundvoraussetzung für ein effizient arbeitendes System und durchaus noch nicht überall selbstverständlich.

Welche Technologien bei der Installa­tion von Neuanlagen würden sie als zukunftsweisend einordnen?

Die gewählte Kälteerzeugungstechnik hängt von den Systemanforderungen ab. Als wesentlich sehe ich die Ausschöpfung der Potenziale einer kombinierten Erzeugung von Kälte und Wärme durch Wärmepumpen beziehungsweise Add-on-Wärmepumpen an. Die Abwärme der Kälteanlage, die konventionell wegen der geringen Temperatur ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, kann in vielen Fällen zum Beheizen von Prozessen, Gebäuden oder zur Heißwasserbereitung dienen. Das reduziert den Ressourcenverbrauch und trägt zur Dekarbonisierung bei.

Frau Jacobi, vielen Dank für das Gespräch.

¹⁾ Die letzten sieben Jahre waren die wärmsten Jahre seit Beginn der Wetteraufzeichnungen. In Deutschland steigt die Temperatur sogar überdurchschnittlich stark an: weltweit wurde ein Temperaturanstieg von 1,1 °C verzeichnet, während die Temperaturen in Deutschland bereits 1,6 °C höher sind als im Referenzzeitraum 1960 bis 1990. Hitze fordert außerdem hierzulande die meisten Toten durch Natur­katastrophen (93 %).

²⁾ Die dena identifiziert in verschiedenen Projekten erfolgreiche Beispiele für Energieeffizienz in der Industrie: www.energyefficiency-award.de; www.CO2-leuchttuerme-industrie.de

3) https://www.co2-leuchttuerme-industrie.de/leuchtturmprojekte/leuchtturm-projekt-der-duo-plast-ag

4) https://www.klimaschutz.de/de/foerderrechner

⁵⁾ Erläuterungen zu Möglichkeiten der Förderungen sind auch unter https://www.co2-leucht­tuerme-industrie.de/foerderungen/ zu finden.

Literatur

1. Forschungsrat Kältetechnik e. V.: Klimaschutzbeitrag von Kälte- und Klimaanlagen, Verbesserung der Energieeffizienz, Verminderung von treibhausrelevanten Emissionen, Frankfurt, Juni 2008.
2. Korn, D.: Effizienter Betrieb von Kälteanlagen. Berlin, Offenbach: VDE Verlag GmbH, 2014. ISBN: 978-3-8007-3593-8.
3. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit: Richtlinie zur Förderung von Kälte- und Klimaanlagen mit nicht-halogenierten Kältemitteln in stationären und Fahrzeug-Anwendungen im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative (Kälte-Klima-Richtlinie). 27. August 2020, https://www.bundesanzeiger.de/pub/de/amtliche-veroeffentlichung?1, zuletzt abgerufen am 21.6.2022.