Ausgangslage: Kältebedarf in Deutschland
Etwa 15 Prozent der in Deutschland verbrauchten elektrischen Energie werden für den Antrieb von Kälte- und Klimaanlagen aufgewendet, da aktuell nahezu ausschließlich elektrisch betriebene Kompressionskälteanlagen zur Kältebereitstellung verwendet werden. [1] Zukünftig wird dieser Wert ansteigen, da der Klimatisierungsbedarf in Deutschland bis zum Jahr 2030 um 50 Prozent ansteigen soll. [2] Dies zeigt, dass zum Erreichen der Umwelt- und Klimaschutzziele die verfügbare thermisch betriebene Kältetechnik (v.a. durch Soptionskältetechnik) bei Vorliegen wirtschaftlicher Rahmenbedingungen ihre Potenziale zur Energieeffizienzsteigerung konsequent ausschöpfen sollte. Thermisch betriebene Kältemaschinen bieten die Möglichkeit, Kälte aus KWK-Wärme oder Abwärme zu erzeugen. Die elektrische Antriebsenergie der Kompressionskälteanlagen kann somit durch diese oft kostengünstig zur Verfügung stehende Abwärme substituiert werden. Damit einhergehend kann der Stromverbrauch reduziert und die CO2-Emissionen um rund 30 Prozent gesenkt werden.
Grundprinzip der Kälteerzeugung
Kältemaschinen machen sich das Prinzip zunutze, dass beim Verdampfen einer Flüssigkeit Verdunstungskälte entsteht. Umgekehrt wird bei der Kondensation Wärme wieder abgegeben. Damit eine Flüssigkeit bei niedriger Temperatur (z.B. 6°C) verdampft und bei einem höheren Temperaturniveau wieder kondensiert, müssen unterschiedliche Drücke im System vorherrschen. Es wird ein flüssiges Kältemittel im Kreisprozess verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt. Durch die Verdichtung und anschließende Kondensation kann das Kältemittel die aufgenommene Wärme bei einem höheren Temperaturniveau wieder abgeben. Beim Einsatz von thermisch betriebenen Kältemaschinen (TKM), z. B. als Ab- oder Absorptionskältemaschinen, erfolgt die Verdichtung über einen „thermischen Verdichter“ durch Nutzung einer Wärmequelle. Der Verbrauch an elektrischem Strom einer TKM beschränkt sich damit lediglich auf den Betrieb der Kältemittelpumpe und der Lösungsmittelpumpe für den „stofflichen Transport“ von Kälte- und Lösungsmittel. In konventionellen Kompressionskältemaschinen erfolgt diese Druckerhöhung dagegen (als Verdichterleistung) über eine elektrisch angetriebene Pumpe. Um die elektrische Antriebsenergie einzusparen, kann die Kältemaschine mit Wärme betrieben werden. Man spricht dann von thermischen Verdichtern. Die Verwendung von Sorptionstechnik erfordert allerdings eine aufwendigere Abführung der anfallenden Abwärmemenge. Baulich bedeutet dies einen etwas höheren Platzbedarf und eine aufwendigere Anlagentechnik.
Effizienz von Kältemaschinen
Die Effizienz der Kältemaschinen wird über die Leistungszahl „Energy Efficiency Ratio (EER)“ ausgedrückt. Oft wird die Leistungszahl auch als „Coefficient of Performance (COP)“ angegeben. Der EER wie auch der COP geben das Verhältnis zwischen nutzbarer Kälteleistung und dem benötigten Energieaufwand. Dies gilt z.B. für die erforderliche Wärmeleistung bei thermischen Kältemaschinen oder die elektrische Leistung bei Kompressionskältemaschinen. Typische EER-Werte bei einstufigen Lithiumbromid/Wasser-Absorptionskältemaschinen liegen zwischen ca. 0,55 bis 0,70. [3] D.h., es muss ca. das 1,5-fache bis 2-fache der späteren Kälteabgabe als Antriebswärme in das System geliefert werden. Entscheidend dabei sind u.a. die erforderliche Kältetemperatur und das Temperaturniveau der aufgewendeten Antriebswärme.
Während früher bei elektrischen Kompressionskältemaschinen (KKM) die EER-Werte im Bereich von 2 bis 5 lagen [4], sind durch den Einsatz von magnetgelagerten Turbokompressionskältemaschinen (wassergekühlt) mittlerweile EER-Werte von 6-7 möglich. Wird eine solche Kältemaschine über das Jahr vor allem stark im Teillastbereich gefahren, kann eine Jahresarbeitszahlen ESEER (= European Seasonal Energy Effizciency Ratio) von bis zu 10 erreicht werden. Dies bedeutet, dass mitunter mit einer kWh elektrischem Strom das zehnfache an Kälte erzeugt werden kann.
[1]: Müller W. (2011), Beitrag der Kältetechnik zum Klimaschutz, Bundesumweltministerium, Berlin.
[2]: Berliner Energieagentur GmbH (12/2007) Summerheat – Meeting cooling demands in summer by applying heat from cogeneration. Berlin
[3]: Henning Hans-Martin, Urbaneck Thorsten, Morgenstern Alexander, Nunez Thomas, Wiemken, Edo, Thümmler, Egbert, Uhlig, Ulf (2015) Kühlen und Klimatisieren mit Wärme. Bine-Fachbuch.
[4]: DIN V 18599-7 (2007), Energetische Bewertung von Gebäuden – Teil 7, Beuth-Verlag, Berlin.