Markt-News

Das Monitoring des Supermarkts und die darauf basierenden Berechnungen zeigen, dass erhebliche Beträge der jährlichen Betriebskosten eingespart werden können. (Bilder: zVg/O. Ziegler, TU Dresden/A. Thess, DLR)

Der natürliche Weg: Die Kälte und Klimabranche kann einen wesentlichen Beitrag durch den Umstieg auf natürliche Kältemittel leisten.

Prinzipschema eines Supermarkts in Möglingen D

Arbeitsprinzip einer DLR-Chester Carnot Batterie

Der natürliche Weg zu Netto-Null

Das diesjährige Eurammon-Symposium präsentierte Online-Vorträge zum Thema «Der natürliche Weg zu Netto-Null-Emissionen». Gemäss Berechnungen soll sich der Energieverbrauch der Kälte- und Klimabranche bis 2030 verdoppeln.

Der Anlass zeigte auf, wie effiziente und klimafreundliche Kühlung die Energiewende bei der Umstellung auf Netto-Null-Emissionen unterstützen kann.

Netto-Null-Emissionen

Dieses Thema gewinnt in der aktuellen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Diskussion zunehmend an Bedeutung und fordert Branchenführer, Organisationen wie auch Unternehmen heraus, überzeugende Lösungsansätze zu formulieren und zu konkretisieren. Rund 400 Teilnehmer sowie verschiedene Redner diskutierten das Thema «Der natürliche Weg zu Netto-Null-Emissionen» und präsentierten Lösungen sowie aktuelle Fakten und Erkenntnisse.

Der natürliche Weg

«Die Kälte und Klimabranche kann einen wesentlichen Beitrag zu diesem Ziel leisten, indem wir bei synthetischen Kältemitteln mit hohem Treibhauseffekt auf natürliche Kältemittel umsteigen», erläuterte Michael Freiherr, Chairman von Eurammon. «Dadurch können wir das Risiko für Treibhausgasemissionen durch Leckagen minimieren, haben aber auch die Möglichkeit, die Energieeffizienz zu verbessern.»

Supermärkte mit systemintegrierter Heizung und Kühlung

Dr. Lukas Patryarcha & Dr. Marco Rozgic von Wurm GmbH, präsentierten Systeme für Supermärkte. Auf dem natürlichen Weg zu Netto-Null werden in Supermärkten hauptsächlich natürliche Kältemittel wie R744 (CO2) und integrierte RACHP-Systeme (Refrigeration, Air-Conditioning and Heat Pumps) eingesetzt. Der Gerätepark der R744-Kälteanlagen ist gekennzeichnet durch Anlagen verschiedener Generationen, unterschiedlicher Grösse und Energieeffizienz-Anforderungen. Grosses Potential liegt in der Wärmerückgewinnung, denn grosse Supermärkte können beispielsweise mit der Abwärme der Kälteanlage das ganze Gebäude beheizen.

Nahezu jeder Betreiber unterhält ein Portfolio von Kälteanlagen, die sich deutlich voneinander unterscheiden können. Wurm ist mit modularen Regelungslösungen in über 4500 Anlagen, welche mit CO2 betrieben werden, vertreten. Die Erfahrung des Regelungsherstellers ist sehr gross und die Palette für individuelle Anlagekonzepte schier endlos. Die eigene Online-Plattform Frigodata Online 2.0, welche alle Informationen über die Supermärkte der Kunden enthält, erlaubt sowohl einen allgemeinen Überblick über alle Projekte, als auch eine detaillierte Analyse eines einzelnen Projekts. Damit lassen sich auch die Verbräuche überwachen und technische Statusinformationen sammeln, welche als intelligente Assistenzwerkzeuge zur schnellen Identifizierung von Optimierungspotenzialen in Anlagen aufbereitet werden können. «Spitzenlasten sind oft die Basis der Energiekosten».

Resorptionskälteanlagen und Sektorenkopplung

Der Vortrag von Oliver Ziegler, Technische Universität Dresden, befasste sich mit Sektorenkopplung in Supermärkten. Sektorenkopplung versteht sich im Wesentlichen als Ansatz zur Kombination unterschiedlicher Nutzenergieformen mit dem Ziel der Glättung von Lastprofilen. Der Begriff Sektorenkopplung definiert dabei nicht die Grösse der miteinander in Verbindung gebrachten Systeme. Die in den Sektoren verwendete Nutzenergie zur Zweckerfüllung beinhaltet dabei immer eine vorangehende Kette von Energieumwandlungen. Das zugrundeliegende Umwandlungsverfahren entscheidet über den Grad der Effizienz. Der Gradmesser für diese Effizienz während der Umwandlung ist der Verlust an Exergie.

Ziegler stellte einen Supermarkt vor, der im Rahmen eines Pilotprojekts energetisch saniert wurde. Mittels eines neu installierten Blockheizkraftwerks wird die Versorgung mit Elektroenergie und Heizenergie sichergestellt. Insbesondere in den Übergangs- und Sommermonaten von März bis November, wird allerdings nur eine geringe Menge an Wärmeenergie für die Beheizung und Warmwasserversorgung benötigt. Um die bei der Kraft-Wärme-Kopplung erzeugte Wärme nicht an die Umwelt abgeben, oder das BHKW ganz abschalten zu müssen, wurde zusätzlich eine thermisch angetriebene Resorptionskälteanlage installiert. Dieses System nutzt die bisher ungenutzte Abwärme des BHKWs auf niedrigem Temperaturniveau, um Kälteleistung für die Normalkühlung und die Klimatisierung des Supermarkts bereitzustellen.

Erhebliche Einsparungen erzielt

Dabei wird zusätzlich der Stromverbrauch der konventionellen Kompressionskälteanlagen reduziert, was einen weiteren Vorteil darstellt. Das Monitoring des Supermarktes und die darauf basierenden Berechnungen zeigen, dass ein erheblicher Betrag von bis zu 47 % der jährlichen Betriebskosten eingespart werden kann. Auf der Grundlage dieser Werte konnte eine Amortisationsrechnung erstellt werden, die die Wirtschaftlichkeit der Technologie beweist. Im europäischen Vergleich ist eine teilweise geringere Rentabilität zu beobachten, da die Preise für Elektroenergie stark differieren und dadurch zu ungünstigen Gas-/Stromkostenverhältnissen führen, die sich in den erzielbaren jährlichen Einsparungen niederschlagen. Im Allgemeinen lassen sich durch das Forschungsprojekt die Vorteile eines systemübergreifenden Ansatzes bei der Gestaltung von Energieversorgungssystemen und die Vorteile einer Sektorenkopplung selbst bei kleinen Systemverbünden aufzeigen.

«Was bedeutet Sektorkopplung und inwieweit dürfen wir uns darauf berufen?», fragte Ziegler die Teilnehmer. Betrachten wir einen Supermarkt, so stellen der Verbrauch und die Leistung der installierten Maschinen zur Endenergieversorgung bereits einen kleinen Stadtteil dar. Wie in anderen Stadtteilen lassen sich auch im Supermarkt Lastprofile identifizieren, die Tages-, Wochen- und Jahresrhythmen in ihrem Verhalten zeigen. In einem Forschungsprojekt wurde gezeigt, dass Resorptionskälteanlagen in Kombination mit einem BHKW auch im Bereich geringer Wärmeleistung den Primärenergieverbrauch senken und gleichzeitig Lastspitzen glätten können. Damit leisten sie einen Beitrag zum Leitbild der Sektorkopplung. Dieser Vortrag beleuchtet die Technologie der Resorptionskälteanlage sowie deren Umsetzung im Wärme-, Kälte- und Stromnetz eines Supermarktes und geht auf die Energiekosten und CO2-Einsparungen des Gesamtsystems ein.

Quintessenz

Sektorkopplung sollte als Idee systemübergreifender Kommunikation auch in kleinen Bereichen verstanden werden, erklärte Oliver Ziegler. Es ist notwendig, Exergieströme voll auszunutzen und insbesondere sollten auch Niedertemperatur-Abwärmeströme als Energiequelle verstanden werden. Es ist notwendig, das gesamte System zu betrachten und nicht nur einzelne Systeme für den spezifischen Betrieb zu entwerfen. Resorptionskälteanlagen bieten die Möglichkeit, die Energieflüsse zu koppeln, Abwärme zu nutzen und herkömmliche Systemkomponenten wie Klimakompressoren, zu ersetzen und andere zu entlasten (beispielsweise normale Kältemaschinen). Dezentrale Blockheizkraftwerke bieten die Möglichkeit, das Stromnetz zu entlasten, was eine zentrale Idee des Sektors ist. Im von Ziegler vorgestellten Projekt konnte durch Sektorkopplung der Stromverbrauch aus dem Netz um 47% reduziert werden.

Carnot-Batterien speichern Strom, Wärme und Kälte

Dr. André Thess vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), beschäftigte sich mit der Frage, wie mit steigendem Anteil erneuerbarer Energie am Strommix grosse Mengen elektrischer Energie über mehrere Tage preiswert gespeichert werden können. Batteriespeicher seien dafür heute schlicht zu teuer. Die Carnot-Batterie könnte als standortunabhängiger Grossspeicher die Lösung sein, wenn Wind und Sonne über Tage nicht verfügbar sind. In einer solchen sogenannten Carnot-Batterie wird Strom mittels einer Hochtemperaturwärmepumpe in Wärme mit Temperaturen von 50 bis 500 Grad Celsius umgewandelt. Diese Wärme kann in Wasser mit 50 Grad Celsius oder Flüssigsalz mit 500 Grad Celsius gespeichert und bei Bedarf mittels eines Wärmekraftprozesses in Strom zurückverwandelt werden. Werden Kälte oder Wärme gebraucht, können diese natürlich ebenfalls von der Carnot-Batterie abgegeben, dann sogar ohne die Rückwandelverluste. Herzstück der neuartigen Carnot-Batterie ist ein Latentwärmespeicher mit besonderen Wärmeübertragungseigenschaften. Thermoelektrische Speicher eignen sich für eine sichere und flächendeckende Stromversorgung aus erneuerbaren Energien.

Carnot-Batterien haben das Potenzial, ein wichtiger Baustein für die Energiewende zu werden, ist André Thess überzeugt. Denn solche Wärmespeicher lassen sich gezielt in die Netze und Energiesysteme von morgen einbinden, um die zeitlich und örtlich schwankende Stromgewinnung aus Sonnen- und Windenergie auszugleichen sowie Lastspitzen abzudecken. Mit Speicherkapazitäten von bis zu tausend Megawattstunden elektrischer Energie können Carnot-Batterien beispielsweise eine Stadt wie Stuttgart stabil mit Strom versorgen. Dadurch lassen sich die Energiesektoren Elektrizität und Wärme effizient koppeln. Zudem sind Carnot-Batterien aufgrund der verwendeten Materialien umweltfreundlicher als konventionelle Batterien.

Wärme als Zwischenspeicher für erneuerbaren Strom

Eine Carnot-Batterie wandelt mittels einer elektrischen Wärmepumpe gerade nicht benötigten, erneuerbaren Strom in Wärme um. Diese wird in einem kostengünstigen Medium, wie Wasser oder Flüssigsalz, zwischengespeichert. Bei Bedarf lässt sich mittels einer Wärmekraftmaschine die Wärme wieder in Strom zurückumwandeln, wie bei einer Dampfmaschine mit einem Generator.

Die DLR-Forscher haben mit ihrer langjährigen Erfahrung und Technologiekompetenz auf dem Gebiet der thermischen Energiespeicher das Herzstück der Anlage entwickelt: einen Latentwärmespeicher mit patentiertem Doppelrippenrohr-Wärmeübertrager. Das Besondere daran ist, dass der Wärmespeicher gleichzeitig als Wärmetauscher zwischen Wärmepumpe und Wärmekraftmaschine dient. Dieser im Jahr 2013 vom Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart entworfene Lösungsansatz ist technologisch sehr vielversprechend, weil sich dadurch Energieverluste gegenüber Technologien, wie beispielsweise Druckwasserspeicher, verringern lassen. Dadurch lassen sich höhere Wirkungsgrade der Speicherung (von Strom zu Strom) erzielen.

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