So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz bei der Nutzung von Prozesskälte und Klimakälte – Teil 9 der Serie Energieeffizienz einfach erklärt

Der Anteil von Prozesskälte und Klimakälte in Handel, Gewerbe und Dienstleistungen ist mit 4,6 Prozent und in der Industrie mit 1,4 Prozent des gesamten Energieverbrauchs zwar wesentlich geringer als der von Prozess- und Raumwärme, aber in manchen Branchen, etwa der Lebensmittelindustrie – ist er deutlich höher und aufgrund neuer Anforderungen – etwa an die Raumklimatisierung oder die Kühlung von Rechner- und Serverräumen – nimmt er zu. Außerdem dominiert bei der Erzeugung von Kälte der (teure) Energieträger Strom und es wird das wirtschaftliche Einsparpotenzial auf 30% geschätzt. Wenn in einem Unternehmen gekühlt werden muss, sollte daher die Kälte in die Effizienzbemühungen einbezogen werden. In diesem Beitrag schauen wir uns die Themen Prozess-und Klimakälte sowie deren Zusammenhang mit der Energieeffizienz genauer an.

Weitere Beiträge aus unserer Serie Energieeffizienz einfach erklärt:

Teil 1: Dies ist die Bedeutung der Energieeffizienz
Teil 2: Von der Energieeffizienz zur Energiequalität
Teil 3: Was ist Entropie und wie steht diese im Zusammenhang mit Energie?
Teil 4: Was ist Energie und welche Bedeutung hat sie?
Teil 5: Energieverbrauch in Deutschland – relevante Einsparpotenziale in Wirtschaft und Industrie
Teil 6: Die Prozesswärme in der Industrie als größter Energieverbraucher
Teil 7: Abwärmenutzung in der Industrie – Ermitteln Sie Ihre Potenziale mit der Pinch Analyse
Teil 8: Raumwärme und Warmwasser als Energieträger – So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz
Teil 9: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz bei der Nutzung von Prozesskälte und Klimakälte
Teil 10: Energieeffiziente Elektromotoren und Pumpen als Querschnittstechnologien
Teil 11: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz durch energieeffiziente Beleuchtung am Arbeitsplatz
Teil 12: Energieeffizienz in der Informations- und Kommunikationstechnik
Teil 13: Energieeffizienz im Verkehr

 Energieträger zur Erzeugung von Prozesskälte und Klimakälte

Der mit Abstand wichtigste Energieträger zur Erzeugung von Prozesskälte und Klimakälte in den Sektoren Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) und Industrie ist Strom. Gas spielt mit einem Anteil von 3,2 Prozent eine schon fast zu vernachlässigende Rolle, andere Energieträger tauchen in der Statistik gar nicht erst auf. In der Abbildung rechts, können Sie anhand eines Kuchendiagramms erkennen, dass Strom zu 96,8 Prozent zur Erzeugung von Prozesskälte und Klimakälte verwendet wird. Wohingegen Gas hierbei nur 3,2 Prozent ausmacht.

Energieanwendung im Bereich Prozesskälte und Klimakälte

Kälte wird sowohl in industriellen Prozessen benötigt, um Produktionsbereiche oder Produkte sowie Lagerbereiche zu kühlen als auch zur Raumklimatisierung verwendet. Mitunter wird zwischen Kälteanlagen, die unterhalb von 0 °C arbeiten, und Kühlanlagen, die oberhalb von 0 °C arbeiten, unterschieden – in diesem Beitrag wird „Kälte“ übergreifend, also Kälte- und Kühlanlagen umfassend, verstanden. Mehr als die Hälfte der industriellen/gewerblichen Kälte wird in der Lebensmittelindustrie/ im Lebensmittelhandel verbraucht; die Frischhaltung von Lebensmitteln gehörte mit zu den ersten Anwendungen von technisch erzeugter Kälte. Aber auch andere Branchen können zur Maschinen- oder Prozesskühlung erhebliche Kältemengen verbrauchen. Sonderfälle, in denen besonders niedrige Temperaturen benötigt werden, sind etwa die Verflüssigung von Gasen oder andere Anwendungen der Tieftemperaturtechnik. Die Gebäudekühlung ist oftmals Bestandteil von raumlufttechnischen (RLT-) Anlagen, mit denen die Luft gereinigt, die Luftfeuchtigkeit reguliert und die Luftbewegung sowie der Luftaustausch gesteuert werden können.

Energiewandler für die Erzeugung von Prozess- und Klimakälte

Herzstück von Kälteanlagen ist die „Kältemaschine“, mit der Wärme von einem zu kühlenden Ort zu einem anderen Ort mit höherer Temperatur transportiert wird. Dieser Transport verläuft entgegen der natürlichen Bewegungsrichtung von Wärme, die spontan nur von Orten höherer zu niedrigerer Temperatur fließt – und ein solcher Transport (und damit die Kälteerzeugung) ist daher immer mit einem Verbrauch von hochwertiger Energie verbunden. Daher kann der Wirkungsgrad von Kältemaschinen auch nicht in Prozent gemessen werden, sondern es wird eine Leistungszahl angegeben: diese besagt, wieviel Einheiten Wärme mit einer Einheit hochwertiger (mechanischer oder elektrischer) Energie transportiert werden (Energy Efficiency Ratio – EER).  Kältemaschinen nutzen die Verdunstungskühlung – Wasser und andere Flüssigkeiten nehmen beim Verdunsten Energie (Physiker sprechen von „Verdampfungsenthalpie“) aus ihrer Umgebung auf und kühlen diese damit. Die meisten heutigen Kältemaschinen sind Kaltdampfanlagen – sie nutzen als „Kältemittel“ eine Flüssigkeit, die bereits bei niedriger Temperatur verdampft. Damit diese Flüssigkeit nicht als Dampf verloren geht, wird sie in einem Kreislauf geführt. Damit lässt sich auch die Tatsache ausnutzen, dass die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit verdampft, von ihrem Druck abhängt.

Bei den verbreiteten elektrisch angetriebenen Kompressionskälteanlagen (die z.B. auch in Haushaltkühlschränken verwendet werden) wird wie folgt verfahren:  Der Druck des Kältemittels wird mit Hilfe eines Expansionsventils („Drossel“) so eingestellt, dass seine Siedetemperatur um 5-10 °C unter der Temperatur liegt, auf die gekühlt werden soll Jenseits der Expansionsventils beginnt das flüssige Kältemittel in einem „Verdampfer“ daher zu sieden und nimmt dabei wie verdunstendes Wasser Wärme aus der Umgebung auf. In einem Verdichter wird der Druck des nun gasförmigen Kältemittels wieder erhöht, so dass die Kondensationstemperatur über der Umgebungstemperatur liegt, so dass das Kältemittel in einem „Verflüssiger“ kondensiert, also wieder in den flüssigen Zustand übergeht. Dabei wird die Verdampfungsenthalpie in Form von Wärme wieder freigesetzt und über einen Wärmetauscher – jetzt ihrer natürlichen Fließrichtung folgend – an die Umgebung abgegeben.

Funktionsprinzip einer Kompressionskältemaschine

Eine Alternative zur Kompressionskältemaschine sind Sorptionskältemaschinen („thermische Kältemaschinen“) Bei diesen wird der elektrische Verdichter durch einen Aboder Adsorber ersetzt, der den notwendigen Unterdruck im Verdampfer erzeugt, indem das Kältemittel durch eine Lithiumbromidlösung (Absorber) oder ein Zeolith oder Silikagel (Adsorber) „aufgesaugt“ wird. Die verdünnte Lösung wird dann  bei Adsorptionskälteanlagen mittels einer Pumpe zu einem Austreiber transportiert, wo sie unter Hitzeeinwirkung wieder freigesetzt wird. Analog wird in der Adsorptionskälteanlage Wärme genutzt, um das Kältemittel wieder aus dem Adsorbens freizusetzen. Der übrige Prozess entspricht im Prinzip dem der Kompressionskälteanlage. Der Vorteil von Sorptionskälteanlagen besteht darin, dass anstelle des Stroms für den Verdichter Wärme für das Austreiben des Kältemittels verwendet wird, die in vielen Betrieben als Abwärme ohnehin zur Verfügung steht. Der Vorteil kann auch durch Sonnenwärme erzeugt werden, deren Anfall bei der Raumklimatisierung ziemlich gut mit dem Bedarf an Raumkühlung übereinstimmt und so z. B. sommerliche Lastspitzen aufgrund der Klimatisierung vermeiden hilft. Wenn die Kühlstellen räumlich von der Kältemaschine getrennt sind, besteht die Kälteanlage neben der Kältemaschine aus der Kälteverteilung.

Dabei wird zwischen direkter und indirekter Kühlung unterschieden: bei der direkten Kühlung wird das Kältemittel zu dem zu kühlenden Medium transportiert; bei der indirekten Kühlung ist das Kältemittel auf die zentrale Kälteanlage beschränkt und die Kälteverteilung findet mittels spezieller Kälteträger (häufig Wasser) statt. Die direkte Kühlung ist Energieeffizienter, weil auf die Kälteübertragung auf einen Kälteträger verzichtet werden kann, was niedrigere Verdampfungstemperatur und -druck und damit mehr Verdichterarbeit erfordert; allerdings sind Kälteträger bei der indirekten Kühlung meist billiger und ungefährlicher. Außerdem können sie mit Kältespeichern verbunden werden – Wasser eignet sich in Form von Eis hervorragend als Kältespeicher, so dass derselbe Stoff als Kälteträger und Kältespeicher genutzt werden kann. Kältespeicher sind immer dann interessant, wenn kurzzeitig größere Mengen Kälte benötigt werden: mit Kältespeichern können Kälteanlagen kleiner dimensioniert werden und die Spitzenlast gesenkt werden. Ggf. kann billiger Nachtstrom zum Aufladen des Kältespeichers genutzt werden, so dass eine Senkung der Energiekosten möglich ist.

Bei der Erzeugung von Klima- und Prozesskälte wurden über die Jahre verschiedene Kältemittel verwendet

Die erste Kältemaschine wurde 1834 von dem amerikanischen Erfinder Jacob Perkins gebaut, welcher als Kühlmittel Diethylether verwendete. Diethylether ist aber hochentzündlich und neigt zu Explosionen, auch deshalb konnte sich Perkins‘ Kältemaschine nicht durchsetzen. 1871 veröffentlichte der Münchener Maschinenbauprofessor Carl Linde einen Aufsatz über ein verbessertes Verfahren. Lindes Maschine arbeitete mit dem ebenfalls hochentzündlichen Dimethylether, aber die zweite Generation ab 1876 arbeitete mit Ammoniak – und fand in Brauereien zahlreiche Abnehmer, da mit der Maschine die Gärung bei konstanter Temperatur auch jenseits von Felsenkellern möglich war. Da Ammoniak giftig ist, ist es für den Haushaltsbereich jedoch ungeeignet. 1911 setzte der amerikanische Ingenieur Willis Carrier erstmals Dichlorethylen als Kältemittel ein – das erste chlorierte Kältemittel und damit Vorläufer der ungiftigen und unbrennbaren Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die ab den 1930er Jahren in großen Mengen als Kältemittel eingesetzt wurden – bis der amerikanische Chemiker Sherwood Rowland und sein mexikanischer Kollege Mario Molina 1974 erkannten, dass FCKW die Ozonschicht zerstören. Ihr Nachfolger, die chlorfreien teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), haben aber teilweise ein extrem hohes Treibhausgas-Potenzial und waren daher vom Kyoto-Protokoll von 1997 betroffen. In der EU hat die EUF- Gase-VO Verwendungsverbote für HFKW erlassen. Daher erleben gegenwärtig „natürliche“ Kältemittel wie Kohlendioxid oder Propan wieder eine Renaissance.

So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz bei der Nutzung von Prozesskälte und Klimakälte

Der erste Schritt bei der Steigerung der Energieeffizienz, sowohl bei Prozesskälte als auch bei Klimakälte, muss die Verminderung des Kältebedarfs sein. Dazu gehört die Vermeidung innerer und äußerer Wärmelasten, wie ineffiziente Beleuchtung, unnötiges Abtauen, fehlender Sonnenschutz, schlechte Wärmedämmung, unnötig geöffnete Türen von Kühlräumen etc. Maßnahmen zur Abwärmenutzung verringern nicht nur den Kühlbedarf, sondern sind auch bei Kälteanlagen selbst möglich (diese entsprechen ja im Prinzip einer Wärmepumpe, wie bei dieser kann auch bei der Kälteanlage das am Verdichter austretende Kältemittel zur Wassererwärmung genutzt werden) – daher sollte die Installation einer Wärmerückgewinnung geprüft werden. Ein zentraler Punkt ist auch eine an den Kältebedarf angepasste Dimensionierung der Kälteanlage und der Wärmeüberträger (Verdampfer, Verflüssiger) und deren regelmäßige Reinigung (Verschmutzung und Vereisung reduzieren deren Wirkungsgrad beträchtlich). Gegebenenfalls kann eine Zwangsbelüftung mit Ventilatoren deren Wirkungsgrad weiter erhöhen; hierbei muss der zusätzliche Stromverbrauch jedoch durch Verwendung hocheffizienter Ventilatoren gering gehalten werden. Auch ein Blick auf die Effizienz des Kompressors und der Antriebe für Verdichter und Pumpen (sie sollten drehzahlgeregelt sein) kann sich lohnen. Kältemittelleitungen und Kältespeicher sollten gut isoliert sein. Auch die Steuerung und Regelung der Kälteanlage spielt eine Rolle für die Energieeffizienz, insbesondere die Verdampferfüllungsregelung: es sollte möglichst genauso viel Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt werden, dass ein möglichst großer Teil der Verdampferfläche mit Kältemittel benetzt ist – dann ist der Wärmeübergang optimal. Die Errichtung und Sanierung besonders energieeffizienter Kälte- und Klimaanlagen wird von der BAFA im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative gefördert.

Und nun, viel Erfolg bei der Verbesserung Ihrer Energieeffizienz!
Ihr Jürgen Paeger 

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