Studie weist CO₂-Vorteile nach

In einer Studie hat Carrier 126 Verkaufsmärkte mit gemessenen Energieverbrauchsdaten analysiert. Die Messdaten wurden über einen Zeitraum von mindestens einem Jahr aufgenommen. Der Vergleich der Kälteanlagen erfolgte auf der Basis des VDMA-Effizienz-Quickchecks. Es wurdenMärkte mit R 404 A-Kälteanlagen, mit R 134 a- / CO₂-Kaskaden-Kälteanlagen sowie mit CO₂-Booster-Kälteanlagen betrachtet. Neben den Kältemitteln und dem damit verbundenen Anlagenkonzept wurde als weiterer wichtiger Effizienzeinfluss der Verglasungsanteil an Regalen in der Normalkühlung bewertet.

Carrier hat seit 2004 mehr als 553 Projekte in 17 europäischen Staaten (Bild 1) mit Kältesystemen CO₂OLtec ausgerüstet, welche sowohl in der Tiefkühlung als auch in der Normalkühlung mit dem natürlichen Kältemittel CO₂ in einer Booster-Konfiguration arbeiten. Besonders erfreulich ist, neben der sehr guten Entwicklung in Deutschland und der Schweiz, das in den letzten zwei Jahren stark gestiegene Interesse in den ost­europäischen Ländern.

Ergänzend zu den CO₂OLtec-Anlagen werden auch sogenannte Hybrid-CO₂OL-Anlagen gebaut. Diese Anlagen sind als Kaskade ausgeführt, mit dem Kältemittel R 134 a in der Normalkühlung und CO₂ in der Tiefkühlung. In der Summe beider Anlagenkonzepte sind bis heute über Tausend CO₂-Systeme durch Carrier realisiert worden. Der Nachweis der guten Energieeffizienz des Kältemittels im Einsatz direktverdampfender (DX) Verbundkälteanlagen für Normal- und Tiefkühlung (NK, TK) war eines der Ziele dieser Studie.

VDMA-Effizienz-Quickcheck

Über https://www.vdma-effizienz-quickcheck.org/ sind Benchmarks bzw. Energieeffizienzvergleiche mit über 500 Vergleichsmärkten von mehr als zehn Handelsketten und den meisten Kühlmöbel- und Kälteanlagenherstellern möglich. Durch die rege Nutzung des Quickchecks wächst die Anzahl der Vergleichsmärkte kontinuierlich.

Der VDMA-Effizienz-Quickcheck er-mittelt eine Kennzahl aus der Beziehung Energiebedarf / Displayfläche x Jahr [kWh/m² a] (Bild 2), wobei durch entsprechende Korrekturfaktoren folgende Einflüsse berücksichtigt werden:

• Klimaregion
• Öffnungszeiten
• Kühlmöbeltyp, Länge und Höhe / Breite der Möbel
• Temperaturklassen / Produktgruppen der Kühlmöbel
• Produktgruppen und Größe der Kühlräume
• Wärmerückgewinnung für Brauchwarmwasser und Heizung
• Gemessene Energieverbrauchsdaten inklusive aller Nebenverbraucher wie Ventilatormotoren, Rahmen-, Scheiben- und Abtauheizungen, Licht, Pumpen etc.

Betrachtung zusätzlicher Einflüsse in Vergleichsgruppen

Zusätzlich zu den im VDMA-Effizienz-Quickcheck erfassten Einflussgrößen wurde in dieser Studie der Einfluss der eingesetzten Kältemittel R 404 A, R 134 a und CO₂ betrachtet wie auch der Einfluss der Verglasung von NK-Regalen. In den letzten Jahren ist die Vollverglasung in der Tiefkühlung zum Standard geworden und hat somit hier keinen Einfluss. Die Bewertung des Anteils X der Verglasung an NK-Regalen erfolgte in drei Gruppen:

• Minimale Verglasung: Verglasungsanteil X < 20 Prozent, keine bzw. nur wenige Fleisch- oder Convenience-Regale sind verglast. Nachtrollo ist Standard.
• Teilverglasung: 80 Prozent > Verglasungsanteil X > 20 Prozent
• Maximale Verglasung: Verglasungsanteil X > 80 Prozent, bis auf wenige Regale für Obst & Gemüse oder Molkereiprodukte ist alles verglast.

In den Vergleichsgruppen für Verglasung von NK-Regalen wurden 23 Märkte mit maximaler Verglasung, zehn Märkte mit Teilverglasung sowie 93 Märkte mit minimaler Verglasung analysiert. In den Vergleichsgruppen für Kältemittel wurden 45 Märkte mit R 404 A-Kälteanlagen, 13 Märkte mit R 134 a- / CO₂-Kaskaden-Kälteanlagen sowie 68 Märkte mit CO₂-Booster-Kälteanlagen analysiert.

Effizienz-Trend über die Zeit

Betrachtet man in der Gruppe der 93 Märkte mit minimaler Verglasung nur diejenigen, welche mit Kältemittel R 404 A betrieben werden, so zeigt die rote Trendlinie in Bild 3 (auch ohne diese beiden Einflüsse) eine starke Steigerung der Effi­zienz über die Zeit. Maßgeblich hierfür ist der zunehmende Einsatz von elektronischen Expansionsventilen, Glasschiebedeckeln auf TK-Truhen, Energiesparventilatoren, drehzahlgeregelten Motoren, luftgekühlten Unterkühlern und LED-Beleuchtungen. Im Inbetriebnahmezeitraum der R 404 A-Anlagen von 2004 bis 2011 lässt sich eine Effizienzsteigerung von ca. 39 Prozent nachweisen, dies entspricht ca. 6,7 Prozent pro Jahr.

Einfluss der Kältemittel

Nimmt man nun in der Gruppe mit der minimalen Verglasung auch die Kältemittel R 134 a und CO₂ hinzu, kann das Effizienzsteigerungspotenzial durch die Kältemittel unabhängig vom Verglasungseinfluss beleuchtet werden. Bild 3 zeigt die Effizienzvorteile der beiden Kältemittel gegenüber R 404 A. Der Vergleich der Trendlinien zeigt, dass die R 134 a/CO₂-Kaskaden-Kälteanlagen einen Effizienzvorteil von ca. 7 Prozent gegenüber R 404 A-Kältean­lagen erreichen. Die CO₂-Booster-Kälteanlagen haben sogar eine um 13 Prozent höhere Effizienz.

Bild 3 zeigt auch sehr deutlich, wie groß die Streuung der Anlageneffizienz innerhalbder Gruppen ist. Es ist daher von großer Bedeutung, eine große Anzahl von Kälte­anlagen je Gruppe zu betrachten, um über eine Mittelwertbildung die unbekannten Einflüsse zu minimieren und so eine be­lastbare Aussage zu erhalten.

Die um 13 Prozent höhere Effizienz von Kälteanlagen CO₂OLtec gegenüber dem R 404 A-Standard zeigt sich für den Betreiber eines typischen Supermarktes wie folgt: Die Jahresstromkosten der Kälteanlage sinken von ca. 23000 Euro auf ca. 20000 Euro bei Energiekosten von 0,15 Euro pro kWh. Basierend auf der Erfahrung von Carrier hat der typische Supermarkt eine Verkaufsfläche von ca. 1 500 m² und eine installierte Kälteleistung im NK-Bereich von ca. 60 kW und im TK-Bereich von ca. 20 kW.

Im zeitlichen Trend zeigt Bild 3 auch, dass die ersten CO₂-Kälteanlagen mit Inbetriebnahme in den Jahren 2006/07 noch keine Energieeinsparung gegenüber dem R 404 A-Standard erreichen konnten. Erst mit der Weiterentwicklung und Standardisierung wurden die deutlichen Effizienzvorteile durch Kälteanlagen CO₂OLtec erreicht.

Einfluss der Wärmeabfuhr an Luft oder Brunnenwasser bei CO₂-Booster-Anlagen

In der Gruppe mit minimaler Verglasung können die CO₂OLtec-Kälteanlagen in zwei Konzepte der Wärmeabfuhr unterschieden werden. Im Standard wird die Abwärme, im Sommer zeitweise transkritisch, an die Umgebungsluft abgeführt. Alternativ dazu wird in sechs Märkten die Abwärme ganzjährig an Brunnenwasser abgeführt, sodass immer eine unterkritische Verflüssigung bei 16 bis 22 °C möglich ist.

Im Durchschnitt dieser sechs Märkte ist durch die Vermeidung des zeitweisen transkritischen Betriebs keine Energieeinsparung messbar. Ein wichtiger Grund hierfür ist, dass bei einer Wärmeabfuhr an Luft eine minimale Verflüssigungstemperatur von 10 °C über mehrere Monate möglich ist. Dies gleicht auf der anderen Seite den Nachteil des relativ kurzen transkritischen Betriebs im Sommer mehr als aus.

Einfluss der Verglasung von NK-Regalen

In der Gruppe der 68 Märkte mit CO₂-Booster-Kälteanlagen befinden sich Märkte mit minimaler und maximaler NK-Verglasung sowie auch mit Teilverglasung. Dadurch kann das Effizienzsteigerungspotenzial durch die Verglasung gegenüber dem Einsatz von Nachtrollos unabhängig vom Kältemitteleinfluss beleuchtet werden. Bild 4 zeigt auch in diesen Gruppen eine große Streuung der Messwerte, sodass die Betrachtung von Mittelwerten vieler Anlagen je Gruppe von großer Bedeutung ist. Gegenüber der Trendlinie der Märkte mit minimaler Verglasung erreichen die Märkte mit Teilverglasung im Mittel eine Effizienzsteigerung von 6 Prozent, die Märkte mit maximaler Verglasung sogar von 10 Prozent. Das Erreichen einer Energieeffizienz-Kennzahl von 50 Prozentund besser scheint gegenwärtig nur mit teilverglasten oder maximal verglasten NK-Kühlregalen in Kombination mit CO₂Booster-Kälteanlagen möglich zu sein.

In dem schon beschriebenen typischen Supermarkt lassen sich die Stromkosten durch eine maximale NK-Verglasung um ca. 2 300 Euro pro Jahr gegenüber minimaler Verglasung senken.

Vergleich von Kälteanlagen CO₂OLtec zu Mittelwerten des VDMA-Effizienz-Quickchecks

Im VDMA-Effizienz-Quickcheck sind Kälteanlagen unabhängig vom Kältemittel und unabhängig von der Verglasung der NK-Regale erfasst. Die Mittelwertlinien in Bild 2 bilden sich so aus Märkten aller Gruppen. In Bild 5 sind die Werte der Mittelwertlinien im zeitlichen Trend in Blau dargestellt. Deutlich erkennbar ist der Effizienzvorteil der CO₂OLtec-Märkte, welcher im zeitlichen Trend sogar zunimmt. Gegenüber dem Mittelwert der Kälteanlagen mit Inbetriebnahme 2010/11 erreichen die CO₂OLtec-Anlagen einen Effizienzvorteil von ca. 13,5 Prozent.

Bestätigung von Planungsdaten durch Messdaten im Betrieb

Für alle 68 betrachteten CO₂OLtec-Kälte­an­lagen wurde im Planungsstadium eine Pro­gnoseberechnung für den Jahresenergiebedarf entsprechend den Anforderungen des BAFAFörderprogramms erstellt. Alle Kälteanlagenunterliegen dem 5-jährigen Energie­mo-nitoring im Rahmen des Förderprogramms ( http://www.bafa.de/bafa/de/energie/kaelteanlagen/ ). Die Messdaten zeigen, dass der Energieverbrauch im Durchschnitt ca. 7 Prozent unter der berechneten Pro­gnose liegt.

Zusammenfassung der Energieeffizienzstudie

Betrachtet und analysiert wurden Verbundkälteanlagen in 126 Verkaufsmärkten in Deutschland mit gemessenen Energieverbrauchsdaten. Die Aufnahme der Messdaten erfolgte über einen Zeitraum von mindestens einem Jahr. Auf Basis des VDMA-Effizienz-Quickchecks wird die folgende durchschnittliche Energieeinsparung erreicht:

Die Effizienzvorteile von CO₂OLtec-Kälteanlagen können gut mit der Verglasung von NK-Regalen kombiniert werden. So wird gegenüber einer R 404 A-Kälteanlage mit minimalem Verglasungsanteil eine Energieeinsparung von insgesamt 22 Prozent erreicht.

Die Messdaten zeigen, dass der Energieverbrauch der CO₂OLtec-Kälteanlagen im Durchschnitt ca. 7 Prozent unter der im Rahmen des BAFA-Förderprogramms berechneten Prognose liegt. -

https://www.carrier.com/commercial-refrigeration/de/de/

Energy Consulting, Natural Refrigerants, Carrier Kältetechnik Deutschland GmbH, Köln