Kaskade mit CO₂ / R 134 a beste Kompromisslösung

Die im Rahmen dieses Vergleichs eingesetzten Kältemittel sind die in Deutschland meistverkauften: R 404 A und R 134 a sowie das seit ca. zehn Jahren in geringem Umfang1 verwendete CO₂. Diese drei Kältemittel unterscheiden sich erheblich hinsichtlich ihrer technischen Eigenschaften. Einen grundlegenden Effizienzvergleich liefert der Carnot-Gütegrad (das Verhältnis von kältemittelabhängiger, tatsächlicher Kälteleistungszahl bezogen auf das theoretische Maximum nach Carnot). In Bild 1 ist für die drei o. a. Kältemittel der Verlauf der Carnot-Gütegrade für drei verschiedene Verdampfungstemperaturen über den möglichen Verflüssigungs-/Gaskühlertemperaturen im Bereich von 10 bis 50 °C dargestellt.

Die Kurvenverläufe zeigen theoretische Effizienzvorteile der beiden halogenierten Kältemittel R 134 a und R 404 A im Vergleich zu dem natürlichen Kältemittel R 744 (CO₂) von ca. 10 bis 30 Prozentpunkten. Durch verfahrens-, regelungs- und komponententechnische Optimierung kann die sich im Jahresmittel einstellende Gesamteffizienz noch gesteigert werden; das gilt jedoch für alle Kältemittel.

Bild 2 zeigt die vereinfachten Fliessbilder der untersuchten Kälteanlagen, die sich hinsichtlich des Anlagendesigns und der verwendeten Kältemittel unterscheiden.

Anlage 1 stellt den bisher hauptsächlich verwendeten Standardtyp einer Supermarkt-Kälteanlage mit Normal- und Tiefkühlung unter Verwendung des Kältemittels R 404 A dar. Anlage 2 ist eine Kaskade aus einem Tiefkühl-Kreislauf mit dem Kältemittel CO₂ und einem Normalkühl-Kreislauf mit dem Kältemittel R 134 a. Anlage 3 ist eine transkritische CO₂-Anlage in sogenannter Booster-Schaltung.

Supermärkte

Die untersuchten Kälteanlagen des neuesten Stands der Technik haben einen ähnlichen Aufbau und liegen geografisch unweit voneinander entfernt, wodurch fast identische Jahresmitteltemperaturen vorliegen. Die Jahresmitteltemperatur am Standort der CO₂/CO₂-Anlage ist knapp 1 Kelvin niedriger als an den beiden anderen Standorten. Tendenziell ist daher der Kältebedarf dieser Anlage etwas geringer. Die wichtigsten Daten der drei Märkte sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen.

Durchführung

Mithilfe des VDMA Online-Tools Quick-Check [2] wurde eine repräsentative Kühlmöbellänge unter Berücksichtigung der Größe von angeschlossenen Kühlräumen ermittelt. Dadurch ist eine sehr gute Vergleichbarkeit der Märkte hinsichtlich ihrer kühlmöbeltechnischen Ausstattung gewährleistet. Da die Kühlmöbellängen der untersuchten Märkte unterschiedlich waren, wurde die Berechnung der Ergebnisse zur besseren Vergleichbarkeit auf einen laufenden Kühlmöbelmeter gemäß VDMA 24247 Teil 4 bezogen.

Für die Berechnung des Gesamtbeitrags zum Treibhauseffekt (TEWI) [3] wurden 15 Jahre für die Betriebszeit angenommen, was einen durchschnittlichen Wert für solche Anlagen darstellt. Für die Kältemittel-Rückgewinnung bei Entsorgung einer Kälteanlage am Ende der Lebensdauer wurde ein niedriger Faktor von 0,9 angesetzt, je nach Anlagengröße und Randbedingungen sind Rückgewinnungsfaktoren von 97 Prozent üblich. Als Leckraten wurden in Abhängigkeit von der Kältemittelfüllmenge die in der Chemikalien-Klimaschutzverordnung für halogenierte Kältemittel vorgeschriebenen Höchstwerte angesetzt. Die Betreiber sind verpflichtet, durch regelmäßige Überprüfungen dafür zu sorgen, dass diese Leckraten nicht überschritten werden. Für die Anlagen mit CO₂ als Kältemittel wurde eine Leckrate von zehn Prozent angenommen; von den ersten transkritisch betriebenen Anlagen ist bekannt, dass die Leckraten deutlich höher lagen. Für die spezifischen Kraftwerks­emissionen wurde ein Wert von 0,6 kg CO₂/kWhel verwendet.

Die Berechnung der Energiekosten für eine Lebensdauer von 15 Jahren geht von einem spezifischen Energiepreis von 12,5 Ct/kWh sowie von einer Preissteigerungsrate von vier Prozent pro Jahr aus (zwischen 2002 und 2012 sind die Kosten für nicht private Anwendungen gemäß dem Verband der Industriellen Energie- und Kraftwerkswirtschaft (VIK) im Durchschnitt um 4,7 Prozent pro Jahr gestiegen [4]). Zusätzlich ist für die Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung ein sogenannter Leistungspreis an das Energieversorgungsunternehmen (EVU) zu entrichten, der entweder in den Energiepreis eingerechnet wird oder separat entrichtet werden muss (dann ist der spezielle Energiepreis etwas niedriger). Die Rechnungen des EVUs konnten für diese Berechnung nicht eingesehen werden. Daher wurde für die Ermittlung des Leistungspreises von Durchschnittswerten ausgegangen. Die momentane Bandbreite für Leistungspreise liegt in Deutschland zwischen 20 und 120 Euro/kW. Für die vorliegende Berechnung wurde von einem Preis von 70 Euro/kW ausgegangen. Das EVU misst die Leistung kontinuierlich und berücksichtigt bei der Ermittlung des Leistungspreises den im Jahr oder im Quartal einmal kurzzeitig aufgetretenen Maximalwert.

Die Daten für die Energieverbräuche der drei Märkte wurden ohne Unterbrechung von Anfang September 2010 bis Ende August 2011 aufgezeichnet. Für die Maße der Kühlmöbel und Kühlräume wurden Revisionsdaten und Hersteller­unterlagen verwendet sowie manuelle Messungen durchgeführt.

Ergebnisse

Bild 3 zeigt die Ergebnisse der Untersuchung in fünf Balkendiagrammgruppen.

• Beim spezifischen Energieverbrauch zeigt die Kaskadenanlage die niedrigsten Werte; die Standardanlage mit R 404 A verbraucht innerhalb eines Jahres 14 Pro­zent mehr Antriebsenergie und die CO₂Booster-Anlage sogar 22 Prozent mehr.
• Wie bereits in Tabelle 1 aufgeführt, sind große Unterschiede der drei Anlagen bei der Leistungsaufnahme festzustellen. Die CO₂-Booster-Anlage versorgt zwar die Kühlmöbel mit der geringsten Länge, weist aber die höchste Anschlussleistung auf. Der auf den Laufmeter bezogene Wert ist etwas mehr als doppelt so hoch wie bei der Kaskadenanlage, und dieses Mehr an elektrischer Antriebsleistung muss vom Betreiber bezahlt werden.
• Auf der Grundlage der oben dargestellten Randbedingungen wurden die Gesamtkosten für elektrische Energie und Leistung in 15 Jahren ermittelt und der besseren Vergleichbarkeit wegen auf einen theoretischen Markt mit einer durchschnittlichen Kühlmöbellänge von 250 lfm_VDMA hochgerechnet. Auch bei diesem Vergleich der Gesamt­kosten schneidet die Kaskadenanlage am günstigsten ab.
• Die Investitionskosten sind vom Betrei­ber nicht genauer angegeben, als in den Balkendiagrammen dargestellt. Die Standardanlage mit R 404 A für die Normal- und Tiefkühlung hat nur geringe Investitionskosten-Vorteile gegenüber der Kaskadenanlage. Die CO₂-Booster-Anlage ist noch etwas kostenintensiver.
• Der TEWI ist in der letzten Balkendiagrammgruppe von Bild 3 dargestellt. Auch hier zeigt sich ein deutlicher Vorteil für die Kaskadenanlage mit CO₂ für die Tiefkühlung und R 134 a für die Normalkühlung, obwohl diese Anlage einen direkten TEWI-Anteil durch mögliche Kältemittelemissionen von 7,7 Prozent aufweist (bei der Anlage mit R 404 A sind es sogar 11,3 Prozent).

Fazit

Der Vergleich von Supermarktkälteanlagen des aktuellen Stands der Technik hinsichtlich Energieverbrauch, Kosten für elektrische Energie und Leistung, Umweltverträglichkeit sowie Investitionskosten weisen Differenzen von bis zu 28 Prozent auf. Die Unterschiede in Bezug auf den Energieverbrauch und damit die Betriebskosten entsprechen in etwa denen, die bereits mit den kältemittelabhängigen Carnot-Gütegraden in Bild 1 erkannt waren. Insgesamt zeigt sich, dass die Kaskadenanlage mit dem natürlichen Kältemittel CO₂ für die Tiefkühlung und dem synthetischen Kältemittel R 134 a für die Normalkühlung gegenwärtig den besten Kompromiss aus Umweltverträglichkeit, Betriebs- und Investitionskosten darstellt. -

Literatur

[1] Süß, Jürgen: Danfoss VP Technology, Case Studies CO₂, ASERCOM + EPEE Symposium 2008: Energy Efficiency Environment Protection, Chillventa

[2] http:// https://www.vdma-effizienz-quickcheck.org/

[3] Berechnung des TEWI gemäß DIN EN 378-1, Juni 2008

[4] http://vik.de/VIK-Strompreisindex.html

1 Die Durchdringung im Bereich der Supermarktkälteanlagen mit CO₂/CO₂-Anlagen liegt in Deutschland bei etwa unter 5 Promille (gemäß DIE KÄLTE + Klimatechnik, 2/2012, werden in Deutschland gegenwärtig 166 transkritische CO₂/CO₂-Anlagen in Supermärkten betrieben und gemäß VDMA, 2009, gibt es in Deutschland ca. 35500 Verbundanlagen in Supermärkten).

Staatlich geprüfter Kälte- und Klimasystemtechniker und ESaK-Diplomand, BFS Maintal