Direkte Emissionen vermeiden

Carrier hat seit 2004 mehr als 270 Verkaufsmärkte in 13 europäischen Staaten mit CO₂OLtec^TM-Kältesystemen ausgerüstet (Bild 1). Diese haben in der Summe mehr als 30 MW Kälteleistung in der Normalkühlung. Knapp die Hälfte der Märkte sind Discounter und die andere Hälfte sind Super-/Hypermärkte. Die Reduktion der CO₂-äquivalenten-Emissionen von 138000 Tonnen auf 70400 Tonnen resultiert in einer kumulierten Reduktion der CO₂-Emissionen um 67600 Tonnen. Dies ist ­vergleichbar, als würden 21500 Autos* von der Straße genommen werden (Stand Ende Juni 2011).

Bei der Ermittlung von Leckageraten ist es wichtig, dass auch die Havariefälle mit Verlust eines großen Anteils oder der kompletten Kältemittelfüllmenge erfasst werden. Denn schon eine Havarie mit Totalverlust des Kältemittels führt zu einer mittleren Leckagerate von ca. sieben Prozent bei einem Lebenszyklus von 15 Jahren.

Eine aktuelle Studie zu Leckageraten in 800 Supermärkten in den Niederlanden zeigte eine mittlere jährliche Leckagerate von ca. zehn Prozent [1]. Das Ergebnis einer vergleichbaren Studie in Tschechien ist 14 Prozent Leckagerate pro Jahr [1].

Der Verband Deutscher Kälte-Klima-Fachbetriebe (VDKF) ermittelt über seine Monitoring-Software LEC (Leakage & Energy Control) eine mittlere Leckagerate inklusive Havarien. Für 2009 wurde eine jährliche Leckagerate von sieben Prozent und für 2010 von 6,8 Prozent gemessen [2].

Klimaschutz ist Diskussionstreiber

Immer mehr Unternehmen im Lebensmitteleinzelhandel setzen auf Nachhaltigkeit als Unternehmensziel. In den Klimabilanzen der Unternehmen sind neben Strom, Wärme und Logistik Kältemittel mit An­teilen zwischen neun und 15 Prozent einer der wesentlichen Verursacher von Treibhausgasemissionen.

Gesetzgebung in Europa

Europa hat ambitionierte Ziele, die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren. So wird heute, insbesondere in Dänemark und Norwegen, eine Steuer oder ein Pfand auf das Treibhauspotenzial von Kältemitteln er-hoben, welche für das Kältemittel R 404 A deutlich über 50 Euro/kg liegt. In Dänemark besteht für HFKW-Kältemittel zusätzlich eine Füllmengenbeschränkung auf 10 kg pro Kreislauf. Aber auch in der Schweiz, Österreich und Luxemburg gibt es Beschränkungen für den Einsatz von HFKW-Kältemitteln.

Für die gesamte EU gilt die F-Gase-Verordnung EU 842/2006, welche neben dem Monitoring des Kältemittelbedarfs und regelmäßigen Dichtheitskontrollen auch Mindestanforderungen an die Qualifikation von Fachpersonal vorschreibt. Zurzeit wird die Effektivität der F-Gase-Verordnung überprüft. Es werden schärfere Reglementierungen für Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial erwartet.

CO₂ ein modernes Kältemittel mit langer Tradition

Das Rad der Geschichte für Kältemittel scheint sich zu schließen (Bild 2). CO₂ eines der ersten Kältemittel wurde in der Schiffskälte bis circa 1950 eingesetzt. Seit mehr als zehn Jahren erfährt das Kältemittel CO₂ eine Renaissance insbesondere in der sogenannten Supermarktkälte!

In der Zwischenzeit liegen bei der Carrier Kältetechnik, die die Aktivitäten der Linde Kältetechnik fortführt, mehr als zehn Jahre Betriebserfahrung mit dem Kältemittel CO₂ in der Praxis vor. Die erste direktverdampfende Tiefkühlkälteanlage inKaskade wurde Ende 2000 in Luxemburg in Betrieb genommen [3]. Die guten Betriebserfahrungen der folgenden Jahre sowie auch mit weiteren Pilotanlagen führten zu der ­Entscheidung, die Anlagentechnik auch für die Normalkühlanwendung weiterzuent­wickeln. So wurde Ende 2004 in der Schweiz der erste Hypermarkt mit einer CO₂-Kälteanlage für Normal- und Tiefkühlung eröffnet [4].

Als Besonderheit gegenüber konventionellen HFKW-Kältemitteln arbeitet die Normalkühlanlage mit dem Kältemittel CO₂ bei heißen Außentemperaturen im transkritischen Bereich. Hierfür muss die Hochdruckseite der Kälteanlage auf maximal 120 bar ausgelegt werden.

Hat die höhere Drucklage des Kältemittels CO₂ auch Vorteile?

Ja! Ein großer Pluspunkt, der aus der hohen Drucklage resultiert, sind die viel kleineren Rohrleitungsdurchmesser gegenüber Anla­gen mit R 404 A. Vor allem gegenüber R 134 a und indirekt arbeitenden Systemen mit Käl-te- und Wärmeträger ergeben sich mit CO₂ große Vorteile. Eine Saugsammellei­tung für R 134 a mit 108 mm Durchmesser kann bei gleicher Kälteleistung mit 42 mm Durchmesser für das Kältemittel CO₂ ausgeführt werden! Das Kältemittel CO₂ hat sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften. So kann in den für CO₂ optimierten Verdampfern die Verdampfungstemperatur im Mittel um zwei Kelvin gegenüber R 404 A und R 134 a angehoben werden. Die Druckverluste im Kreislauf haben aufgrund der höheren Druck­lage einen erheblich kleineren Einfluss.

Besteht ein höheres Risiko durch die höhere Drucklage des CO₂-Kreislaufs?

Nein! Durch das CO₂OLtec^TM-Konzept liegt die Drucklage im Verkaufsbereich sowie in allen Kühl- und Verarbeitungsräumen nur bei maximal 40 bar (Bild 3). Diese Drucklage ist heute auch in CO₂-Tiefkühlkaskaden zum Standard geworden. Die maximalen Drücke von 120 bar im transkritischen Kreislauf treten nur im Maschinenraum sowie in den Leitungen vom Maschinenraum zum Gaskühler und zurück auf. Diese Leitungen werden in Stahl/Edelstahl oder K 65 (Kupferlegierung) ausgeführt. Die komplette Verrohrung zu den Kühlmöbeln und Kühlräumen kann wie üblich in Kupfer ausgeführt werden.

Nach der Norm EN 378 wird das DruckLiter-Produkt als Gefährdungspotenzial er-mittelt. So ergibt sich im CO₂OLtec^TM-Kreislauf kein höheres Gefährdungspotenzial als in einer vergleichbaren Verbundkälteanlage mit den Kältemitteln R 404 A oder R 134 a.

CO₂ als Kältemittel für die Normal- und Tiefkühlung in Supermarktkälteanlagen ist technischer Standard in der Schweiz und Dänemark geworden

Nachdem erste Pilotanlagen in Betrieb genommen wurden, Erfahrungen gesammelt und sukzessive die Technik standardisiert wurde, beherrschen heute die überwiegende Anzahl der Kälte-Fachbetriebe in der Schweiz und in Dänemark den sicheren Umgang mit dem Kältemittel CO₂ bei Planung, Inbetriebnahme und Wartung.

James Boyle, Vice President von Danfoss Food Retail [5]: Als Resultat der GWP-basierten Besteuerung und der Füllmengenbeschränkung nutzen in Dänemark alle neuen und neu eingerichteten Märkte das Kältemittel CO₂. Einer der wichtigsten Faktoren sind die Investitionskosten, aber auch die Betriebskosten müssen betrachtet werden. Basierend auf unserer Erfahrung sind die Betriebskosten in vielen Fällen niedriger: zum einen aufgrund von Energieeinsparungen, zum anderen wird weniger Geld für Kältemittelverluste ausgegeben.

CO₂ wird in der schweizer Gewerbekälte seit mehr als 10 Jahren genutzt und ist Stand der Technik in Anwendungen mit Direktexpansion, unterkritisch wie auch transkritisch. Das Kältefachpersonal wurde geschult und ist nun vertraut mit der CO₂-Technologie. Der gemessene Energieverbrauch in Einzelhandelsgeschäften in der Schweiz zeigt im Vergleich zu konventionellen HFKW-Systemen mindestens zehn Prozent Energieeinsparung. Die bisherige Erfahrung von Frigo-Consulting zeigt, dass die Betriebssicherheit von CO₂-Systemen mindestens so hoch ist wie bei konventionellen Systemen [6]. CO₂ in der Kaskadenanwendung für die Tief-kühlung ist auch in Deutschland bereits zu einem Standard geworden, alle Komponenten sind bereits über den Kältegroßhandel verfügbar. Es ist zu erwarten, dass sich diese Entwicklung mit ca. vier Jahren Zeitversatz auch für die transkritische Anwendung in der Normalkühlung fortsetzen wird.

Vergleich des Energiebedarfs der Kältemittel R 404 A, R 134 a, und CO₂ in der Normalkühlung in Supermärkten

In Bild 4 ist die Summe der Jahresstunden der Lufttemperaturen in Berlin gezeigt (nach DIN 4710). Links neben der Jahresmitteltemperaturlinie (tA 9 °C) liegen 50 Prozent der Jahresstunden. Nur für zehn Prozent der Jahresstunden liegt die Temperatur über 20 °C, siehe ganz rechts im Diagramm. Das Kältemittel R 404 A dient als Basis des Energieeffizienzvergleichs, deshalb ist es über die gesamten Jahresstunden mit einem mittleren COP (gelber Balken) bewertet.

Das Kältemittel R 134 a hat bei hohen Außentemperaturen einen besseren COP alsR 404 A, dies führt aber nur zu ca. zehn Prozent der Jahresbetriebsdauer der Kälteanlage zu Energieeinsparungen. Während mittlerer und kalter Außentemperaturen hat R 134 a einen zu R 404 A vergleichbaren COP.R 134 a ist effizient für die Anwendung in Klimaanlagen bei hohen Außentemperaturen.

Für das Kältemittel CO₂ liegen die Verhältnisse genau umgekehrt. Bei hohen Au-ßentemperaturen im transkritischen Betrieb hat CO₂ einen schlechteren COP. Demgegenüber erreicht CO₂ mehr als die Hälfte des Jahres bei mittleren und kalten Außentemperaturen einen besseren COP. So können in der Supermarktkälte attraktive Energieeinsparpotenziale bei Jahresmitteltemperaturen bis zu 15 °C abgeschöpft werden!

Energieeffizienz in der Praxis, gemessene Energieverbrauchsdaten

Zur Beurteilung der Energieeffizienz von Verbundkälteanlagen in den verschiedenen Marktformaten vom Discount über Supermarkt bis hin zum Hypermarkt ist eine neue Kennzahl notwendig, da jede Verbundkälteanlage individuell für den Verkaufsmarkt geplant und dort montiert wird. Unter https://www.vdma-effizienz-quickcheck.org/ kann jeder Marktbetreiber seinen Markt mit Verkaufskühlmöbeln und Kühlräumen kostenlos eingeben und bewerten lassen. Seit der Chillventa im Oktober 2010 ist die Seite im Web online gestellt.

Die neu erarbeitete Energieeffizienz-Kennzahl bezieht sich auf die Displayfläche der Verkaufskühlmöbel und berücksichtigt erstmalig auch die Klimaregion und die Öffnungszeiten des Marktes, die eingesetzten Kühlmöbeltypen, die Temperaturklassen bzw. die Produktgruppen in den Kühlmöbeln, die Produktgruppen und die Größe der Kühlräume sowie die Wärmerückgewinnung für Brauchwarmwasser und Heizung.

Auf Basis dieser neuen Methode werden mehr als 20 CO₂OLtec^TM-Kältesysteme in deutschen Supermärkten analysiert und bewertet, welche während hoher Außentemperaturen transkritisch arbeiten (Bild 5).Trotz dieser CO₂-typischen Besonderheit konnten gemessene Energieverbrauchswertebelegen, dass die Energieeffizienz von CO₂OLtec^TM-Kältesystemen aus 2008/09 um durchschnittlich rund 15 Prozent höher als der Durchschnitt der Märkte mit Eröffnung 2008/09 (hellgrün) ist. Die CO₂OLtec^TMKältesysteme mit Inbetriebnahme im Jahr 2010 (dunkelgrün) liegen im Schnitt sogar noch etwas besser. Dies ist ein Vergleich mit über 150 Vergleichsmärkten von mehr als zehn Handelsketten und denmeisten Kühlmöbel-/Kälteanlagenherstelern.

Ein Vergleich von Supermärkten, welche ausschließlich von Carrier ausgerüstet wurden, zeigt ein ähnliches Bild (Bild 6). Beginnend im Februar 2005 zeigt sich ein Anstieg der Energieeffizienz von R 404 A-Märkten unabhängig vom Kältemittel. Im Zeitraum bis Anfang 2010 sinkt der Energieverbrauch bezogen auf die Displayfläche der Kühlmöbel um ca. 25 Prozent. Maßgeblich hierfür ist der zunehmende Einsatz von elektronischen Expansionsventilen, von Glasschiebedeckeln auf TK-Truhen, von Energiesparventilatoren, drehzahlgeregelten Motoren, luftgekühlten Unterkühlern sowie LED-Beleuchtung zu nennen. In diesem Vergleich sind alle NK-Regale mit Nachtrollos ausgerüstet.

Ein Vergleich der Märkte mit Inbetriebnahme ab ca. Mitte 2009 zeigt deutliche Effizienzvorteile für das Kältemittel CO₂. Die Energieeffizienzstandards bei den Kühlmöbeln sind vergleichbar, zum Beispiel kommen überall elektronische Expansionsventile zum Einsatz.

Im Mittel erreichen die CO₂OLtec^TM-Anlagen eine Energieeinsparung von circa 15 Prozent gegenüber den Hybrid-Kaskadenanlagen mit R 134 a in der Normalkühlung und CO₂ in der Tiefkühlung. Dies ist anteilig bedingt mit fünf Prozent durch CO₂ als Kältemittel in der Normalkühlung und mit vier Prozent durch das Booster anstelle des Kaskadenkonzepts (Eliminierung eines zusätzlichen Wärmeübergangs zwischen TK und NK) sowie mit sechs Prozent durch verschiedene andere Einflüsse.

CO₂OLtec^TM die Systemlösung für die Zukunft?

Nachdem Anlagenbetreiber und Kunden auf mehrere Jahre Betriebserfahrung zurückblicken können, zeigt sich eine sehr hohe Akzeptanz und Zufriedenheit mit der innovativen und energieeffizienten Technologie. Der Marktbetreiber hat mit CO₂OLtec^TM eine langfristig sichere Systemlösung, welche nicht der F-Gase-Verordnung EU 842/2006 unterliegt. Er hat die Vorteile eines kostengünstigen, natürlichen Kältemittels, ohne Risiko einer zukünftigen Steuer auf das Treibhauspotenzial des Kältemittels.

Der Marktbetreiber vermeidet direkte Emissionen durch den Einsatz des klimaneutralen Kältemittels und reduziert die indirekten Emissionen durch das energieeffiziente CO₂OLtec^TM-Konzept.

Bei Jahresmitteltemperaturen bis zu 15 °C können nachhaltige Energieeinsparungen erzielt werden. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit den wesentlichen Ergebnissen der EPEE Eco-Efficiency Study of Supermarket Refrigeration [7]. Zum Beispiel betragen die Jahresmitteltemperaturen in Stockholm 7 °C, in Berlin 9 °C, in Paris 12 °C, in Mailand 13 °C und in Madrid 14 °C, weitere Städte siehe Bild 7.

Die bevorzugte Lösung für die heißeren südeuropäischen Temperaturen ist eine Hybridlösung mit R 134 a und CO₂, genannt HybridCO₂OL^TM [8]. In dieser Kaskadenanwendung wird das Kältemittel CO₂ nur in der Tiefkühlung im unterkritischen Bereich betrieben. Carrier hat das passende Kältemittel für jede Anwendung, aber nicht jedes Kältemittel ist für jede Anwendung geeignet! -

* Durchschnittliches Auto mit 0,12 kg CO₂/km und 15000 km/a

Literatur:

[1] EPEE on the Road meeting, Den Haag, 29. 3. 2011, ­Minutes S. 1

[2] Wolfgang Zaremski, VDKF-Thementage, 30. 8. 2011, Politik und Wirklichkeit Update F-Gase-Verordnung, Folie 28

[3] Bernd Heinbokel, CO2 als Kälteträger und Kältemittel in der Supermarkt-Tiefkühlung, KI Luft- und Kältetechnik 10/2001, S. 484488

[4] Siegfried Haaf, Bernd Heinbokel, Andreas Gernemann, Erste CO2-Kälteanlage für Normal- und Tiefkühlung im einem Schweizer Hypermarkt, KK Die Kälte- und Klimatechnik 2/2005

[5] http:// http://www.danfoss.com/SolutionsReady/NewsAndEvents/News/Supermarkets-could-save-at-least-50-million-tons-of-CO2/19F82EB7-3C57-42F2-881E-902F74961810.html

[6] Raphael Gerber, Frigo-Consulting, Vortrag beim ZVKKW-Supermarktsymposium in Nürnberg, 04/2011

[7] EPEE, European Partnership for Energy and Environment, Eco-Efficiency Study of Supermarket Refrigeration, 09/2010

[8] Philippe Delpech, Carrier Corporation, Integrated Solution, rac Refrigeration and Air Conditioning, 4/2011, S. 2628

Carrier Kältetechnik Deutschland GmbH, Köln