11. Okt 2018

In industrietypischen Kältesystemen – wie am Fraunhofer IISB in Erlangen – lassen sich durch Optimierung der Betriebsparameter und gezielte Investitionen ca. 20 % der Energiekosten einsparen. ©Bild: Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB

Fraunhofer IISB: Untersucht Energie-Einsparpotenzial bei Kältesystemen

(FI/IISB) Industrie, Einzelhandel und Wirtschaft betreiben häufig – und mit hohem finanziellen Aufwand – Kältesysteme. In Kältesystemen verbergen sich in der Regel grosse Einsparpotenziale. Im Rahmen des bayerischen Energieforschungsprojektes Seeds hat das Fraunhofer IISB in Erlangen dies modellhaft an der eigenen Institutsinfrastruktur erforscht.


Durch gezielte Betriebspunktoptimierungen auf Grundlage detaillierten Monitorings und mittels intelligenter Steuerungs- und Regelungstechnik lassen sich erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen bei Kältesystemen erzielen. Diese wurden bereits erfolgreich am Kältesystem des Fraunhofer IISB umgesetzt und demonstriert. Über 20 % höhere Effizienz des Kältesystems bedeuten im Realbetrieb eine jährliche Einsparung von 135 MWh elektrischer Energie. Die Ergebnisse lassen sich auf zahlreiche Industriebetriebe übertragen, hier sind ebenfalls erhebliche Kostenreduktionen realisierbar. Durch die starke Verbreitung von Kältesystemen in Produktion, Einzelhandel und Gewerbe besitzt das Thema eine sehr hohe wirtschaftliche Relevanz.

14 % des gesamten Strombedarfs
Kältesysteme sind überall dort zu finden, wo definierte Temperaturbedingungen unterhalb der Jahresumgebungstemperatur einzuhalten sind. Beispiele hierfür stellen die Frischhaltung von Lebensmitteln, die Klimatisierung von Gebäuden oder die Kühlung industrieller Prozesse dar. Der Betrieb von Kälteanlagen verursacht in Deutschland etwa 14 % des gesamten Strombedarfs. Der Anreiz für Effizienzmassnahmen ist deshalb gross: Experten schätzen das Energieeinsparpotenzial in Kältesystemen auf bis zu 56 % der betriebsgebundenen Kosten.

In einem typischen grösseren Industriebetrieb wird Kälteenergie sowohl für die Klimatisierung der Büroräume und Fertigungshallen als auch für die Kühlung von Prozessanlagen und Serverräumen benötigt. Im Laufe der Jahre erfahren die dafür eingesetzten Anlagen und ihre Bestandteile häufig zahlreiche Erweiterungen und Revisionen. Neue Verbraucher und Rohrleitungen kommen hinzu und alte Komponenten sind auszutauschen. Die ursprünglich zentralisierte Steuerung der Anlage bekommt zunehmend einen dezentralen Charakter und wo zuvor noch eine einzelne Maschine ausgereicht hat, werden mehrere Kältemaschinen parallel betrieben. Durch die stetige Veränderung des Systems schleichen sich Ineffizienzen ein, welche ein Unternehmen viel Geld kosten. Ein dediziertes Monitoringsystem, mit dem sich zentrale Effizienzkennzahlen des Kältesystems überwachen liessen, fehlt. Mögliche Optimierungspotenziale und versteckte Kostentreiber bleiben dadurch unentdeckt.

Signifikante Spitzenlasten
Ein weiteres, typisches Problem in Kältesystemen stellen hohe Umgebungstemperaturen in den Sommermonaten dar. Aufgrund des höheren Bedarfs an Klimatisierung für Produktionsräume, Labore und Büroflächen treten signifikante Spitzenlasten auf. Daraus resultieren wiederum höhere Leistungspreise für das Unternehmen. Im Extremfall kann es sogar zu Ausfällen von Kältemaschinen kommen, was die Fertigung in den Stillstand versetzt. Für viele Betreiber sind aber häufig erst die Ausfälle oder auch grössere Veränderungen im Bestand ein Anlass, den Zustand der Kälteinfrastruktur genauer zu betrachten.

Nach Optimierung um 20 % effizienter
Im Rahmen des bayerischen Energieforschungsprojekt Seeds haben die Wissenschaftler am Fraunhofer IISB als Modell für einen typischen mittelgrossen Industriebetrieb die eigene Labor- und Gebäudeinfrastruktur unter die Lupe genommen und zahlreiche Optimierungsmassnahmen erfolgreich umgesetzt. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: eine über 20 % höhere Effizienz des Kältesystems. Im Realbetrieb entspricht das einer jährlichen Einsparung von 135 MWh an elektrischer Energie.

Erfassung des Status quo ist Voraussetzung
Die Voraussetzung für solche Ergebnisse ist zunächst eine gründliche Erfassung des Status quo, welche mit Hilfe stationärer oder auch mobiler, nicht-invasiver Messtechnik erfolgen kann. Bei der Quantifizierung der Auslastung und des Effizienzpotenzials des Kältesystems gehen die Spezialisten schrittweise vor. Die im laufenden Betrieb erfassten Daten werden fortlaufend dokumentiert und anschliessend analysiert. Häufig können auf Basis der Messdaten bereits erste Massnahmen zur Optimierung der Betriebsparameter des Kältesystems definiert werden. Mit Hilfe von modellbasierter Simulation entwickeln die Wissenschaftler ausserdem Systemkonzepte und -konfigurationen, mit denen sich die Effizienz weiter steigern lässt. Dabei werden auch innovative Ansätze, wie die Integration von Energiespeichern, freier Kühlung sowie die Entwicklung von speziellen Betriebsstrategien für die Komponenten des Kältesystems, in Betracht gezogen.

Beispielsweise kann sich herausstellen, dass Kältemaschinen falsch dimensioniert sind, unnötig hohe Kaltwasservolumenströme vorliegen oder Betriebspunkte ungünstig und Regelungen ineffizient sind. Häufig wird auch nicht berücksichtigt, dass für Teile der Prozesskühlung keine gesonderte Kältemaschine nötig ist, da bereits die Verdunstungskühlung vorhandener Kühltürme ausreichend Kühlleistung liefert. Eine entsprechende Anpassung kann dann etwa 10 % der Betriebskosten einsparen. Die typischen Lastspitzen im Sommer lassen sich auch durch einen Kaltwasserspeicher mit integriertem Lastmanagement relativieren. Letzterer kann zusätzlich eingesetzt werden, um die Betriebspunkte der Kältemaschinen zu optimieren und einen Teil der Kältebereitstellung in die Nachtstunden zu verlagern. Hierdurch lässt sich der Energiebedarf der Kälteanlage nochmals um 15 % reduzieren.

Randbedingungen bestimmen Einsparpotenzial
Die hier aufgeführten Massnahmen zur Senkung der elektrischen Energiekosten sind nur einige Beispiele für mögliche Handlungsoptionen. Welche Massnahmen genau das grösste Einsparpotenzial haben, hängt immer von den Randbedingungen des jeweiligen Standorts ab. Das IISB betreibt ein Kältesystem im industriellen Massstab, in welchem ganz unterschiedliche Strategien erfolgreich kombiniert und umgesetzt werden konnten.

Seeds-Projektleiter Richard Öchsner: „Viele Gewerbebetriebe befinden sich in einer ähnlichen Situation: Wertvolle Einsparpotenziale sind unentdeckt und die Systeme laufen nicht so effizient, wie sie eigentlich könnten. Mit unserer umfangreichen Erfahrung und den aufgezeigten Massnahmen zur Effizienzsteigerung können wir jedoch die Firmen dabei unterstützen, ihre Kältesysteme zu optimieren und Energiekosten zu reduzieren.“

Text: Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

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