MissElly

Das Projekt MissElly wird im Verbund bestehend aus der Fraunhofer IEG und der Voltavision GmbH durchgeführt. Das Ziel ist die ganzjährige Bereitstellung von Kälte zur Kühlung von Laboren und Testständen für Leistungselektrotechnik. Dabei wird ein möglichst hoher Anteil von regenerativer Umweltkälte über saisonale sowie kurzfristige Kältespeicherung dem System zur Verfügung gestellt und damit der Einsatz konventionaler Kältetechnik minimiert. Das mit einem Gesamtvolumen von etwa 1,3 Mio € geförderte Vorhaben hat eine Projektlaufzeit von 36 Monaten bis Ende August 2022.

Ziel

Stationäre Kältetechnik verursacht in Deutschland fast 14 % des gesamten Stromverbrauchs, bei wachsender Tendenz. Hiervon entfällt ein Drittel auf private Kühl- und Gefriergeräte. Zwei Drittel werden durch gewerbliche Kältetechnik verursacht. Den größten Bedarf weisen hier Klimakälte, Industrie Kältesysteme und Supermarktkälteanlagen auf. Mit einem Anteil von 95 % wird Kälte nahezu ausschließlich mittels elektrisch betriebener KKMs bereitgestellt. Stromsparende Alternativen sind wärmebetriebene Ab- oder Adsorptionskältemaschinen, welche allerdings eine Wärmequelle bei mindestens etwa 80 °C voraussetzen und dementsprechend nur eingeschränkt eingesetzt werden können. Folglich wird auch auf absehbare Zeit der Kältebedarf nahezu ausschließlich durch KKMs gedeckt, was aus klimatechnischer Sicht problematisch ist. KKMs haben sowohl direkte Klimaauswirkungen durch Kältemittelemission, als auch indirekte durch den hohen Energiebedarf.

Potential zur Reduzierung des hohen Elektroenergiebedarfs findet sich vor allem in Anwendungsgebieten in denen bei relativ hohen Temperaturen gekühlt wird, wie zum Beispiel in der Klimakälte. So werden zur Gebäudeklimatisierung in der Regel KKMs genutzt, obwohl lediglich Temperaturen von ca. 20°C erreicht werden müssen. Diese Temperaturen herrschen in unseren Breitengraden einen Großteil des Jahres vor. Da Wärme, beziehungsweise Kälte im Gegensatz zu elektrischem Strom relativ einfach und ohne hohe Verluste gespeichert werden kann, ist eine Nutzung der vorhandenen, natürlichen Kältereservoirs naheliegend.

Ziel des Vorhabens ist es letztendlich einen gangbaren Weg zu einer signifikanten Reduktion des Energieeinsatzes in der Kältebereitstellung aufzuzeigen und damit die Emissionen von klimaschädlichen Treibhausgasen direkt beim Energieeinsatz und indirekt durch Kältemittelleckagen im Umfang von etwa 50 % gegenüber klassischen Systemen zu reduzieren.

© Fraunhofer IEG
MissElly-Erdsondensimulation

Nutzen

Die Demonstrationsanlage soll an einem Batterieteststandort der Voltavision GmbH entstehen. An diesem besteht kontinuierlich ein Kältebedarf von etwa 300 kW bei einer Vorlauftemperatur von 18 °C und einer Rücklauftemperatur von 23 °C. Mit diesen mäßigen Temperaturen stellt der Standort optimale Voraussetzungen zur Nutzung von Umgebungskälte und somit für die wissenschaftliche Untersuchung des in diesem Projekt vorgestellten Anlagenkonzepts der multivalenten saisonalen geothermischen Kälteversorgung, bestehend aus Sondenfeld, Eisspeicher, Freikühler und KKM. Herkömmlich würde auch in diesem Fall die Kombination aus KKM und Freikühler eingesetzt. Unter der Verwendung langjähriger Klimadaten der Stadt Essen lassen sich hierfür Stromverbräuche von über 225 MWh pro Jahr abschätzen. Um den Anteil erneuerbarer Energien bei der Kühlung zu steigern, bietet sich Umgebungskälte als natürliche, primäre Quelle an. So wird sich der Stromverbrauch durch die Integration einer intelligenten Kältespeicherung mittels Sondenfeld und Eisspeicher um etwa 53 % auf unter 107,5 MWh pro Jahr reduzieren lassen. Bei einem CO2-Emissionsfaktor von 516 g/kWh für 2016 entspricht dies einer Ersparnis von 62,5 Tonnen CO2 pro Jahr, allein für diese Anlage.

In erster Linie soll durch die Kältespeicherung im Untergrund der Stromverbrauch durch herkömmlich eingesetzte KKMs verringert werden. Dieser stetig und macht mittlerweile mit 71 TWh einen Anteil von 14 % des Gesamtstromverbrauchs in Deutschland aus. Selbst wenn Kälte bei Temperaturen unterhalb der natürlich einzuspeichernden Außentemperatur benötigt wird, kann ein Kältespeicher zur Unterstützung einer KKM eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Kondensator einer KKM bei 10 °C Untergrundtemperatur betrieben werden, anstelle von 20 °C Umgebungstemperatur, wodurch die Leistungszahl signifikant steigt. Für dieselbe Kälteleistung wird weniger elektrische Energie benötigt.

In gängigen Statistiken wird nicht explizit auf das benötigte Temperaturniveau der zu produzierenden Kälte eingegangen. Die für diese Anlage abgeschätzte Ersparnis kann folglich nur bedingt auf den gesamten Energiebedarf der Kältetechnik übertragen werden. Doch selbst für niedrigere Temperaturniveaus ist sie nicht unrealistisch, zumal die maximale Leistung der KKMs durch den Einsatz von Sondenfeld und Eisspeicher reduziert würde. Die KKMs würden bei annähernd konstanten Bedingungen betrieben und ließen sich somit genauer auf einen optimalen Betriebspunkt auslegen.

Das Potential dieses Verfahrens, elektrische Energie einzusparen, liegt folglich überschlägig bei über 7 % des gesamten Stromverbrauchs und somit allein Deutschlandweit bei einer CO2 Einsparung von über 20 Mio. Tonnen pro Jahr.

Weiter hat das Verfahren der Kältespeicherung im Untergrund auch beim Einsatz vollkommen regenerativ erzeugter, elektrischer Energie positive Auswirkungen auf das globale Klima und das Mikroklima der Einsatzorte. Schließlich bedeutet jeglicher Stromverbrauch eine Wärmefreisetzung und lokale Temperaturerhöhung der Atmosphäre.

Weiterhin zieht der Betrieb jeder KKM eine Leckage von Kältemitteln nach sich. Deutschlandweit

werden so jährlich Kältemittel mit einem CO2-Äquivalent von 5,6 Mio. Tonnen freigesetzt. Dieser Wert hängt direkt von der Größe der eingesetzten KKMs ab. Die Unterstützung einer KKM durch Kältespeicher führt zu einer Reduktion der notwendigen Maximallast und somit zum Einsatz kleinerer Anlagen, wodurch sich auch im Bereich der Leckagen 2,8 Mio. Tonnen pro Jahr vermeiden ließen.

Auch wirtschaftlich könnte die Reduktion des Einsatzes von elektrischer Energie zu relevanten Kosteneinsparungen beim Betrieb nach sich ziehen. Die energiewirtschaftliche Betrachtung wird durch dieses Projekt klare Antworten liefern.