Dynamisches Online-Benchmarking auf der Grundlage von Echtzeitmessungen

1 EPB-Plattform

1.1 Einleitung

Die Energie-Performance-Benchmark-Plattform (EPB) unterstützt die Ziele der EU-Taxonomie [1], nachhaltige Investitionen zu fördern und die Energieeffizienz durch Datenerfassung, Analysen und Berichterstattung zu steigern. Angewandt auf verschiedene Systemkategorien und Sektoren kann das mit der EPB-Plattform durchgeführte Benchmarking dazu führen, dass wertvolle und praxisorientierte Benchmarking-Daten auf der Grundlage von Echtzeitmessungen für Organisationen und Behörden bereitgestellt werden, als auch der Entstehung von Geschäftsmodellen wie „vorausschauender Wartung“ Vorschub leisten.

Die aktuelle Pilotphase erstreckte sich bis Ende Juni 2025. In diesem Zeitraum wurde die Plattform umfassend erprobt und weiterentwickelt.

1.2 Funktionen

Die EPB-Plattform verwirklicht ein dynamisches Online-Benchmarking für Kühlsysteme. Die Basis ist die Performance- und Effizienzanalyse-Software „ClimaCheck Online“ sowie die Datenmanagementplattform „ProptechOS“.

Der Datentransfer erfolgt über offene, standardisierte Programmschnittstellen, so z. B. für Gebäudeautomationssysteme, Internet-Wetterdienste sowie das Data Warehouse und basiert auf den Open-Source-Standards „Brick Schema“ und „RealEstateCore“. Die Benutzeroberfläche der EPB-Plattform basiert auf dem „Business-Intelligence-Reporting-Framework Microsoft PowerBI“.

Beispielhaft ist nachfolgend die Datenübertragung für den Standort eines teilnehmenden Unternehmens mit zwei Anlagen (Chiller #1 und #2) dargestellt (Bild 1). Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, engl.: Programmable Logic Controller, PLC) liest die Daten der beiden Kältesysteme (1) aus und verarbeitet diese teilweise weiter. Die Daten werden von der SPS an ein Gateway weitergeleitet (2). Dieser Bereich (Chiller, SPS und Gateway) wird als „Feld“ (field) bezeichnet und umfasst die Hardware-Komponenten vor Ort beim Teilnehmer. Ab dem Gateway erfolgt der Übergang der Daten vom Feld in die Cloud über das ProptechOS-System (3). Das Gateway dient als Schnittstelle zwischen den physischen Geräten im Feld und den Cloud-Anwendungen.

Die Daten werden bidirektional zwischen ProptechOS und ClimaCheck (4)/(5) ausgetauscht, wobei ClimaCheck thermodynamische und energetische Berechnungen durchführt. Dies ermöglicht eine Integration und Synchronisation der Informationen. Die gesammelten Daten werden anschließend in einem Data Warehouse (DW) (6) abgelegt, wo sie für weiterführende Analysen zugänglich sind. Im Data Warehouse erfolgt die Verarbeitung der Energiekennzahlen (EnPI) (7), welche relevante Leistungsindikatoren für das Energiemanagement darstellen. Die Ergebnisse werden in einer Online-Umgebung der EPB-Plattform angezeigt (8), die Auswertungen und Vergleiche der Leistungsdaten ermöglicht.

Die Zugriffsrechte auf die EPB-Plattform sind für die Nutzergruppen (P1 … P5) voneinander getrennt, sodass jeder Nutzer nur auf die für ihn freigegebenen, relevanten Daten zugreifen kann.

Persona 1: Anlagenbetreibende/Eigentümer

Persona 2: Energieberatende/Energieberater

Persona 3: (System-)Kontraktoren

Persona 4: beteiligte wissenschaftliche Akteure

Persona 5: dena-Administratoren

Beispielsweise haben dena-Administatoren volle Zugriffsrechte auf alle verfügbaren Daten und wissenschaftliche Beteiligte nur Zugriff auf anonymisierte Daten.

1.3 Erkenntnisse im Projekt

Zeitaufwändig waren die Entwicklung und Abschlüsse von Verträgen zur Nutzung der EPB-Plattform unter der Berücksichtigung der IT- und elektrotechnischen Standards der einzelnen Unternehmen. Da die Plattform auf weitere Teilnehmer ausgeweitet werden kann bzw. sollte, um ihre Wirkung bei Energieeinsparungen zu erhöhen, ist an dieser Stelle mit einem Problem für einen künftig erweiterten Nutzerkreis zu rechnen, weil potenzielle Teilnehmer aufgrund von Bedenken zur Datensicherheit die Teilnahme ausschließen. Wenn sich – möglichst zeitnah – zeigt, dass vorausschauende Wartung und kontinuierliche Inbetriebnahme ein Schlüssel zur Reduzierung des Energiebedarfs und damit kostenrelevant sind, ist hier ein Umdenken des Marktes in Aussicht.

Die Behebung technischer Probleme der Kühlsysteme vor der Implementierung in die EPB-Plattform von vielfach zusätzlich erforderlicher Datenübertragungs- und Messtechnik sind ebenfalls technisch komplex und erfordern i.d.R. zeitintensive Absprachen mit technisch Verantwortlichen sowie Vororttermine. Hier ist als Fazit der Bedarf an mehr Bewusstsein und Fachkompetenz für die notwendige Optimierung von Kältesystemen bei den anwendenden Unternehmen und deren Fachpersonal hervorzuheben.

Weiterhin, so die Erkenntnis im Projekt sowie langjähriger Erfahrung der Auftragnehmer im Projekt, sind regulatorische Anforderungen sowie finanzielle Anreize durch zu erwartende, steigende Energiepreise offenbar unerlässlich, um die sinnvolle Veränderung von „Business-as-usual“-Praktiken in der Anwenderpraxis von Kältesystemen voranzutreiben.

2 Datenauswertung

Innerhalb der Projektlaufzeit haben verschiedene Unternehmen die Verträge zur Nutzung der Analyse- und Benchmarking-Plattform unterzeichnet, verschiedene Standorte mit mehreren Kälteanlagen. Die Anlagen an sechs Standorten wurden während des gesamten Projekts kontinuierlich für die EPB-Plattform getestet. Dabei wurde vor allem die Datenverfügbarkeit und -qualität überprüft, um sicherzustellen, dass alle relevanten Messdaten zuverlässig und in Echtzeit geliefert werden. Die Tests zielten darauf ab, die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Anlagen zu bewerten und zu vergleichen, um fundierte Optimierungsmaßnahmen zu identifizieren.

Davon sind untersuchte/teilnehmende Kälteanlagen aus dem Bereich a) Lebensmittellogistik – Verarbeitung/Supermarkt/Lager, b) Gesundheitszentrum, c) Gastronomie/Hotel zu nennen. Aus den Bereichen d) Rechenzentren sowie e) Büroklimatisierung nahm bislang kein Unternehmen teil. Die bei den Teilnehmern im Einsatz befindlichen Kältemittel sind hierbei R290, R744, sowie verschiedene HFC-Kältemittel wie R134a, R410A, R449A und R452A. Die verwendeten Verdichter sind Kolbenverdichter für R290, R744 sowie HFC-Kältemittel, Scroll- und Schraubenverdichter für HFC-Kältemittel als auch Turboverdichter für HFC-Kältemittel.

Die von den Kälteanlagen vorhandenen und einsehbaren Daten werden von der EPB-Plattform energetisch ausgewertet und mittels Systemeffizienzindex (SEI) und Normalisierter Energie Signatur (NES) dargestellt – im Vergleich zum Benchmark. Der Benchmark beim SEI entspricht dabei einer Tachometerdarstellung und die NES wird als Linienzug herangezogen.

2.1 Systemeffizienzindex (SEI)

Der Systemeffizienzindex stellt den System-Effizienzgrad (Performance) des letzten stabilen (!) Datensatzes während des Betriebs dar und berechnet sich aus dem realen COP und dem idealen Carnot-COP bei denselben Temperaturen, siehe Gl. (1). Dieser Indikator ermöglicht den Vergleich ähnlicher Systeme und Subsysteme an verschiedenen Standorten mit unterschiedlichen Bedingungen.

Formel (1)

Die Vorgehensweise ist Teil des VDMA 24247-2:2018-10 Einheitsblattes zum Thema „Energieeffizienz von Kälteanlagen - Teil 2: Anforderungen an das Anlagenkonzept und die Komponenten“ [2]. Das VDMA-Blatt unterstützt:

1. die Bewertung der Energieeffizienz eines Betriebspunktes,

2. die Anlagenbewertung in einer Saison (z. B.
Jahresbetrieb),

3. die Berechnung saisonaler Endenergiekosten,

4. Entscheidungshilfen für „best practice“-Anlagen,

5. die Anlagentypisierung durch vordefinierte Konfigurationen sowie

6. die anonymisierte Anlagenvergleichbarkeit.

Das Bild 2 erläutert die Details der zur Auswertung gewählten Tachodarstellung in der EPB-Plattform. Die Intension dieser Art grafischer Darstellung ist die „Erleichterung des Zugangs“ für nicht vollständig fachlich in der Kältetechnik geschultes Personal bei den Unternehmen/Anlagenbetreibern als Nutzer.

Die Berechnung des SEI lässt sich in ähnlicher Weise wie für das Gesamtsystem auch auf die Teilsysteme der Kälteanlage übertragen. Hierbei sind standardmäßig in der Gesamtübersicht zu erkennen:

1. Kältekreiseffizienz (engl.: Refrigeration Efficiency): stellt die Differenz zwischen dem Einfluss des vermessenen Kühlkreislauf und des verlustfreien Kühlkreislauf (ideal) dar. Dies wird hauptsächlich durch das Druckverhältnis sowie den Grad der Kältemittelunterkühlung beeinflusst und liegt typischerweise zwischen 80-90 %. Mit einem Economiser können über 100 % erreicht werden, da die Referenz ein Standardkreislauf ist.

2. Verdichtereffizienz isentrop (engl.: Compressor Efficiency): ist das Verhältnis der gemessenen Enthalpiedifferenz am Verdichter und der Enthalpiedifferenz bei isentroper Verdichtung jeweils zwischen Verdichter-Eintritt und -Austritt und den dort vorliegenden Bedingungen (Verdichter-Einlassdruck/Verflüssiger-Druck) unter Berücksichtigung der Wärmeverluste durch die Verdichter-Hülle. Modernste Verdichter erreichen bei optimalen Bedingungen 70-75 %.

3. Verflüssigereffizienz (engl.: Condensator Efficiency): stellt die Auswirkung auf die Leistung dar, wenn das System mit einer Verflüssigungstemperatur betrieben worden wäre, die der warmen Referenztemperatur entspricht. Ein guter Verflüssiger hat einen Wirkungsgrad > 85 % bei Volllast und höher bei Teillast.

4. Verdampfereffizienz (engl.: Evaporator Efficiency): stellt die Auswirkung auf die Leistung dar, wenn das System mit einer Verdampfungstemperatur betrieben worden wäre, die der kalten Referenztemperatur entspricht. Ein guter Verdampfer hat einen Wirkungsgrad > 85 % bei Volllast und einen höheren Wirkungsgrad bei Teillast.

Zur Verdeutlichung findet sich in Bild 3 der Systemeffizienzindex (SEI) mit einer beispielhaften detaillierten Leistungsansicht des Systemeffizienzindex (SEI cool) und der Teileffizienzen für den Kühlkreislauf, den Verdichter, den Verflüssiger und den Verdampfer. Der obere Teil der Abbildung zeigt die Leistungsansichten für ein mäßig gut eingestelltes Kältesystem, der untere Teil aber zeigt ein System mit sicherem Verbesserungspotenzial. Dieses zweite System arbeitet mit einer niedrigeren Gesamtsystemeffizienzindex von 18,2 % statt 26,2 %, was durch den schlechteren Teilwirkungsgrad des Verflüssigers von 47,4 % statt 80,1 % erklärt werden kann. An dieser Stelle hat der Nutzer die Möglichkeit eine Entscheidung zu treffen, um das System zu verbessern.

2.2 Normalisierte Energie Signatur NES

Für die Anlagen-Kategorien der Teilnehmer im dena Projekt wurde die Normalisierte Energie Signatur als geeigneter Benchmarking-Parameter definiert. Dieser Wert zeigt den durchschnittlichen Energiebedarf pro Stunde bei jeder Außentemperatur, normiert auf einen „Normalisierungsparameter“, der für den Standorttyp charakteristisch ist. Gewählt wurde der Bezug je m² gekühlte Fläche, sodass die NES in der Einheit Wh/h/m² in der EPB-Plattform ausgewertet wird. Möglich, aber weniger allgemeingültig für die aktuellen Teilnehmer im Projekt wäre auch der Bezug auf „gekühlte Meter Kühlregal“.

Die Verwendung der Normalisierten Energie Signatur ermöglicht:

1. Anlagenvergleiche unabhängig von klimatischen Unterschieden zwischen den Standorten.

2. Anlagenvergleiche unter Verwendung von Normalisierungsparametern, um unabhängig von der Anlagengröße (kW) vergleichbare Ergebnisse zu erzielen.

3. Anlagenvergleich über verschiedene Zeiträume hinweg (vor/nach Maßnahmen).

Die NES kann zur Berechnung des Energiebedarfs für ein Referenzjahr verwendet werden, d. h. der Durchschnitt kann als Referenz für den Energiebedarf in (den) Jahren mit durchschnittlichen Bedingungen interpretiert werden. Die Darstellung in der Plattform zeigt das Bild 4, wobei für ein Benchmarking von Systemen eine klare Kategorisierung notwendig ist – ein Tiefkühllager kann nicht mit einer Büroklimatisierung verglichen werden.

Die Plattform enthält weitere Informationen bzw. bietet weitere Möglichkeiten, die an dieser Stelle erwähnt, aber nicht ausführlich diskutiert werden sollen. Diese sind:

1. Detaillierter Experten-Bericht: vorhanden im Tabellenformat und präsentiert Anlagenleistungen und Wartungsindikatoren für erfahrene Benutzer mit Kenntnissen über die verschiedenen beteiligten Parameter.

2. Energiebericht: visualisiert den Energiebedarf im Zeitverlauf als Linie und stellt diesen im Vergleich zur durchschnittlichen Außentemperatur dar.

3. Datenansicht – Datenreihen und Serviceparameter: bietet ein Diagrammtool, um ausgewählte Eingabedaten oder Variablen im Zeitverlauf anzuzeigen.

4. Anlagen-Informations-Ansicht: stellt die Dokumentation der Anlage (incl. RI-Fließbild) und die für die Analysen und Benchmarks eingegebenen Informationen bereit.

2.3 Ergebnisse an den Standorten

An den Standorten der teilnehmenden Unternehmen im dena Projekt konnten energetische Einsparungen erzielt werden, die in den zweistelligen Prozentbereich reichen. Die Einsparungen sind vor allem abhängig von der Kategorie des Standorts sowie von der Größe des Unternehmens und dem verwendeten Anlagentyp. In einzelnen Fällen deuten die Einsparprognosen bis zu 30 %. Diese Größenordnung ergibt sich aus der Gesamtheit der technischen Ursachen, speziell bei einer Hintereinanderschaltung nicht optimal dimensionierter Kälte(teil)systeme, z. B. Wärmeübertragern (siehe Bild 3).

Die Ergebnisse zeigen, dass KMU und größere Unternehmen durchaus motiviert sein sollten, Strategien für Effizienz, für Energieeinsparungen und somit Senkung der Betriebskosten einzuführen bzw. zu nutzen – z. B. durch Digitalisierungsstrategien wie die EPB-Plattform.

3 Künftige Anwendung und Empfehlungen

Die zukünftige Arbeit liegt weiterhin in der Optimierung bestehender Kälteanlagen. Durch die Umwandlung von Daten zu Informationen lassen sich Entscheidungen besser ableiten. So bietet die Plattform für viele nicht optimierte Anlagen eine Möglichkeit erheblicher (Energie/Kosten)-Einsparungen mit minimalen finanziellen Aufwendungen durch zuvor durchzuführende Veränderungen, z. B. der Anlagenkonfiguration „Verdampfungsdruck, Verflüssigungsdruck“ o. ä. Parameter.

Es ist feststellbar, dass in der Industrie ein Wandel hin zum Monitoring stattfindet. Das wird deutlich durch das Aufkommen automatischer Energieberichte, die den Energiebedarf und die Leistung von Anlagen aufzeigen. Damit werden die Anlageninspektionen, die auf einer Einzelsystem-Vor-Ort-Wartung basier(t)en, durch planmäßige digitale Inspektionen ersetzt werden können.

Eine ebenfalls zu erwartende Möglichkeit ist die Integration in Energiemanagementsysteme von Betreibern, sodass z. B. zur Lastregelung (zur Stabilisierung der Versorgungsnetze; engl.: Demand Side Management (DSM) / Demand Response) Daten zur Verfügung gestellt werden – im Minutenintervall.

Als Fazit des Projekts hat die EPB-Plattform sowohl ihren Nutzen als auch ihre Benutzerfreundlichkeit unter Beweis gestellt. Basierend auf dem Feedback der Nutzer wurden im Projekt verschiedene Verbesserungen an der Plattform vorgenommen, darunter bessere Berichtsfunktionen und Zugriffskontrollfunktionen. Noch offene Anfragen zur Fehlererkennungshilfe und zur Sollwertverfolgung werden für zukünftige Updates priorisiert.

4 Literaturverzeichnis

[1] RICHTLINIE 2010/31/EU DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden; EUR-Lex Access to European Union law online unter https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=celex%3A32010L0031 (Kurzlink: www.t1p.de/KKA4-25Lit1)

[2] VDMA 24247-2:2018-10 Energieeffizienz von Kälteanlagen - Teil 2: Anforderungen an das Anlagenkonzept und die Komponenten online unter https://www.dinmedia.de/de/technische-regel/vdma-24247-2/294454679 (Kurzlink: www.t1p.de/KKA4-25Lit2)