Höhere Energieeffizienz im LEH

Aufgrund des harten Wettbewerbs ist der Lebensmitteleinzelhandel immer auf der Suche nach Einsparpotentialen, um Kosten zu sparen. Da die Kälteanlage einer der größten Energieverbraucher im Supermarkt ist, gibt es hier auch hohe Einsparmöglichkeiten. So besteht z.B. die Möglichkeit eine höhere Effizienz durch die Einbindung einer transkritischen CO₂-Anlage in ein Gebäudegesamtkonzept zu erreichen.

Der Lebensmittelhandel investiert und bringt seine Märkte optisch und technisch auf den neuesten Stand. Dabei spielt der Aspekt der Energieeffizienz eine wichtige Rolle. Alle großen Handelskonzerne haben zumindest einen Mustermarkt, der hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Aspekte optimiert ist. Ziel ist es, alle Komponenten im Gebäude möglichst effizient aufeinander abzustimmen. Die Kälteanlage als einer der größten Energieverbraucher im Supermarkt sollte dabei im Zentrum eines solchen Konzepts stehen. Sinnvoll mit Blick auf den Umweltgedanken ist der Einsatz von natürlichen Kältemitteln wie CO₂. Im Vorfeld einer solchen Investition gilt es noch einige weitere Aspekte zu beleuchten.

Das Kältemittel CO₂

So bietet CO₂ (R744) für den Einsatz in einer Kälteanlage eine Vielzahl von Vorteilen. Das natürliche Kältemittel ist umweltfreundlich und hat kein Ozon-Abbaupotential (ODP, Ozone Depletion Potential). Auch das Treibhauspotential (GWP, Global Warming Potential) ist mit einem Wert von 1 gegenüber anderen in der Gewerbekälte genutzten Kältemitteln zu vernachlässigen. Es hat eine hohe volumetrische Kälteleistung bei guter Wärmeübertragung. Ein Druckverlust in den Rohrleitungen einer mit R744 betriebenen Kälteanlage führt nur zu geringen Temperaturabfällen. Darüber hinaus ist es nicht brennbar und erst bei höheren Konzentrationen für den menschlichen Organismus schädlich. Gleichzeitig werden bei einem unterkritischen Betrieb sehr gute Werte für den Coefficient of Performance (COP) erzielt.
Zu den Herausforderungen beim Einsatz von R744 zählt vor allem aber die kritische Temperatur von 31 °C. Dies bedeutet, dass die Anlage bei hohen Außentemperaturen transkritisch betrieben wird und eine aufwendigere Regelung erforderlich ist. Damit werden in einem dementsprechenden Kontext weiterhin gute COP-Werte erzielt. Beim Einsatz von R744 entsteht im Gegensatz zu anderen Kältemitteln darüber hinaus eine Drucklage von bis zu 100 bar gegenüber bis zu 25 bar bei einer konventionellen Kälteanlage.

 
Mögliche Markteintrittsschranken aus Anwendersicht

Über ein Jahr betrachtet arbeitet eine CO₂-Kälteanlage so effizient, dass in Summe eine deutlich höhere Energieeffizienz erreicht wird. Denn die Anzahl an Tagen mit entsprechend hohen Außentemperaturen, die den transkritischen Betrieb erfordern, ist in den hiesigen Breitengeraden sehr gering. Dennoch muss die Anlage für den transkritischen Betrieb konstruiert werden, was deutlich höhere Investitionskosten bedingt.

 
Ganzheitliche Ansätze zur energetischen Optimierung

Für einen subkritischen Betrieb auch bei hohen Außentemperaturen muss eine entsprechende Wärmesenke gefunden werden. Ein möglicher Lösungsansatz ist eine zusätzliche Kälteanlage mit einem natürlichen Kältemittel wie Propan oder Ammoniak. Ein weiterer Weg, um einen subkritischen Betrieb zu erreichen, ist eine von der Außenluft unabhängige und vom Temperaturniveau her niedrige Wärmesenke, die die anfallende Abwärme abführen kann. Es empfiehlt sich, auf die Erfahrungen aus der Wärmepumpentechnik zurückzugreifen, da hier umfangreiches Wissen in der Erschließung von Wärmequellen und zur Untersuchungen der Bodenbeschaffenheit vorhanden ist. Den Nutzungsrahmen solcher Technologien geben bereits existierende Normen und Richtlinien vor. Sie schaffen ferner Planungs- und Rechtssicherheit. Eine zusätzliche Verwendungsmöglichkeit solcher Wärmequellen bietet sich im Sommer. Denn dann kann die­se aufgrund des Temperaturniveaus für die Kältetechnik als Wärmesenke fungieren.

 
Grundwasser und Erdreich als Wärmesenken

Als Wärmesenken können sowohl das Erdreich als auch das Grundwasser genutzt werden. Das Erdreich steht dafür fast überall zur Verfügung. Zulässig ist eine Erwärmung bei Lastspitzen um 17 bis 18 K. Die Nutzung erfolgt über Flächenkollektoren oder Erdsonden. Bei dieser Vorgehensweise ist aber zu beachten, dass es zu einer Austrocknung des Erdreichs und damit zu einer Isolierung der Erdsonde oder des Flächenkollektors kommen kann. Solche Entwicklungen wirken sich negativ auf die Leistung aus. Auch der Energieaufwand für die Solepumpen durch die höhere Viskosität der Sole ist zu berücksichtigen. Grundsätzlich ist eine dementsprechende Anlage genehmigungspflichtig und die damit verbundenen Investitionskosten sind nicht unerheblich.
Außerdem ist der Einsatz des Grundwassers über ein Brunnensystem als Wärmesenke beziehungsweise Wärmequelle möglich. Es hat über das gesamte Jahr eine konstante Temperatur von 8 °C bis 12 °C. Außerdem erfordert die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser nur geringe Volumenströme. Aber auch hier ist eine Genehmigung für den Einsatz notwendig. Leider eignet sich nicht jedes Grundwasser aus unterschiedlichsten Gründen – wie beispielsweise der schwankenden Qualität – für eine Verwendung. Des Weiteren darf der Grundwasserstrom maximal um 6 K erwärmt werden.

 
Die Realität ist der beste Prüfstein

Bei dem neu errichteten Edeka-Markt Rentschler im baden-württembergischen Dornhan wurde eine transkritische CO₂-Kälteanlage in das Gesamtgebäudekonzept integriert. Dieses regelt den Energieeinsatz im ganzen Markt. Im Winter wird die Abwärme der CO₂-Kälteanlage zur Beheizung des Gebäudes eingesetzt. Außerdem dient sie zur Brauchwassererwärmung. Für die Spitzenlastabdeckung steht zusätzlich eine Wärmepumpe zur Verfügung, die über eine Geothermie-Grundwasseranlage versorgt wird. Der Gaskühler arbeitet im Sommer als Enthitzer und die Verflüssigung erfolgt bei dieser Anlagenkonstruktion subkritisch über die Geothermieanlage. Dies ermöglicht während des gesamten Jahres eine hocheffiziente Betriebsweise.

 
Perspektiven für die Gewerbekälte

Durch ein solches Gesamtkonzept wird eine enge Abstimmung der Systeme erzielt, die eine Verringerung des Gesamtenergiebedarfs ermöglicht. Dabei wird die Gebäudeheizung ausschließlich über die Kälteanlage realisiert. Eine zusätzliche Heizungsanlage wird dadurch überflüssig. Darüber hinaus kann mittels einer sinnvollen Kombination die ganzjährige subkritische Betriebsweise erreicht werden. Voraussetzung dafür ist aber, den Fokus auf den niedrigen Energieverbrauch und umweltfreundliche Kältemittel zu legen, und das Gebäude als Gesamtsystem zu begreifen sowie zu planen.