Lebensmittel kühlen – mit weniger Strom

Ein Kühlschrank gehört heute zur Grundausstattung jeder Wohnung. Auch für Industrie und Handel ist die Kälteproduktion von zentraler Bedeutung. Ein wichtiges Einsatzgebiet sind Supermärkte, Cash-and-Carry-Märkte oder Verteilzentren, die Lebensmittel durch Kühlung bzw. Tiefkühlung lagerfähig machen. Diese Kälteanlagen verfügen über Kälteleistungen von 50 bis über 1000 kW. Als Kältemittel ist unterdessen Kohlendioxid stark verbreitet: CO2 ist nicht brennbar, ungiftig und – im Fall von Leckagen – deutlich weniger klimaschädlich als andere Kältemittel.

Der Stromverbrauch von CO2-Kälteanlagen konnte in jüngster Zeit durch eine Reihe von technischen Massnahmen vermindert werden. Dazu gehören die Parallelverdichtung, der Einsatz sogenannter Ejektoren und die Teilflutung der Kühlstellen. Bei Kombination dieser Optimierungsschritte kann die Energieeffizienz von CO2-Kälteanlagen um rund 25% verbessert werden.

Rund 8 Prozent weniger Strom

Die jüngste technische Innovation zur Senkung des Stromverbrauchs wird unter dem Namen 'Energie-Transfer-System' – kurz: ETS – gehandelt. Die weltweit erste CO2-Kälteanlage mit ETS wurde im Herbst 2022 beim Prodega-Markt in Dietikon ZH in Betrieb genommen, einem Lebensmittel-Grossmarkt für Gastronomie und Hotellerie. Eine weitere von zwischenzeitlich vier Kälteanlagen mit ETS läuft seit Oktober 2024 im Prodega-Markt St.Gallen, der ebenfalls zur Coop-Tochter Transgourmet gehört. Um die Performance der beiden ETS zu beurteilen, wurden beide Anlagen mit einem mehrmonatigen Monitoring begleitet: die Anlage in Dietikon im Winter 2022/23, die Anlage in St.Gallen im Winter 2024/25. Verantwortlich für das Monitoring war die Frigo-Consulting AG, Gümligen BE, welche die Kälteanlagen mit ETS entwickelt, geplant und deren Einbau begleitet hat. Das Bundesamt für Energie hat die Entwicklung sowie das Monitoring im Rahmen seines Pilot- und Demonstrationsprogramms finanziell unterstützt.

Die Begleitforschung hat ergeben, dass die ETS-Technologie funktioniert und der zugehörige thermodynamische Prozess mit Regeltechnik automatisch gesteuert werden kann. Werden CO2-Kälteanlagen mit einem ETS ergänzt, verbrauchen sie rund 8% weniger Strom, wie Projektleiter Jonas Schönenberger aus den vorliegenden Messergebnissen ableitet: «Unsere Messungen in Dietikon und St.Gallen stammen jeweils aus dem Winterhalbjahr. Durch Extrapolation der vorliegenden Messwerte auf das ganze Jahr können wir ableiten, dass 8% Einsparungen realistisch sind. Wir haben sogar Anhaltspunkte, dass diese noch leicht höher liegen könnten.»

Abwärme doppelt genutzt

Das ETS ist ein zusätzlicher thermodynamischer Kreislauf, mit dem die bisherigen CO2-Kälteanlagen ergänzt werden. Er besteht hauptsächlich aus einer Pumpe und einem sogenannten Ejektor. Als Kältemittel wird dasselbe Medium genutzt wie in der Kälteanlage, also CO2. Das ETS nutzt die bis zu 100-grädige Abwärme aus der Kälteanlage über einen Rankine-Prozess zur Bereitstellung von Kälte (vgl. Textbox1). Die zusätzliche Kälte entlastet die Kälteanlage, wodurch diese Strom spart und energieeffizienter arbeitet.

Das ETS ist somit eine neue Form, die Temperaturdifferenz der Abwärme der Kälteanlage zu nutzen. Die Abwärme der Kälteanlage kann aber auch bei Einsatz eines ETS weiterhin zur Gebäudeheizung herangezogen werden, wie Jonas Schönenberger betont: «Kälteanlagen mit ETS tragen praktisch gleich viel zur Gebäudeheizung bei wie Kälteanlagen ohne ETS. Der Unterschied ist einzig, dass die Abwärme, die für die Gebäudeheizung herangezogen wird, auf einem tieferen Temperaturniveau anfällt, also nicht bei rund 100 °C, sondern bei rund 50 °C. Diese Temperatur reicht für Heizzwecke völlig aus. Weder Heizleistung noch Wärmemenge werden durch das ETS relevant vermindert.»

Neuentwicklung einer Pumpe

Das eigentliche Herzstück des ETS ist eine Pumpe, die das CO2 im Rankine-Kreislaufprozess befördert und verdichtet. Beim Rankine-Kreisprozess findet die Druckerhöhung nämlich in der flüssigen Phase mit einer Pumpe statt (während im herkömmlichen Kälteprozess ein Verdichter das gasförmige CO2 komprimiert).

Die Besonderheit dieser Pumpe: Sie fördert einen relativ kleinen Volumenstrom, muss im Gegenzug aber einen hohen Druckhub meistern. Pumpen mit dieser Spezifikation sind auf dem Markt wenig verbreitet. Für das ETS im Prodega-Markt Dietikon wurde eine Kolbenpumpe ausgewählt, die einen Druckhub von 40 bis 70 bar vollzog. In der praktischen Anwendung führte die hohe mechanische Beanspruchung nach kurzer Zeit zu Leckagen, so dass CO2 austrat. Die Kolbenpumpe offener Bauart musste nach rund 4000 Betriebsstunden ausser Betrieb genommen und revidiert werden.

Trotz dieses Fehlschlags waren die ersten Betriebsversuche erfolgreich: Das Projektteam hatte mit der Kolbenpumpe den Nachweis erbracht, dass das ETS unter realen Betriebsbedingungen grundsätzlich funktioniert. Dank dieser positiven Betriebserfahrung konnte ein Pumpenhersteller für die Neuentwicklung einer robusten Pumpe mit den gewünschten Spezifikationen gewonnen werden: Es handelt sich um eine halbhermetisch ausgeführte Radialpumpe, die in einem Stahlgehäuse mit hoher Druckbeständigkeit (130 bar) untergebracht ist. Diese Neuentwicklung kam im Herbst 2024 im ETS der Kälteanlage im Prodega-Markt St. Gallen erstmals zum Einsatz. Die Pumpe hat in den ersten Monaten ihren Dienst zuverlässig und ohne Leckagen verrichtet. Dank der höheren Druckbeständigkeit der Radialpumpe kann diese geringfügig anders im ETS eingebunden werden, wodurch ein deutlich geringerer Druckhub von rund 15 bar ausreicht, was energetisch vorteilhaft ist. «Mit der neuentwickelten Radialpumpe konnten wir das ETS so umsetzen, wie wir es ursprünglich geplant hatten», sagt Schönenberger. «Unsere ersten Messungen deuten darauf hin, dass wir den berechneten Effizienzgewinn von 8% mit dieser Konfiguration sogar noch etwas überbieten können.»

Fünf bis acht Jahre Amortisationszeit

Wenn sich die Betriebserfahrungen mit der Anlage im Prodega-Markt St.Gallen auch langfristig bestätigen, könnten CO2-Kälteanlagen mit ETS zu einem neuen energieeffizienten Standard werden. Nach Auskunft von Jonas Schönenberger ist bereits eine Reihe weiterer CO2-Kälteanlagen mit ETS in Planung. Es handelt sich dabei um grössere Kälteanlagen mit Kälteleistungen ab 200 bis 300 kW, wie sie z.B. in grossen Lebensmittel-Verteilzentren mit mehreren Tausend Quadratmetern Kühlfläche zum Einsatz kommen. Die Mehrkosten des ETS werden nach Angaben von Frigo-Consulting innerhalb von fünf bis acht Jahren durch Einsparungen bei den Stromkosten amortisiert. Bei kleineren Anlagen arbeitet das ETS heute noch nicht wirtschaftlich, da sich die Investitionskosten mit heute verfügbaren Komponenten und Technologien nicht beliebig nach unten skalieren lassen, wie Schönenberger betont.

Der vollständige Beitrag erscheint in p+i 04/25

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