Immer schön cool bleiben

Das Weltklima erwärmt sich, Abgase heizen die Atmosphäre auf. Nicht nur Menschen, Tiere und Pflanzen stöhnen unter der Sommerhitze. Auch die Broker an den Strommärkten geraten ordentlich ins Schwitzen: In den USA und Australien beispielsweise sind die Strompreise in der sommerlichen Mittagshitze am höchsten. Denn überall springen Klimaanlagen und Kühlsysteme an. Ihr Energiehunger ist gewaltig – und übersteigt den Strombedarf für Wärme deutlich.

In Deutschland zeigt der Strompreis mittlerweile eine ähnliche Tendenz. An der Energiebörse in Leipzig sind die Spotpreise für Mittagsstrom am höchsten – im Sommer. Denn auch hierzulande springen millionenfach Kälteaggregate, Kühlsysteme und Ventilatoren an. Ihr Strombedarf belastet die Netze und die Geldbeutel der Kunden, was vor allem im Gewerbe spürbar ist. Die steigenden Temperaturen lassen die Stromkosten steigen.

Man kann sogar sagen: Während die Heizwärme in unseren Breiten an Bedeutung verliert, wird der Energiebedarf für Kühlung weiter anschwellen. Kein Wunder: Nach Prognosen von Klimaforschern aus Potsdam wird Berlin im Jahr 2050 ein Klima haben wie Mailand heute.

Rund 15 Prozent des deutschen Stromverbrauchs fließen in Kältetechnik und Klimatisierung. Der Strombedarf der vornehmlich gewerblichen Kältetechnik summiert sich auf mehr als 80.000 Gigawattstunden im Jahr. Das sind sechs Prozent des Bedarfs an Primärenergie.

Bedarf steigt jährlich um 15 Prozent

Jährlich steigt der weltweite Kältebedarf um 15 Prozent. Allein in den besonders heißen und dürren Jahren zwischen 2001 und 2006 verdoppelte sich die installierte Klimatisierungsleistung von 130 Gigawatt auf 260 Gigawatt. Mittlerweile werden weltweit mehr als 500 Gigawatt Kraftwerkskapazität benötigt, um den Strombedarf für technische Kühlsysteme zu bedienen. Denn generell nimmt der Strombedarf der großen Schwellenländer des Südens zu, etwa in China, Indien, Thailand, den Philippinen oder Brasilien.

Bleiben wir in Deutschland. Alle Welt redet über Glühbirnen oder Heizungen. Im Winter ist es kalt, also muss man die Räume erwärmen. Heiztechnik ist ein Saisongeschäft, zumindest, was die Raumheizung betrifft. Im Sommer wird lediglich Warmwasser benötigt, die Heizung bleibt ausgeschaltet.

Bei Kühlung und Kälte ist das grundsätzlich anders: Der Strombedarf für elektrische Systeme zur Erzeugung von Frost (unter null Grad), zur Kühlung (Absenkung der Raumtemperatur gegenüber der Außenluft) und zur Lüftung (Luftwechsel ohne Änderung der Temperatur) ist besonders dann sehr hoch, wenn die Sonne drückt.

Zu viel Energie vom Himmel

Raumwärme (Heizwärme) wird benötigt, weil die Sonne in der Heizperiode zu wenig Energie liefert. Energie für Kälte und Kühlung werden gebraucht, um zu viel Energie vom Himmel während der Sommermonate auszugleichen. Darüber hinaus gibt es auch im Winter erheblichen Kältebedarf, etwa zur Lagerung von Lebensmitteln oder Medikamenten.

An dieser Stelle geht es nicht um den Kühlschrank im Eigenheim oder in der Mietwohnung. Es geht vor allem um gewerbliche Kühlung: für Lebensmittel, Medikamente, in Restaurants, Schulen oder Bürogebäuden. Weil moderne Gebäude immer besser gedämmt und luftdicht gebaut sind, sinkt ihr Raumwärmebedarf.

Markt für Klimatisierung wächst

Dagegen steigt der Bedarf für die Kühlung und Lüftung, sprich: Klimatisierung. Weltweit wuchs der Markt für Klimageräte im vergangenen Jahr um sieben Prozent auf 97,7 Milliarden US-Dollar (89 Milliarden Euro), gerechnet gegenüber 2013. In Deutschland legte dieser Markt um 2,2 Prozent zu. Jährlich gehen bei uns deutlich mehr als 100.000 Klimageräte über den Ladentisch.

Vor allem Direktverdampfer spielen eine zunehmende Rolle. Daneben steigt die Bedeutung von Wärmepumpen zur Kühlung. Laufen sie in der reversiblen Betriebsweise, können sie die Überschusswärme über Kühldecken oder andere hydraulische Systeme aus dem Raum fördern. Allerdings ist der Strombedarf für die hydraulischen Pumpen nicht zu unterschätzen. Auch ist die Kühlleistung der Flächensysteme durch die thermische Trägheit der Hydraulik beschränkt. Wärmepumpen eignen sich für Räume und Gebäude, wo dasselbe Aggregat sowohl die Raumwärme als auch die sommerliche Kühlung bereitstellen soll.

Alle Leistungsklassen möglich

Das ist oft in Eigenheimen oder Bürogebäuden der Fall. Auch Schulen lassen sich damit kühlen, kombiniert mit nächtlicher Durchlüftung. Speziell gewerblichen oder industriellen Kühlbedarf decken moderne Direktverdampfer ab, die im Prinzip alle Leistungsklassen anbieten. Sie werden unter dem Kürzel VRF (Variable Refrigerant Flow) geführt. Meist sind es elektrisch angetriebene Splitgeräte, die einen variablen Kältemittelstrom mit stetig regelbaren Außengeräten erzeugen, je nach Leistungsbedarf im Innern.

Denn es sind nicht nur die Außentemperaturen, die mehr Kälte und Kühlung fordern. Zunehmend wächst die Zahl der Wärmequellen in den Gebäuden: Alle elektrischen Geräte erzeugen unerwünschte Abwärme, nicht nur die zum Aussterben verdammte Glühbirne. Auch PCs oder Serverräume, Küchengeräte und die Unterhaltungselektronik geben Wärme ab, die im Sommer aus dem Raum gebracht werden muss.

Ebenso liegt die thermische Leistung eines Menschen zwischen 80 Watt (ruhend) und 150 Watt (physisch aktiv). Je mehr Menschen und Maschinen in einem Raum arbeiten, umso mehr Wärme muss aus dem Gebäude gebracht werden. Rund 90 Prozent der Gebäudeklimatisierung werden in Deutschland durch elektrische Energie geleistet.

Prinzipiell arbeiten elektrische Kältemaschinen wie Wärmepumpen, nur umgekehrt. Das ist im Kühlschrank so, in der Eisbox oder in der großvolumigen Kühlzelle des Schlachthofs. In Kompressionsmaschinen (Chiller) läuft ein elektrisch angetriebener Verdichter, der ein verdampftes Kältemittel ansaugt und komprimiert. Im nachgeschalteten Verflüssiger gibt der Kältemitteldampf seine Wärme über einen Wärmetauscher ab und kondensiert.

Das Fluidum wird zum Entspannungsventil geleitet, wo das Kältemittel teilweise wieder verdampft. Im Verdampfer nimmt es die Wärme des zu kühlenden Raums auf, der dadurch gekühlt wird. So beginnt der Kreislauf von vorn. Deshalb kann man Wärmepumpen zum Kühlen einsetzen, wenn man ihre Betriebsweise umkehrt.

Luft wird entfeuchtet

Durch einen Verdichter wird die angesaugte Luft jedoch nicht nur abgekühlt, sondern auch entfeuchtet (Kondensat). Kühlung geht also immer mit Trocknung einher. In Kühlzellen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ist diese Tatsache besonders wichtig. Dort bildet das Kondensat dicke Eisschichten am Kühlregister, die wiederum den Strombedarf nach oben treiben. Die Entfeuchtung der Luft wird aus Gründen der Energiekosten immer wichtiger.

Wie bei den Wärmepumpen halten auch in der Kältetechnik zunehmend Scroll-Verdichter Einzug. 95 Prozent aller Raumklimageräte in Deutschland sind dem gewerblichen Sektor zugeordnet. Zur Kühlung von Lebensmitteln werden sehr oft Kolbenverdichter verwendet. Sie mit Solarstrom zu betreiben, liegt – wie bei den Wärmepumpen – auf der Hand.

Allein in Deutschland laufen derzeit über 120 Millionen elektrische Kältemaschinen: vom kleinen Hauskühlschrank und der Eisbox bis hin zu den Vitrinen der Supermärkte und den Tiefkühlaggregaten der Industrie. Jährlich emittieren sie aufgrund ihres enormen Strombedarfs rund 70 Millionen Tonnen Kohlendioxid.

Solarerträge passen zum Kühlbedarf

Und: Der Kältebedarf im Sommer ist nicht selten für die Wirtschaftlichkeit der Unternehmen essenziell. Fällt in einem Krankenhaus die Kühlzelle für die Medikamente aus, summieren sich die Schäden schnell auf Tausende Euro. Im sehr heißen Sommer 2003 verdarben in vielen Lagern und Supermärkten des Einzelhandels die Lebensmittel, dort beliefen sich die Schäden auf Millionen Euro. Fällt im Winter die Heizung aus, sind solche Schäden eher nicht zu erwarten. Soll heißen: Die Versorgung mit Kältestrom ist oft so wichtig, dass sie als unterbrechungsfreie Stromversorgung konzipiert ist. Sie muss auch bei Ausfall des öffentlichen Stromnetzes funktionieren.

Auch wenn viele Kühlaggregate im Gewerbe und in der Industrie während des ganzen Jahres durchlaufen, ist der Strombedarf im Sommer und während der Mittagsstunden am höchsten. Mithilfe von Solargeneratoren lassen sich kostenintensive Bedarfsspitzen direkt abdecken. Das Ertragsprofil der Solaranlagen und der Strombedarf der Kühltechnik passen unmittelbar zusammen – ohne Umweg über einen Stromspeicher. Große Bürogebäude oder Lagerhallen bieten ausreichend Fläche, um auch für leistungsstarke Kälteaggregate genug Solarstrom zu erzeugen.

Das Erneuerbare-Wärme-Gesetz (EEWärmeG), das im Mai 2011 novelliert wurde, schreibt nicht nur für die Heizwärme eines Neubaus oder eines „grundlegend renovierten öffentlichen Gebäudes“ bestimmte Nutzungspflichten für erneuerbare Energien vor. Auch bei der Deckung des Kälteenergiebedarfs müssen mindestens 15 Prozent des Energiebedarfs aus Solarenergie stammen. Ersatzweise ist Biogas oder andere Biomasse zugelassen.

EnEV belohnt Photovoltaik

Die Energieeinsparverordnung (EnEV) erlaubt es, Photovoltaik als erneuerbare Energie gleichrangig beispielsweise mit Solarthermie zu bewerten. Neben den elektrischen Kompressionsmaschinen oder den Wärmepumpen gibt es Adsorptionssysteme, die mit solarthermischer Unterstützung arbeiten, um die Zeolithe zu trocknen. Auch sie laufen in der sommerlichen Mittagshitze auf Hochtouren. Dann ist der Strombedarf der hydraulischen Pumpen für den Kältekreis, die Rückkühlung und den Solarkreis am höchsten.

Ein Hotel in Madrid

Konventionelle Klimaanlagen mit einer Leistung von fünf Kilowatt laufen in Deutschland im Jahr rund 1.200 bis 1.400 Volllaststunden. Im Durchschnittsbetrieb summiert sich ihr jährlicher Stromverbrauch auf bis zu 7.000 Kilowattstunden. Bei einem Strompreis von 24 Eurocent je Kilowattstunde berappt der Betreiber immerhin 1.680 Euro im Jahr. Mit Photovoltaik lassen sich Stromkosten von neun bis zehn Eurocent erreichen. Nutzt man Solarstrom für die erwähnte Klimaanlage, liegt die Einsparung auf der Hand.

Büros werden in Deutschland nur im Sommer gekühlt. Das entspricht 600 bis 800 Vollbenutzungsstunden. In Italien liegt dieser Wert bei 800 bis 1.500 Stunden.

Nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg spielen photovoltaische Systeme zunehmend ihre wirtschaftlichen Vorteile aus. Die Forscher verglichen verschiedene Varianten der Kühlung eines Hotels in Madrid mit elektrischer Kompressionstechnik, die durch Photovoltaikmodule versorgt wird.

Die Photovoltaik sparte am meisten teure Primärenergie ein, bei geringsten Investitionskosten. Zudem kann der Solargenerator seine Ertragsüberschüsse ins Netz speisen oder anderen Verbrauchern im Gebäude zur Verfügung stellen. Mit solarthermischen oder anderen Systemen ist das schwieriger, weil dafür ein komplexes Hydrauliksystem im Gebäude vorhanden sein muss. Auch erfordern die solarthermischen Kollektoren großvolumige Speicher, damit sie in der sommerlichen Hitze nicht überkochen.

Solarstrom ist ein Alleskönner

Dagegen kann Solarstrom auch die Ventilatoren der Lüftungstechnik und die Fernseher der Hotelgäste versorgen. Um den Strombedarf der Kühlgeräte zu decken, bedarf es keiner zusätzlichen Investition. Lediglich das Energiemanagement muss den Strombedarf erkennen und direkt aus den Solarerträgen decken.