Optimierung des ökologischen und ökonomischen Aufwandes der Kälteerzeugung zur Gebäudeklimatisierung

Magisterarbeit von Carsten Laue

Problemstellung:

Rund 1,3 % des Primärenergiebedarfes werden in Deutschland für die Kälteerzeugung zur Gebäudeklimatisierung aufgewendet. Ein riesiger Energieverbrauch und ein enormes Einsparpotenzial, das viel zu wenig genutzt wird. Im Vergleich dazu liegt der Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch bei etwa 6,6 %. Doch während die erneuerbaren Energien seit Jahren besonders im öffentlichen Interesse stehen, wird die Effizienz der Kälteerzeugung kaum beachtet. Zu den Themen - Gesamttreibhauspotential von Kälteanlagen zur Gebäudeklimatisierung (total equivalent warming index oder TEWI- Wert).

- Teillastverhalten von Kältemaschinen.

- Wirtschaftlichkeitsberechnungen in der Kälteerzeugung gibt es in Deutschland kaum Literatur.

Gang der Untersuchung:

In der vorliegenden Master-Thesis wird die Kälteerzeugung zur Gebäudeklimatisierung unter ökologischen und ökonomischen Aspekten untersucht. In der Arbeit wird nachvollziehbar dargestellt, wie verschiedene Varianten der Kälteerzeugung an Hand des TEWI-Wertes ökologisch miteinander vergleichbar sind. Der TEWI ermöglicht es Kälteanlagen qualifiziert zu beurteilen, sowohl in Bezug auf das Treibhauspotential des Kältemittels als auch im Hinblick auf den verursachten Treibhauseffekt durch den Stromverbrauch. Der Berechnungsalgorithmus für den TEWI-Wert wird anschaulich dargestellt und die Einflussfaktoren werden ausführlich erläutert. Die Berechnung wird für verschiedene Kälteerzeugungsanlagen für ein Einkaufszentrum vorgeführt und ist sowohl auf bestehende als auch auf neue Kälteanlagen übertragbar.

Im zweiten Teil der Masterarbeit werden die ökonomischen Hintergründe der Kälteerzeugung beleuchtet. Es wird ein Berechnungsalgorithmus vorgegeben, der es ermöglicht, die Kapitalwerte unterschiedlicher Arten der Kälteerzeugung und damit die auf den Investitionszeitpunkt abgezinsten Kosten zu berechnen. Damit werden unterschiedliche Anlagentypen finanziell vergleichbar. Nach Festlegung der Rahmenbedingungen sind die Kapitalwerte mit Hilfe einer flexibel verwendbaren Excel-Tabelle sehr einfach zu ermitteln.

In der Berechnung können alle wesentlichen Faktoren auf den Kapitalwert wie:

- Investitionskosten.

- Laufzeit und Zinsen.

- Energiekosten.

- Bedienung-, Instandhaltungs- und Wartungskosten.

- Preissteigerungen für die Kosten frei gewählt und beliebig verändert werden. Die Kostenrechnung ist analog ebenfalls auf Bestandsanlagen übertragbar.

Die Berechnungen des TEWI- und des Kapitalwertes für die verschiedenen Varianten der Kälteerzeugung werden beurteilt und graphisch dargestellt. Die Ergebnisse überraschen. Ökonomische und ökologische Ziele sind durchaus vereinbar. Dies erfordert jedoch eine Beurteilung der verschiedenen Kälteerzeugungskonzepte unter ökonomischen und ökologischen Aspekten bereits in der Planungsphase. Auf dieser Basis kann das unter beiden Gesichtspunkten optimale Anlagenkonzept verwirklicht werden.

Mit Hilfe dieser Masterarbeit gelingt es Ihnen unterschiedliche Anlagen zur Kälteerzeugung für die Klimatisierung von Gebäuden in Hinblick auf das Treibhauspotential und die Gesamtkosten über die Laufzeit der Anlage zu bewerten und miteinander zu vergleichen.

Inhaltsverzeichnis:

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Textprobe:

Kapitel 4.1, Zusammenhänge zwischen Kälteerzeugung und TEWI-Wert:

Der natürliche Treibhauseffekt ermöglicht, dass die durch Sonnenstrahlen auf der Erdoberfläche entstehende Wärme in der Atmosphäre verbleibt. Dies wird bewirkt durch Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid und andere Gase, die in der Atmosphäre in sehr kleinen Konzentrationen vorkommen. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde die Durchschnittstemperatur nicht + 15 °C sondern - 18 °C betragen. Der Treibhauseffekt ist damit einerseits für das Leben unerlässlich, ruft andererseits Schäden hervor, sobald sein Gleichgewicht gestört ist. Das Handeln des Menschen stört das Gleichgewicht u. a. durch:

- Brandrodungen.

- Das Abholzen der Wälder und damit Verminderung der Umwandlung von CO2 zu Sauerstoff und Kohlenstoff.

- Die Nutzung fossiler Brennstoffe und damit steigendem CO2-Gehalt in der Atmosphäre.

- Methanemissionen vor allem in der Landwirtschaft.

- Die Emissionen von Fluor- und Chlorkohlenwasserstoffen u. a. aus Kälteanlagen.

So stieg z. B. der CO2-Gehalt der Atmosphäre seit Beginn der industriellen Revolution von 280 auf 350 ppm (Parts per Million), der Methangehalt von 0,7 auf 1,7 ppm.

Das Treibhauspotential dieser Gase ist sehr unterschiedlich. Zur Vergleichbarkeit wurde der GWP-Wert (Global Warming Potential) eingeführt. Dieser Wert beschreibt das Verhältnis der klimatischen Auswirkung eines Gases zum Vergleichswert von CO2. Der GWP-Wert für CO2 ist dabei auf 1 festgelegt. Der GWP-Wert für das Kältemittel R 134a ist so z. B. 1300 äquivalent CO2. R 134a hat somit das 1300-fache Treibhauspotenzial von CO2.

Mit dem TEWI-Wert (Total Equivalent Warming Index) werden direkte und indirekte Auswirkungen durch Energie verbrauchende Geräte beschrieben. Der Wert drückt aus, welche Menge Treibhausgase während der Nutzungszeit in die Atmosphäre gelangen und wird in kg für CO2 äquivalent angegeben. Auch die Kälteerzeugung hat direkte und indirekte Auswirkungen auf die Atmosphäre. Ausführlicheres dazu und zum TEWI-Wert im Abschnitt 5.1.

Entgegen der Auffassung der Firma Carrier (Carrier GmbH, 2001, S. 9) sind die Auswirkungen von Kälte- und Klimaanlagen auf die Erwärmung der Atmosphäre nicht gering. Die Wirkung der Kältemittel mag gering sein, die des CO2-Ausstoßes sind es auf Grund des enormen Elektroenergieverbrauches keinesfalls.

Die für die Kälteerzeugung zur Klimatisierung notwendigen ca. 14 Mio. MWh Strom trugen 1999 mit etwa 9 Millionen Tonnen CO2 (0,65 kg CO2/kWh) zum Treibhauseffekt bei. Bei dieser Größenordnung ist es durchaus sinnvoll, die Möglichkeiten der Reduzierung der Treibhausgasemission zu prüfen.

Das Fatale ist, dass der Wunsch nach Gebäudeklimatisierung stark steigt, verbunden mit höheren Komfortbedürfnissen und steigenden Außentemperaturen. Dies bedeutet wiederum größeren Energieeinsatz zur Klimatisierung und damit eine Beschleunigung des Treibhauseffektes.