Das Problem: Je größer der Anteil erneuerbarer Energien, desto größer sind die Schwankungen bei der Stromerzeugung. Um das Jahrhundertvorhaben der Energiewende umzusetzen, gilt die Kältetechnik als wichtiger Faktor, sogenannte „Smart Grids“ sollen elektrische Verbraucher intelligent nach dem Bedarf im Netz zu- oder abschalten.

Die Elektrizität in speicherbare Energieformen umwandeln

Die Experten arbeiten an Lösungen, die Elektrizität in gut speicherbare Energieformen umwandeln. Dazu gehören neben Wärme, Wasserstoff und anderen Chemikalien auch Kälte. Da die geeignete Möglichkeit der Stromspeicherung davon abhängt, wofür der Strom in der Region verwendet wird, werden unterschiedliche Energieformen parallel zum Einsatz kommen. „Multimodal“ ist das Konzept für die Zukunft. Neben Batterien (power to power), Brennstoff (power to fuel) und Chemikalien (power to chemicals) wird die Kältetechnik (power to cold) wichtig sein. Das Smart Grid verändert die Anforderungen an Klima- und Kälteanlagen nachhaltig, die Anlagen bieten für die Energiewirtschaft ein attraktives Lastverschiebungspotenzial.

Für die Balance von Energieerzeugung und Energieverbrauch muss ein Ausgleich auf lokaler Ebene angestrebt werden, wofür besonders Kälte- und Wärmespeicher infrage kommen.

Integration von Kälteanlagen in das Smart Grid

Kälte lässt sich im Vergleich zu Strom relativ einfach speichern, weshalb sich kältetechnische Systeme als Energiespeicher eignen. Kommt es zu einem Energieüberschuss, nehmen die Systeme den zusätzlichen Strom auf und stabilisieren so das Stromnetz. Der „Quantum“-Kaltwasserersatz der Engie Refrigeration GmbH ist beispielsweise für den Einsatz im Smart Grid geeignet. Solch eine Maschine erkennt Signale zur Leistungsanpassung und gleicht die Stromaufnahme entsprechend an. Von der hohen Wirtschaftlichkeit profitieren die Betreiber und tragen so maßgeblich zum Umweltschutz bei.

„Mit dem Quantum steht Anlagenbetreibern eine Kältemaschine zur Verfügung, die sich durch hervorragende EER-Werte unter Teillast und damit durch höchste Energieeffizienz auszeichnet“, sagt Dr. Jürgen Süß, Geschäftsführer der Engie Deutschland GmbH.

Ein Gesamtkältekonzept stellt hohe Anforderungen an die Kompetenz der Betreiber. Für die einwandfreie Funktion muss die Kälteanlage gesteuert, überwacht und gewartet werden. Auch gesetzlich verpflichtende Aufgaben wie Unterweisungen und Gefährdungsbeurteilungen gehören dazu. Bei großen Anlagen werden spezialisierte Dienstleister diese Aufgaben übernehmen, das sogenannte „Kälte-Contracting“ wird die Weiterentwicklung der Kältetechnik beschleunigen.

Ein effizienter Kältespeicher in der Industrie

Für Industrieunternehmen geht ein Ausgleich elektrischer Lastspitzen meist mit einer unmittelbaren Kostenersparnis einher. Das Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) untersucht die Auswirkungen von Kältespeichern auf die Reduktion der Spitzenlasten. Anders als für Wärmespeicher gibt es für große Kaltwasserspeicher bisher keine wissenschaftlichen Untersuchungen. Der in Erlangen installierte Vakuum-Kältespeicher ist in seiner Größe weltweit einzigartig. Das Ladevolumen beträgt 80 Kubikmeter und ist damit besonders für industrielle Anwendungen interessant.

Mit einem Kaltwassertank gegen Lastspitzen

Gerade im Sommer verursachen Kälteanlagen Lastspitzen. Die Idee: Die Kältebereitstellung mit einem Kaltwassertank in die Nachtstunden verlagern. In der Nacht ist das Wasser heruntergekühlt und wird im Pufferspeicher verwahrt, sodass es zu Spitzenlastzeiten am Tag zur Verfügung gestellt werden kann. Als Resultat ergibt sich eine Steigerung der Gesamteffizienz: Die Kälteenergie wird in den Nachtstunden bereitgestellt, wenn Außentemperaturen niedriger sind, und für die Rückkühlung weniger Energie nötig ist. Bezogen auf den elektrischen Energieeinsatz wurde bei der Kälteversorgung im IISB eine jährliche Einsparung von 15 Prozent erreicht.

Eine intelligente Steuerung der Speichersysteme ist nötig

Über den Erfolg der Kälteanwendungen entscheiden geringe thermische Verluste und eine ideale Isolierung. Erwärmt sich das Wasser auch nur geringfügig, verringert sich dadurch die Speicherkapazität deutlich. Zusätzlich bedarf es einer raffinierten Betriebsstrategie, wofür das IISB eine intelligente Speichersystem-Steuerung entwickelt. Elektrische Kälte-Lastprofile werden analysiert und auf diese Weise Lastspitzen erkannt. Aus den Daten lassen sich Prognosen für den nächsten Tag ableiten, um die Kältemaschinen so zum richtigen Zeitpunkt zu betreiben und die Kältespeicher zu beladen. In der Realität kommen schwer vorhersehbare elektrische Bezugsspitzen hinzu, die sich durch eine intelligente Verknüpfung von thermischen und elektrischen Energiespeichern ausgleichen lassen.

Das Stromnetz der Zukunft

Die Kältetechnik hat beim Stromnetz der Zukunft eine wichtige Rolle, Kälteanlagen gewähren ein hohes thermisches Speichervermögen. Um den Bedarf abzudecken, werden parallel unterschiedliche Energieformen zum Einsatz kommen, das Konzept für die Zukunft ist „multimodal“. Wichtig wird sein, dass die Smart-Grid-Technologie so verlustfrei wie möglich ineinander greift.

  • Das intelligente Stromnetz der Zukunft muss flexibel auf Lastspitzen reagieren, zur Speicherung werden unterschiedliche Energieformen parallel zum Einsatz kommen – die Kältetechnik ist eine davon
  • Die Minimierung thermischer Verluste ist für den Erfolg der Kältetechnik wichtig
  • Spezialisierte Dienstleister können in Zukunft die Steuerung, Wartung und Pflege der Kälteanlagen übernehmen