Umwelt-Aspekte

Treibhauseffekt und TEWI-Kennwert

Wie bereits erläutert (Kältemittelentwicklung und Gesetzeslage), wurde eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt beim Betrieb von Kälteanlagen individuell beurteilt werden können (TEWI = Total Equivalent Warming Impact).

Alle halogenierten Kältemittel, einschließlich der chlorfreien HFKW, zählen zur Kategorie der Treibhausgase. Eine Emission dieser Stoffe trägt zum Treibhauseffekt bei. Im Vergleich zu CO2 – dem in der Atmosphäre (neben Wasserdampf) überwiegenden Treibhausgas – sind die Auswirkungen allerdings beträchtlich höher. So ist z.B. die Emission von 1 kg R134a (Zeithorizont 100 Jahre) etwa gleichzusetzen mit 1430 kg CO2 (GWP = 1430). Schon aus diesem Sachverhalt wird ersichtlich, dass eine Verminderung von Kältemittelverlusten zu den wesentlichen Aufgaben der Zukunft gehören muss.

Dem gegenüber ist der höchste Anteil am Treibhauseffekt einer Kälteanlage die indirekte CO2-Emission durch Energieerzeugung. Bedingt durch den hohen Anteil fossiler Brennstoffe in Kraftwerken liegt die freigesetzte CO2-Masse – im europäischen Durchschnitt – bei etwa 0,45 kg pro kWh elektrischer Energie. Über die gesamte Lebensdauer einer Anlage resultiert daraus ein erheblicher Treibhauseffekt.

Wegen des hohen Anteils an der Gesamtbilanz besteht deshalb neben der Forderung nach Alternativ-Kältemitteln mit günstiger (thermodynamischer) Energiebilanz auch ein verstärkter Zwang zum Einsatz hocheffizienter Verdichter und Zusatzaggregate sowie optimierter Anlagenkomponenten und Systemsteuerung.

Beim Vergleich verschiedener Verdichterbauarten kann der Unterschied der indirekten CO2-Emission (durch Energiebedarf) durchaus höher sein als die gesamten Auswirkungen durch Kältemittelverluste.

Eine übliche Formel zur Berechnung des TEWI-Kennwertes (Berechnungsmethode für TEWI-Kennwerte) zeigt, wie die jeweiligen Einflussbereiche entsprechend unterteilt sind.

Ergänzend dazu zeigt die folgende Abbbildung Vergleich von TEWI-Kennwerten (Beispiel) anhand eines Beispiels (Normalkühlung mit R134a) die Verhältnisse von TEWI-Kennwerten bei unterschiedlichen Kältemittelfüllmengen (Leckverlusten) und Energiebedarfswerten.

In diesem Beispiel wird vereinfachend von einer pauschalen Leckrate als Prozentsatz der Kältemittelfüllung ausgegangen. Bekanntlich streuen die effektiven Werte in der Praxis sehr stark, wobei das potenzielle Risiko bei individuell gebauten und weit verzweigten Systemen besonders hoch ist.

Zur Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen werden weltweit große Anstrengungen unternommen und auch teilweise schon gesetzliche Verordnungen eingeleitet. Für den Bereich der EU gilt seit Juli 2007 eine gesetzliche „Verordnung über bestimmte fluorierte Treibhausgase“, die auch für Kälte- und Klimaanlagen strenge Anforderungen festschreibt. Die revidierte Verordnung Nr. 517/ 2014 trat unterdessen in Kraft und ist seit Januar 2015 in Anwendung.

Beispiel

Beispiel
Normalkühlung R134a
to-10°C
tc+40°C
m10 kg // 25 kg
L [10%]1 kg // 2,5 kg
Q013,5 kW
E5 kW x 5000 h/a
β0,45 kg CO2/kWh
α0,75
η15 Jahre
GWP1430 (CO2 = 1)
Zeithorizont 100 Jahre

Vergleich von TEWI-Kennwerten: Beispiel



Öko-Effizienz

Eine Bewertung auf Basis des TEWI-Kennwerts berücksichtigt die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt während der Betriebsperiode einer Kälte-, Klima- oder Wärmepumpenanlage. Die gesamten ökologischen und ökonomischen Aspekte werden dabei aber nicht betrachtet.

Bei einer Bewertung von Technologien wie auch bei Entscheidungen über Investitionen haben jedoch neben ökologischen auch ökonomische Aspekte einen bedeutenden Stellenwert. So führt bei technischen Systemen die Reduzierung von Umweltlasten häufig zu hohen Kosten, geringe Kosten gehen vielfach mit verstärkten Auswirkungen auf die Umwelt einher. Dabei stehen in Unternehmen häufig die Investitionen im Vordergrund, hingegen werden sie bei der Diskussion um die Minimierung der Umweltprobleme oft vernachlässigt.

Mit Blick auf eine objektivere Beurteilung wurden in 2005 und 2010 Studien* vorgestellt, die am Beispiel von Supermarktkälteanlagen ein Konzept zur Bewertung der Öko-Effizienz beschreiben. Basis dafür ist das Verhältnis von Wertschöpfung (wirtschaftlicher Wert eines Produktes) zu entstehenden Umweltlasten.

Bei diesem Bewertungssystem wird der gesamte Lebenszyklus eines Systems betrachtet und zwar hinsichtlich:

  • ökologischer Leistungsfähigkeit nach dem Konzept der Ökobilanzmethode (Life Cycle Assessment) gem. ISO 14040,
  • ökonomischer Leistungsfähigkeit nach dem Ansatz zur Berechnung der Lebenszyklus-Kosten (Life Cycle Cost Analysis).
     

Dies bedeutet, dass sowohl die gesamten Umweltlasten (u.a. direkte und indirekte Emissionen), wie auch Investitionssumme, Betriebs-, Entsorgungs- und Kapitalkosten in die Betrachtung einfließen.

Bei diesen Studien wurde auch bestätigt, dass eine Steigerung der Öko-Effizienz durch Investitionen in optimierte Anlagentechnik (minimierte Betriebskosten) erreicht werden kann. Dabei spielt auch die Auswahl des Kältemittels und die damit verbundene Systemtechnologie eine wichtige Rolle.

Die Öko-Effizienz kann in einer graphischen Darstellung illustriert werden (Beispiel, Beispiel einer Bewertung der Öko-Effizienz). Dabei bilden die Ergebnisse der Ökobilanz-Auswertung die x-Werte im Koordinatensystem, während die Resultate aus der Lebenszyklus-Kostenanalyse die zugehörigen y-Werte definieren. Diese Darstellung macht deutlich, dass ein System eine umso höhere Öko-Effizienz aufweist, je weiter es im rechten oberen Quadranten liegt – und umgekehrt weniger effizient im linken unteren Sektor.

Die im Koordinatensystem eingezeichneten Diagonalen repräsentieren Linien gleicher Öko-Effizienz. Dies bedeutet, dass Systeme bzw. Prozesse, die sich sowohl in den Lebenszyklus-Kosten als auch in Umweltlasten unterscheiden, durchaus die gleiche Öko-Effizienz aufweisen können.

* Studie 2005: Erstellt von Solvay Management Support GmbH und Solvay Fluor GmbH, Hannover in Zusammenarbeit mit dem Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik (IZW), Hannover. Studie 2010: Erstellt von SKM ENVIROS, UK im Auftrag und in Zusammenarbeit mit EPEE (European Partnership for Energy and Environment). Beide Arbeiten wurden von einem Expertenkreis aus der Kälteindustrie beratend unterstützt.