Kälte
Kälte ist keine Energieform, sondern ein Zustand, in dem die Temperatur an einer Stelle niedriger ist als in der Umgebung. Kältekonzepte werden aufgrund des fortschreitenden Klimawandels mit tendenziell steigenden Temperaturen immer relevanter – und können bei der Wärmeplanung direkt mitgedacht werden. Gleichzeitig lassen sich Technologien zur Wärmeerzeugung auch für die Kälteerzeugung nutzen.
Definition
Kälte ist keine Energieform, sondern ein Zustand, in dem die Temperatur an einer Stelle niedriger ist als in der Umgebung. Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels mit tendenziell steigenden Temperaturen werden Kältekonzepte immer relevanter. Diese können direkt bei der Wärmeplanung mitberücksichtigt werden. Damit die dadurch erzeugte Kälte vollständig nachhaltig ist, sollte Strom beziehungsweise Wärme aus erneuerbaren Energiequellen, wie Wind- und Solaranlagen oder Abwärme genutzt werden. Zudem können einige Technologien für die Wärmeerzeugung ebenso für die Kälteerzeugung genutzt werden (zum Beispiel Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, reversible Wärmepumpen/Kältemaschinen).
Eine Kältemaschine ist eine Maschine, die Kälte erzeugt. Sie kann auch als „Energiepumpe“ aufgefasst werden. So wie eine Flüssigkeitspumpe auf der Saugseite einen Unterdruck erzeugen kann und auf der Druckseite einen Überdruck, erzeugt die Kältemaschine auf der kalten Seite eine Temperatur unter der Umgebungstemperatur und auf der warmen Seite eine Temperatur über der Umgebungstemperatur. (Vgl. dena 2007)
Zur Erzeugung von Kälte muss die im System vorhandene Wärme abtransportiert, gegebenfalls gespeichert und für Heizzwecke nutzbar gemacht werden. Eine Abgabe an die Umgebungsluft über Rückkühlwerke beziehungsweise Kühltürme, wie in Vergangenheit oftmals praktiziert, ist aus Klimaschutzgründen abzulehnen .
Die Kältetechnik ist essentiell für die Sicherstellung der Funktion und Sicherheit zahlreicher Prozesse, beispielsweise für die Aufrechterhaltung der Kühlketten in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Weiterhin wird diese zur Raumklimatisierung und Wärmeabfuhr von Maschinen, Anlagen und der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) eingesetzt. Außerdem ist die Kältetechnik für die Kältebereitstellung in temperatursensitiven Produktionsprozessen notwendig. Das Anwendungsfeld ist daher breit gefächert. (Vgl. Schmid, Goetschkes und Pollerberg 2020)
Bei der Sektorkopplung werden die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche von Energie (unter anderem Gebäude, Gewerbe, Industrie und Verkehr) über verschiedene Energie-Umwandlungs-Prozesse, allgemein als Power-to-X (PtX) bezeichnet, mit den Energie-Sektoren (zum Beispiel Strom, Wärme und Kälte) verbunden. Um eine effizientere und nachhaltigere Wärmeversorgung zu erreichen, ist die Kopplung von erneuerbarem Strom mit Wärme und Kälte von zentraler Bedeutung.
Arten der Kälte-Erzeugung
Kompressionskältemaschine: Nach der Art des Kälteentzugs unterscheidet man bei Kompressionskältemaschinen Maschinen mit direkter Kühlung, den Split-Geräten, und Maschinen mit indirekter Kühlung, den Kaltwassersätzen. (Vgl. AMEV 2017)
Flüssigeiserzeugung mittels Wasserdampf-Turboverdichter (Institut für Luft- und Kältetechnik GmbH Dresden, ILK): Bei der Eiserzeugung mit dem sogenannten Vakuumeis- oder auch Tripelpunktverfahren wird Wasser aus einer freien Wasseroberfläche bei etwa - 0,5 °C im Vakuum verdampft. Dabei wird der umgebenden Flüssigkeit Energie entzogen und es bilden sich Eispartikel. Je mehr Wasser verdampft wird, desto größer wird der Eisgehalt im Wasser-Eis-Gemisch – dem Flüssigeis (Ice Slurry). Dabei werden spezielle, vom Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) entwickelte Wasserdampf-Turboverdichter eingesetzt. (Vgl. ILK o. D.)
Sorptionskältemaschine: Kältemaschinen mit einem thermischen Antrieb werden mit einem Heizwärmestrom als Antriebsenergie versorgt. Es ist vorteilhaft, wenn dieser Heizwärmestrom aus wirtschaftlich sonst nicht nutzbarer thermischer Energie (Abwärme, Abdampf, Heißwasser, Solarenergie) entnommen werden kann. (Vgl. AMEV 2017)
Zentrale oder dezentrale Versorgung
In einigen wenigen Städten in Deutschland werden zentrale Kältenetze betrieben – zum Beispiel zur Deckung des Kühlbedarfs von Großverbrauchern wie Kaufhäusern, Kultureinrichtungen oder auch Bürogebäuden. (Vgl. eins energie in sachsen o. D.) Diese bilden bisher jedoch eher die Ausnahme, hauptsächlich aufgrund der Investitionskosten für den Leitungsbau. Bei einer gleichzeitigen Wärme- und Kälte-Anwendung (zum Beispiel in einer Schwimmhalle oder einem Kühlhaus) ergeben sich maßgebliche Effizienzvorteile.
Überwiegend erfolgt eine dezentrale Kälteversorgung über Einzelaggregate in Gebäuden. Oftmals wird durch jede Mietpartei eine eigene Kälteanlage betrieben. Veränderungen in der Nutzung sowie häufiger vorkommende und länger anhaltende Hitzeperioden sorgen für eine Anpassung der Kälteerzeugung – mehrheitlich durch die Nachrüstung zusätzlicher Aggregate. Im Gewerbebereich (Gaststätte, Lebensmittelverarbeitung) sowie im industriellen Umfeld, insbesondere in der Lebensmittelproduktion, kommen außerdem Tiefkühlzellen, -räume und -hallen zum Einsatz.
Weiterführende Informationen
Quellen
Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV) (2017): Kälte 2017. Hinweise zur Planung, Ausführung und Betrieb von Kälteanlagen und Kühlgeräten für öffentliche Gebäude. Berlin. Online verfügbar unter: www.amev-online.de, Zugriff am: 27. Februar 2025.
Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) (2007): Infoblätter Kältetechnik: Physikalische Grundlagen der Kälteerzeugung. Was ist Kälte? + Energieformen, Energieumwandlung und Energietransport + Verfahren zur „Erzeugung von Kälte“. Informationsblätter Kältetechnik. Berlin.
eins energie in sachsen GmbH & Co. KG: Fernkälte in Chemnitz. O. D. www.eins.de, Zugriff am: 27. Februar 2025.
Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH (ILK) Dresden: Vakuum-Flüssigeis-Technologie. Flüssigeiserzeugung durch Direktverdampfung. O. D. www.ilkdresden.de, Zugriff am: 27. Februar 2025.
Schmid, D., C. Goetschkes und C. Pollerberg (2020): Kältetechnik in Deutschland. Steckbriefe zu Kältetechnoogien. Fraunhofer-Institut für Umwelt, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT (Hrsg.), Oberhausen. Online verfügbar unter www.energie.fraunhofer.de, Zugriff am: 27. Februar 2025.
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