TEWI-Analysen und Betrachtung von Kosten und Unsicherheiten

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1 Schlüsselwörter: Ammoniak Kohlendioxid Propan natürliche Kältemittel Supermarktkälte Gewerbekälte TEWI Treibhausgasemissionen Vermeidungskosten Dieser Artikel stellt ausgewählte Ergebnisse einer Studie zum Einsatz natürlicher Kältemittel im deutschen Lebensmitteleinzelhandel vor 1. Es werden vergleichende TEWI-Analysen und Vermeidungskosten unterschiedlicher Kältekonzepte mit und ohne HFKWs für verschiedene Ladenformate dargestellt. Besonderer Wert wird hierbei auf eine genaue Unsicherheitsanalyse der Ergebnisse gelegt. Kältemittelemissionen im Lebensmitteleinzelhandel: TEWI-Analysen und Betrachtung von Kosten und Unsicherheiten Refrigerant emissions in supermarkets TEWI-Analyses, specific abatement costs and uncertainty considerations Keywords: Ammonia carbon dioxide propane natural refrigerants supermarket refrigeration commercial refrigeration TEWI greenhouse gas emissions abatement costs This article presents selected results of a recent study on the use of natural refrigerants in the German food retail sector. It provides comparative TEWI- Analyses and abatement costs of different refrigeration options with and without HFCs for distinct shop formats. Special emphasis is put on a detailed uncertainty analysis of the results. 1 Teil 1 der Studie wurde in KI Kälte Luft Klimatechnik, 4 (2008) S veröffentlicht. Autoren Dipl.-Ing. Jan-Martin Rhiemeier*, Dr. Jochen Harnisch*, *Ecofys Germany GmbH Prof. Dr.-Ing. Michael Kauffeld, Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Einleitung Kältetechnische Einrichtungen des Lebensmitteleinzelhandels (LEH) sind in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus der politischen Diskussion geraten. Ursache hierfür ist nach dem FCKW Ausstieg, die gängige Verwendung von HFKW-haltigen Kältemitteln, wie R134a und R404A mit einem sehr hohen Treibhauspotential. Vor dem Hintergrund des Inkrafttretens der EU F- Gas Verordnung richten immer mehr Vertreter aus Einzelhandel und Kälteanlagenbau ihren Blick auf natürliche Kältemittel wie CO 2, Kohlenwasserstoffe und Ammoniak. Im Folgenden werden auf der Basis von TEWI-Analysen jährliche Gesamtemissionen verschiedener Kältekonzepte im deutschen LEH beschrieben. Neben dem hohen Energieverbrauch kältetechnischer Anlagen (gut 50 % des Gesamtenergieverbrauchs eines Marktes), stammt ein Großteil der Emissionen aus der Verwendung HFKWhaltiger Kältemittel. Gängige Kältemittel sind insbesondere R134a und R404A. Bei beiden Kältemitteln handelt es sich um teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW). Diese haben ein vielfach höheres Treibhauspotential (Global Warming Potential GWP) als Kohlendioxid (CO 2 ). Bezogen auf einen Zeithorizont von 100 Jahren liegt das GWP von R134a bei 1.430, das von R404A sogar bei Aufgrund der hohen Treibhauswirksamkeit von HFKW wurden diese in das Protokoll von Kyoto aufgenommen, welches den politischen Rahmen zur Minderung der globalen Treibhausgasemissionen bildet. Untersuchte Technologien Die Struktur des deutschen LEH ist verhältnismäßig heterogen. Die Marktlandschaft reicht vom kleinen Supermarkt im Stadtkern bis zum SB-Warenhaus auf der grünen Wiese. Dementsprechend unterschiedlich ist auch die installierte Kältetechnik in den jeweiligen Ladenformaten. Um einen repräsentativen Blick auf die Treibhausgasemissionen in Verbindung mit Supermarktkälteanlagen zu gewinnen, werden in dieser Untersuchung die Kältetechnik in Discountern, Verbrauchermärkten und großen SB- Warenhäusern separat betrachtet. Discountmärkte heben sich nicht nur durch ihr schmaleres Sortiment von anderen Formaten des LEH ab, sondern auch durch eine relativ standardisierte Kältetechnik, vor allem für den Tiefkühlbereich (TK). Zur Tiefkühlung im Verkaufsraum werden steckerfertige, hermetische TK-Truhen verwendet. Als Kältemittel für TK-Truhen hat sich in den letzten Jahren das umweltfreundliche R290 (Propan) durchgesetzt. Für die Pluskühlung (NK) finden in der Regel zentrale Direktverdampfungsanlagen mit HFKW Anwendung, welche je nach Discount-Kette auch den Tiefkühlraum mit Kälte versorgt. KI Kälte Luft Klimatechnik Oktober

2 Tabelle 1: Betrachtete Kälteanlagen für Discounter, Verbrauchermärkte und SB-Warenhäuser Discounter I. Direktverdampfungsanlage mit R404A für Normalkühlung (NK) + steckerfertige R290 Kühltruhen für Tiefkühlung (TK) II. Direktverdampfungsanlage mit R134a für NK + steckerfertige R290 Kühltruhen für TK III. Indirekte Kälteanlage mit Kohlenwasserstoff (R290) und flüssigem Kälteträger für NK + steckerfertige R290 Kühltruhen für TK IV. R744 (CO 2 ) Direktverdampfungsanlage für NK + steckerfertige R290 Kühltruhen TK Bei manchen Ketten kommen gar keine TK- Räume zur Anwendung oder der TK-Kühlraum wird über ein Stopferaggregat gekühlt. Klassische Supermärkte, Verbrauchermärkte und SB-Warenhäuser bieten in der Regel ein deutlich breiteres Sortiment an kühlbedürftigen Waren als Discounter. Entsprechend umfangreicher und komplexer sind auch deren kältetechnische Anlagen. Heutiger Standard in der deutschen Marktlandschaft sind für diese Ladenformate üblicherweise direkt-verdampfende Verbundkälteanlagen, die größtenteils das HFKW R404A als Kältemittel verwenden. Tabelle 1 zeigt die untersuchten Kältekonzepte in den verschiedenen Ladenformaten. Abbildung verschiedener Emissionsszenarien Direkte Emissionen treten durch e auf und sind an nahezu allen Kälteanlagen möglich. Der Umfang der durch Leckagen hervorgerufenen Verluste hängt von der Komplexität der Kälteanlage, den Betriebsbedingungen, der Wartung und vielen weiteren Faktoren ab. So neigen fabrikgefertigte Systeme weniger zur Leckage als solche, die vor Ort aus Komponenten zusammengebaut werden, insbesondere wenn bei letzteren Schraubverbindungen eingesetzt werden. Bei neuen Verbundkälteanlagen sind die Anzahl der Schraubverbindungen bereits stark reduziert, sowie Problemstellen für Schwingungsrisse beseitigt. Neben Leckagen treten, vor allem an großen Verbundkälteanlagen, immer wieder auch Havarien auf, die zu einem Totalverlust des Kältemittels führen. Havarien entstehen beispielsweise aufgrund von unsachgemäßer Behandlung von Anlagen oder durch Materialermüdung von Bauteilen besonders alter Anlagen. Jährliche Verlustraten spielen für die Ermittlung der Klimarelevanz von Kälteanlagen eine bedeutende Rolle und bieten häufig Verbrauchermärkte und SB-Warenhäuser Ia. Ib. R404A Direktverdampfungsanlage für NK und TK Direktverdampfungsanlage mit R134a für NK und R404A für TK IIa. R404A Direktverdampfung für NK und R744- Kaskade für TK IIb. R134a Direktverdampfung für NK und R744- Kaskade für TK III. Ammoniak indirekt mit flüssigem Kälteträger IVa. R717 (Ammoniak)/CO 2 Kaskade mit Verteilung NK über verdampfendes CO 2 IVb. KW/CO 2 Kaskade mit Verteilung NK über verdampfendes CO 2 V. Direktverdampfung R744 (CO 2 )fürnk und TK großen Diskussionsbedarf. Berichtete Verlustraten in der Literatur variieren erheblich und bewegen sich zwischen 3 % und 22 % [1]. Für Deutschland werden raten derzeit zwischen 5 % und 10 % angegeben. Der Forschungsrat Kältetechnik führte 1999 eine detaillierte Untersuchung von 62 gewerblichen Kälteanlagen, insbesondere in Supermärkten, in Hessen und Sachsen bezüglich ihrer spezifischen e durch. Hier wurde ein mittlerer spezifischer von 10,5 % pro Jahr ermittelt [2]. Um die verschiedenen e adäquat abzubilden werden die vorliegenden Untersuchungen für drei verschiedene Emissionsszenarien gerechnet, die sich an unterschiedliche politische Vorgaben für die Dichtigkeit von Kälteanlagen anlehnen. Szenario 1 spiegelt die Referenzsituation vor erfolgreicher Umsetzung des neuen EU Rahmens in Deutschland wider. Ein Bewusstsein für den verantwortungsvollen Umgang mit kältetechnischen Anlagen ist bereits vorhanden. Regelmäßige Wartungen finden allerdings maximal einmal pro Jahr statt, wodurch mögliche Leckagen erst sehr spät entdeckt werden. Jährliche Verluste, Entsorgungsverluste und geringe e bei der Befüllung von Anlagen ergeben zusammen einen jährlichen Verlust von 11,65 % der Kältemittelfüllmenge. In Szenario 2 wird angenommen, dass durch die konsequente Umsetzung der Verordnung (EG) Nr. 842/2006 über bestimmte fluorierte Treibhausgase (F-Gas Verordnung) in naher Zukunft die jährlichen Verlustraten von kältetechnischen Einrichtungen mit HFKW zurückgehen werden. Jährliche Verluste, Entsorgungsverluste und geringere e bei der Befüllung von Anlagen ergeben in Szenario 2 einen jährlichen Verlust von 6,15 % der Kältemittelfüllmenge. Szenario 3 lehnt sich an Vorgaben des VDMA Einheitsblattes an, das in einem Zweistufenplan zulässige spezifische e für neue Kälteanlagen nach DIN EN vorsieht. Angelehnt an die Empfehlungen des VDMA-Einheitsblatts wird für Szenario 3 angenommen, dass sich die jährlichen Verluste weiter reduzieren und die jährlichen e inklusive Havarien, Entsorgungs- und Befüllverluste nur noch bei 2,65 % liegen. Für steckerfertige Systeme wird für alle drei gezeigten Politikszenarien eine Verlustrate von jährlich 1,5 % angenommen. Diese Systeme werden fabrikgefertigt ausgeliefert und sind vom Prinzip sehr dicht. Zu größeren Verlusten kommt es in der Regel nur bei Beschädigung der Rohrleitungen durch unsachgemäße Behandlung. Auch bei der Entsorgung der Geräte kann es zu Verlusten kommen. Die drei geschilderten Politikszenarien setzen kontinuierliche Verbesserungen eines bereits hohen Standards der Anlagendichtigkeit durch strengere politische Auflagen und verbesserte Anlagentechnologie voraus. Trotz aller Maßnahmen kommt es in der Praxis durch Havarien immer wieder zu Totalverlusten von Kältemitteln. Obwohl durch ein wachsendes Bewusstsein von Betreibern, Herstellern und Wartungspersonal auch die Anzahl von Havarien abnehmen wird, werden Kältemitteltotalverluste von Anlagen nie ganz zu verhindern sein. Es ist daher aus heutiger Sicht zu vermuten, dass die durchschnittlichen jährlichen raten häufig deutlich höher als 10 % sind. Datenbasis Für die TEWI-Berechnungen werden soweit wie möglich empirische Daten verwendet, die durch Einzelhandel, Kälteanlagenbauer und Kältetechniker zur Verfügung gestellt werden. Liegen keine empirischen Daten vor, wird auf Daten zurückgegriffen, die in einer umfangreichen Marktübersicht im Rahmen des Forschungsvorhabens erstellt wurden [3]. Die Mehrheit des deutschen Einzelhandels verwendet in allen drei Ladenformaten R404A Direktverdampfungsanlagen. Gemessene und in einer ausreichenden Breite verfügbare Daten zu Energieverbräuchen und Kältemittelfüllmengen gibt es in der Regel daher nur für diese Technologie. Die verwendeten Daten wurden freundlicherweise von den folgenden Einzelhandelsketten zur Verfügung gestellt: REWE Gruppe, Metro Gruppe, Tengelmann Gruppe, Tegut, Lidl und ALDI Süd. Tabelle 2 stellt den durchschnittlichen jährlichen Energieverbrauch und mittlere Kältemittelfüllmengen in Deutschland dar. So- 32 KI Kälte Luft Klimatechnik Oktober 2008

3 Tabelle 2: Gemittelte Kenndaten aus dem Einzelhandel (pro laufenden Meter Kühlmöbel) R404A Direktverdampfungsanlage Durchschnittlicher Energieverbrauch [kwh/m*a] Discounter (NK) ,9 Verbrauchermarkt (NK+TK) ,5 SB-Warenhaus (NK+TK) ,6 wohl der Energieverbrauch als auch die durchschnittliche Kältemittelfüllmengen sind auf den laufenden Meter Kühlmöbel normiert. Durchschnittliche Kältemittelfüllmenge [kg/m] TEWI-Analysen Im Folgenden werden exemplarisch die Kältemittelemissionen der drei Ladenformate in dem für die heutige Situation typischsten Szenario 2 gezeigt. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu erhalten werden die Emissionen pro laufenden Meter Kühlmöbel normiert. Aus den TEWI-Analysen ergeben sich die in Abb. 1 dargestellten durchschnittlichen Emissionen. Es wird deutlich, dass die direkten Kältemittelemissionen trotz der relativ geringen jährlichen Verlustrate von 6,15 % einen erheblichen Anteil an den Gesamtemissionen haben. Abb. 2 zeigt exemplarisch die in der Monte Carlo Simulation durchgeführte Unsicherheitsbetrachtung für die Emissionen eines Verbrauchermarkts in Szenario 2. Anhand der Glockenkurven sieht man sehr deutlich, dass die TEWI-Werte einer Technologie trotz der mit Unsicherheiten behafteten Inputparameter nur in gewissen Bandbreiten schwanken, wodurch eine Reihung der Leistungsfähigkeit ohne Einschränkungen möglich wird. Vermeidungskosten Die Angabe von Vermeidungskosten soll Entscheidungsträger aus Politik, Einzelhandel und Kälteanlagenbau einen Überblick vermitteln, mit welcher Kosteneffizienz hier private oder öffentliche Mittel für den Klimaschutz aufgewandt werden. Spezifische Vermeidungskosten werden in Q pro Tonne vermiedenem CO 2 -Äquivalent Unsicherheitsbetrachtungen Der Energieverbrauch und die Kältemittelfüllmengen variieren von Anlage zu Anlage und Hersteller zu Hersteller. In Anbetracht der großen Schwankungsbreiten dieser Inputgrößen ist es nicht sinnvoll, einen einzelnen TEWI-Wert für eine bestimmte Modelltechnologie anzugeben, ohne die Unsicherheiten zu berücksichtigen. Um die Unsicherheiten in geeigneter Form in die TEWI-Analysen einzubeziehen, werden die Ergebnisse der TEWI-Analysen mittels sogenannter Monte-Carlo-Simulationen als Wahrscheinlichkeitsverteilungen bestimmt. Mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen lassen sich die Auswirkungen der Kombination von Unsicherheiten in komplexeren Berechnungen simulieren. In der angewendeten Simulation werden für die Inputvariablen Energieverbrauch und Kältemittelfüllmenge entsprechende Zufallszahlen erzeugt. Die Zufallsvariablen Energieverbrauch und Kältemittelfüllmenge werden als normal verteilt angesehen, da sie durch Überlagerung einer großen Zahl von Einflüssen entstehen (Anlagenstandort, Anlagengröße, Kälteleistung, Verbraucherverhalten, Umgebungstemperatur, Alter der Anlage, etc.). &1 &1 Jährliche Treibhausgas-Emissionen pro laufendem Meter Kühlmöbel in verschiedenen Ladenformaten in Szenario 2, d.h. mit 6,15 % en pro Jahr. Die orangefarbenen Balken geben die mittels Monte-Carlo-Simulation ermittelten Schwankungsbreiten an. KI Kälte Luft Klimatechnik Oktober

4 &2 &2 Wahrscheinlichkeitsverteilung der jährlichen Treibhausgas- Emissionen pro laufendem Meter Kühlmöbel für Verbrauchermärkte in verschiedenen Auslegungsvarianten bezogen auf die R404A-Referenztechnologie angegeben. Als Maßstab für wirtschaftlich vertretbare Vermeidungsmaßnahmen wird häufig der Preis für eine Tonne CO 2 im Europäischen Emissionsrechtehandel angesetzt. Dieser liegt derzeit für Emissionsrechte für den Zeitraum 2008 bis 2012 bei rund Q 25 pro Tonne CO 2. Berücksichtigt werden bei der Berechung die Mehrkosten gegenüber der Referenztechnologie und nicht die absoluten Kosten, die bei Austausch der Referenztechnologie entstehen würden. In die Vermeidungskostenberechnung fließen Investitionskosten, die hier über die durchschnittliche Lebensdauer einer Anlage von 10 Jahren annualisiert wurden, Energiekosten und Vollinstandhaltungskosten der Kälteanlagen ein. Aufgrund ihrer besonderen Relevanz werden in Tabelle 3 die Vermeidungskosten für eine R744 Direktverdampfungsanlage gezeigt. Je nach politischen Vorraussetzungen ändern sich die Vermeidungskosten. Daher werden die Vermeidungskosten ebenfalls für alle drei Szenarien gerechnet. Betrachtet man die Ergebnisse der Vermeidungskostenberechnung fällt zunächst auf, dass die Vermeidungskosten in den einzelnen Szenarien stark variieren. Ursache ist die Referenztechnologie, die nicht als statische Komponente in die Berechnung eingeht, sondern je nach politischen Rahmenbedingungen unterschiedliche Emissionsund Kostendaten aufweist. Somit steigen beispielsweise in Szenario 2 die Vermeidungskosten, obwohl sich bei gleichbleibenden Investitionskosten die Wartungskosten von Referenztechnologie und neuer HFKWfreier Technologie annähern. Denn trotz sinkender Mehrkosten kommt es gleichzeitig zu geringeren Emissionsminderungen, da HFKW-Anlagen dichter werden, sodass die Kosten pro Tonne vermiedenem CO 2 höher liegen als in Szenario 1. Fallen jährliche Kältemittelemissionen wie oben beschrieben höher als in den 3 angenommen Szenarien aus, ist das Vermeidungspotenzial durch den Einsatz natürlicher Kältemittel größer, was wiederum zu entsprechend sinkenden Vermeidungskosten führt. Schlussfolgerung Die Ergebnisse der TEWI-Analysen zeigen ein erhebliches Minderungspotenzial insbesondere für den Fall sehr hoher jährlicher e bei Anlagen mit HFKW. Mit höherer Anlagendichtigkeit nähern sich unterdessen die Emissionsunterschiede von Referenztechnologie und Alternativtechnologie mit natürlichen Kältemitteln an. Zur Reduktion der direkten Kältemittelemissionen der Referenztechnologie müssen erhebliche Aufwendungen in Bezug auf Anlagendichtigkeit getroffen werden. Im Rahmen der EU-F-Gas Verordnung werden bereits eine Vielzahl von Maßnahmen, die zu einer erhöhten Dichtigkeit von Kälteanlagen führen sollen, gesetzlich gefordert. Das Ergebnis für Szenario 2, welches die Situation unter konsequenter Anwendung der F-Gas Verordnung widerspiegelt, zeigt jedoch, dass alternative Anlagenkonzepte mit natürlichen Kältemitteln dennoch ökologisch besser sind. Erst bei nahezu vollständig dichten Kälteanlagen sind Anlagen mit natürlichen Kältemitteln nur noch geringfügig emissionsärmer. Weitere Reduktionspotenziale der indirekten Emissionen durch Energieeffizienzmaßnahmen sind hier nicht berücksichtigt 3. Die aktuelle öffentliche Diskussion um den Klimawandel verdeutlicht, dass nachhaltiges und umweltfreundliches Wirtschaften immer wichtiger wird und auch zunehmend als Verkaufsargument an Bedeutung gewinnt. Bei der Investition in neue Kälteanlagen wird für den deutschen LEH neben der Kostenfrage in Zukunft auch die Frage nach der Wahl des Kältemittels von Bedeutung sein. Die Analyse zeigt, dass zahlreiche Alternativen zum Ersatz herkömmlicher Anlagen mit HFKW existieren, die in den meisten Tabelle 3: Spezifische Vermeidungskosten für die Neuinstallation einer R744 Direktverdampfungsanlage im Vergleich zu einer R404A- Anlage [Q/t CO 2 Äquivalent] Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Discounter Verbrauchermarkt SB-Warenhaus Das negative Vorzeichen bei den Vermeidungskosten bei der Installation einer R744-Anlage im Discounter im Szenario 3 bedeutet, dass die Installation einer derartigen Anlage bei der für das Szenario 3 angenommenen Dichtheit und höheren Wartungsfrequenz der R404A-Anlage preiswerter ist. 3 Siehe zu Energiesparmaßnahmen Kauffeld, M. KI Kälte Luft Klimatechnik, 4 (2008) S KI Kälte Luft Klimatechnik Oktober 2008

5 Tabelle 4: Ergebnisse mit Bezug auf Klimarelevanz und Vermeidungskosten Discounter Szenario 1 11,65 % jährlicher Szenario 2 6,15 % jährlicher I Referenzanlage B B B II R134a dir. NK Aþ Aþ Bþ III ind. R290 NK A A Bþþ IV dir. 744 NK A A Bþþ Verbrauchermarkt Ia Referenzanlage B B B Ib R134a NK þ R404A TK A A A IIa R404A NK þ R744 TK B B B IIb R134a NK þ R744 TK A A A III ind. R717 A A B IVa R717/R744 NK þ TK A A Aþþ IVb R290/R744 NK þ TK A A Aþþ V dir. R744 A A Aþ SB-Warenhaus I Referenzanlage B B B III ind. R717 A A B V dir. R744 A A Aþþ Szenario 3 2,65 % jährlicher Kodierung der Bewertungen Klimabilanz: A: Signifikant der Referenzanlage überlegen B: Kein signifikanter Unterschied zur Referenzanlage C: Signifikant der Referenzanlage unterlegen Kostenwirksamkeit: þþ: Negative Vermeidungskosten þ: Vermeidungskosten < ¼ 50 Euro pro Tonne CO 2 Äquivalent : Vermeidungskosten > 50 Euro pro Tonne bzw. Referenz. Fällen die umweltfreundlichere Lösung bieten. Tabelle 4 fasst die Ergebnisse mit Bezug auf Klimarelevanz und Vermeidungskosten in einer übersichtlichen Form zusammen. Danksagung Die hier dargestellten Ergebnisse sind Teil eines vom Umweltbundesamt unter dem Aktenzeichen FKZ geförderten Projekt. Sämtliche Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind im Internet auf den Seiten des Umweltbundesamtes frei zum Download verfügbar. Abkürzungen CO 2 Kohlendioxid als Kältemittel auch R744 LEH Lebensmitteleinzelhandel NK Normalkühlung, Produkttemperatur um þ 5 C TK Tiefkühlung, Produkttemperatur typisch 18 C Literatur [1] IPCC/TEAP Special Report on Safeguarding the Ozone Layer and the Global Climate System: Issues related to Hydrofluorocarbons and Perfluorocarbons. Prepared by Working Group I and III of the Intergovernmental Panel on Climate Change and the Technology and Economic Assessment Panel. Cambridge, New York 2005 [2] Forschungsrat Kältetechnik e.v.: Bericht zum Forschungsvorhaben FKT21/96: Dichtheit von Kälteanlagen, Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbh Dresden, Frankfurt Dezember 1999 [3] Rhiemeier, J.-M.; Harnisch, J.; Ters, C., Kauffeld; M., Leisewitz, A.: Vergleichende Bewertung der Klimarelevanz von Kälteanlagen und -geräten für den Supermarkt, im Auftrag des Umweltbundesamtes, Dessau August 2008 KI Kälte Luft Klimatechnik Oktober