Energieeffiziente Kühlung im Klimawandel

Nachrichten aus der Zukunft

Derzeit, zu Beginn des Jahres 2014, haben wir einen feuchten und milden Winter. Gleichzeitig ist Nordamerika ein einziger Kühlschrank. Die Wetterextreme nehmen weltweit zu. Ein wichtiger Aspekt der Erwärmung ist die zunehmende Häufigkeit des Auftretens von Hitzeperioden (definiert als Td, max≥30°C). Der letzte Hitzesommer mit Temperaturen von über 30 Grad und einer lang anhaltenden Trockenperiode hat Europa 2003 ereilt. Damals gab es insbe-sondere in Frankreich zahlreiche „Hitzetote“.
Zukünftig wird ein solches Ereignis auch für das Ruhrgebiet immer wahrscheinlicher. Beispielhaft für die Emscher-Lippe-Region wurde durch den Klimaforscher Markus Quirmbach berechnet, dass gegenüber dem Referenzzeitraum 1961 bis 1990 im Zeitraum 2021 bis 2050 im Jahresmittel fünf heiße Tage hinzukommen. Dies bedeutet näherungsweise eine Verdoppelung. Im Zeitraum von 2071 bis 2100 beträgt die Zunahme der heißen Tage näherungsweise eine Vervierfachung.
Auf der Basis dieser Szenarien hat das Wuppertal Institut den Kühlungsbedarf für das Ruhrgebiet ermittelt. Ein Ansatz zum Messen des zukünftigen Kühlungsbedarfs sind die „Cooling Degree Days“ (CDD). Mit dieser Methodik kann der Energiebedarf für die technische Kühlung von Regionen, Städten und Gebäuden abgeschätzt werden. Im Ergebnis zeigt sich, dass eine Steigerung der Cooling Degree Days im Ruhrgebiet sehr wahrscheinlich wird und ab 2020 zunehmend mit sehr heißen Sommern zu rechnen ist.
Daher stellt sich die Frage, was könnte im Ruhrgebiet 2035 passieren, wenn ein extremer Hitzesommer eintrifft?

Im Jahr 2035: Hitzelust und Hitzefrust

Die nachfolgenden Szenarien sind erste Annahmen über eine mögliche Zukunft: „Was wäre wenn?“. Sie sollen zum Weiterdenken anregen. Kommentare sind erwünscht.

Sommer 2035
Das Hoch Martha hat dem Ruhrgebiet bereits 30 Tropennächte beschert, in denen das Thermostat nicht unter 28 Grad gesunken ist. Tagsüber erreichten die Temperaturen fast immer die 40-Grad-Marke. Dieser Hitzewelle ist eine längere Trockenperiode vorangegangen, es hat 3 Monate lang nicht geregnet.

Hitzelust-Szenario
In weiser Voraussicht hatte die Emschergenossenschaft entlang der Emscher Strandplätze mit Palmen anlegen lassen und der renaturierten Emscher an mehreren Stellen besonders viel Raum gegeben. So sind kleine Oasen entstanden, in der sich die Menschen erholen können. Viele Menschen verlegen ihre Freizeitaktivitäten in die Abendstunden, um der mittäglichen Hitze auszuweichen. Auch die Fußballspiele der Bundesligaclubs beginnen erst um 22.00 Uhr.

Hitzefrust-Szenario
Viele Menschen im Ruhrgebiet empfinden die Sommerhitze als eine Qual. Seit 3 Monaten brennt die Sonne vom Himmel und das Thermometer erreicht mittags die 40-Grad-Marke. Bei vielen Kindern, alten und kranken Menschen führen die hohen thermische Belastungen zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen. In vielen Betrieben und Büros sind die Arbeitszeiten geändert worden, da in der Mittagshitze die Arbeitsleistungen rapide sinken. Auch bieten viele Gebäude keinen Schutz vor der Hitze. Im Gegenteil. Große Glasfassaden lassen die Sonneneinstrahlung ungehindert eindringen und heizen die Gebäude auf. Um der Hitze zu begegnen, haben viele Einwohner Ventilatoren und kleine Klimageräte gekauft und pusten damit die heiße Luft nach draußen. Der Stromverbrauch ist aufgrund dieser Praktiken enorm stark angestiegen.

Zukunft ist jedoch gestaltbar. Es sollen daher einige Lösungen aufgezeigt werden, die verhindern können, dass das Szenario „Hitzefrust“ Wirklichkeit wird.

Bauliche und klimatechnische Möglichkeiten

Im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) besteht bis zum Jahr 2020 das Ziel, einen EE-Anteil von 14 % Endenergie im Wärme- und Kältemarkt zu erreichen. Die Regelungen des EEWärmeG erfassen sowohl Wohn- wie auch Nicht-Wohngebäude. Neubauten müssen dabei einen prozentualen Mindestanteil an der Wärme- und Kälteversorgung des Gebäudes über EE abdecken.
Die zentrale energiepolitische Herausforderung besteht darin, den durch den Klimawandel zusätzlich induzierten Kühlungs- und Energiebedarf möglichst gering zu halten. Zusätzliche Wärmelasten können vermieden werden, wenn bereits im Umfeld der Gebäude alles getan wird, um die Wärmelasten zu verringern.
Folgende Maßnahmen sind hierbei zu ergreifen:
- Gebäudeumgebung: Entsiegelung und Begrünung
- Ausrichtung der Gebäude, Verschattungselemente, zurückspringende Fassaden
- Verringerung der Sonneneinstrahlung in das Gebäude
- Verbesserung der Durchlüftungsverhältnisse (Frischluftschneisen)
- Verringerung der Wärmeabstrahlung von Maschinen/Aggregaten
Erst wenn diese baulichen Verhältnisse optimiert sind, sollten technische Systeme zum Einsatz kommen. Hierbei sollte die benötigte Kühlungsenergie möglichst regenerativ erzeugt werden unter Einbeziehung vorhandener Kühlungsquellen wie Regen- und Grundwasser, Erdreich und Nachtkühle.
Unter Berücksichtigung dieser Grundsätze kann die Ruhrgebietswirtschaft durch eine Kooperation von Technologieanbietern und Dienstleistern Wettbewerbsvorteile in folgenden Handlungsfeldern erzielen:
- Bauklimatik: Verbindung von Produktion (Dämmaterialien, wetterfeste Fassaden
Verschattungselemente) mit Fachberatung zum optimalen Hitzeschutz;
- Intelligente Steuerung: Anpassung der technischen Komponenten an unterschiedliche Wärmelasten und Komfortansprüche der Nutzer, Systemberatung „smart cooling“ als neue Dienstleistung;
- Energieeffiziente Klimatechnik: Innovation in den Bereichen Energieumwandlung, der Nutzung umweltfreundlicher Kältemittel, der Entwicklung effizienter Kältemaschinen und neue Dienstleistungen wie Potenzialanalyse, Systemberatung, Qualifizierung.
Zur Energie-Erzeugung sollten vor allem erneuerbare Energien (EE) eingesetzt werden. Solarthermie aus heizungsunterstützenden Solaranlagen im Sommer zur Raumklimatisierung zu verwenden, schont das Klima und ersetzt konventionelle Energieträger wie Kohle und Gas. Ein weiterer Vorteil ist, dass gerade im Sommer, wenn der Bedarf an Kühlung am Höchsten ist, die solarthermische Kollektoren ihre maximale Leistung erreichen. Auch Fernwärme und Wärme aus der Geothermie steht während der heißen Jahreszeit häufig im Überfluss zur Verfügung. Mit der Kälteerzeugung ist hier eine sinnvolle Verwendung möglich.

Klimaanpassung – wer soll was tun?

Alles in allem – so zeigen Recherchen des Wuppertal Instituts – gibt es in den skizzierten Technologiefeldern bereits mehr als 20 Modellprojekte. Zudem ist die Metropole Ruhr mit zahlreichen wirtschaftsnahen Institutionen ausgestattet, die ökologische Innovationen im Technologiefeld Bauklimatik/Kühlung vorantreiben können. Mit dem Geothermie-Zentrum Bochum und des von ihm betreuten Arbeitskreises existiert bereits ein aktives Netzwerk, das auch den regionalen Anwendungsbezug zukünftig ausbauen wird. Die bauklimatischen Ansätze und Akteure haben im NRW-Öko-Zentrum in Hamm einen zentralen Ansprechpartner. Mehrere Projekte und Maßnahmen zur wassersensiblen Stadtentwicklung werden durch das dynaklim-Netzwerk betreut und weiterentwickelt.
Im Bereich des Lebensmittelsektors gibt es im Ruhrgebiet zahlreiche Logistikunternehmen mit großen Kühllagern und Fahrzeugflotten. Diese Unternehmen organisieren eine durchgängige, wirtschaftlich rentable Kühlkette von der Erzeugung bis zum Verbraucher. In eine zukünftige Netzwerkbildung sollten auch diese Unternehmen einbezogen werden.

Aufbau eines Kälte-Netzwerks Ruhr

Vor diesem Hintergrund empfiehlt das Projekt dynaklim im Rahmen einer klimafokussierten Wirtschaftsförderung den Aufbau eines regionalen Kältenetzwerks. Nach dem Vorbild des Hamburger Unternehmensnetzwerk Kälteeffizienz (www.hamburg.de/kaeltenetz) soll dabei der Schwerpunkt auf den Lebensmittelsektor und den Wohnungsbau gelegt werden. Dieses Netzwerk hätte die Aufgabe, Hersteller und Dienstleister der Kältetechnik mit den Nutzern bauklimatischer Lösungen und ihren Erwartungen und Anforderungen zusammenzubringen, damit gemeinsam Lösungen entwickelt werden.
Dieses Netzwerk könnte wichtige Impulse geben, z.B. für die
- Ermittlung des regionalen Kühlungsbedarfs in der Industrie, möglichst standortbezogen,
- Ermittlung der Hitzelasten in den Innenstädten und Wohngebieten,
- Erstellung von integrierten Energieerzeugungs -und Energienutzungspläne für Gewerbe- und Wohngebiete,
- Profilierung einzelner Standorte, zum Beispiel bei der Vermarktung der integrierten Wärme- und Kälteversorgung von Gewerbe- und Wohngebieten.
Um das Technologiefeld Solare Kühlung in Konzepte der dezentralen Energieerzeugung und -nutzung einzubetten, sollten auch die bestehenden Technologie- und Innovationsförderprogramme daraufhin überprüft werden, ob Fragen des Klimawandels als potenzielle Innovations- und Technikentwicklungschance bereits hinreichend berücksichtigt werden. Ein wichtiger Förderansatz wäre es, zur Deckung des zunehmenden Bedarfs an innovativen Klimaanpassungslösungen und zur Nutzung der hieraus erwachsenden Innovations- und Gründungschancen die bestehenden Einrichtungen und Dienstleistungen der Innovations- und Gründungsförderung um Fragen der Klimaanpassung und des Klimaschutzes zu erweitern.
Die kommunalen und regionalen Wirtschaftsförderungen verfügen über spezifische Kenntnisse der bestehenden Innovationskulturen in den Unternehmen. Ihnen kommt daher eine zentrale Rolle beim Netzwerkaufbau zu. Durch den intensiven Austausch und Kooperationen können dann wichtige Impulse für eine klimarobuste Kühlungskette in der Lebensmittelbranche, die Neuausrichtung der Energieversorgung auf solare und geothermische Kühlung und die Implementierung effizienter technischer Kühltechniken entstehen.
Kühlungsstrategien brauchen jedoch auch soziale Innovationen. Deshalb sollte nach den Bedürfnissen der Kunden und Kundinnen gefragt werden, welche Chancen und Risiken sie im Lebensalltag sehen und wie sie diesen begegnen wollen. Die Verbraucherberatungen können neue Konzepte entwickeln, die darauf abzielen, den technischen Kühlungsbedarf im Bereich der Vorratshaltung zu reduzieren. Den kühlen Keller als Lagerstätte neu entdecken! Dies hätte wiederum Rückwirkungen auf das Einkaufsverhalten

Ausblick

Eine wichtige Lehre aus den wirtschaftsstrukturellen Anpassungsprozessen der letzten Jahrzehnte ist die Langfristigkeit der Aufgabe. Die neuen Technologiecluster in der Metropole Ruhr wurden über viele Jahre hinweg entwickelt. Es mussten, wie der Regionalverband Ruhr es ausdrückte, „dicke Bretter gebohrt werden“, bis sich in der Energie- und Stahl-Region Ruhrgebiet Umweltschutz und Nachhaltigkeit als Leitideen durchgesetzt haben. Am Anfang stand dabei die Vision eines blauen Himmels über der Ruhr (Brüggemeier et al. 2012). Heute sind daraus handfeste Unternehmensstrategien im Ruhrgebiet geworden, deren Stärke insbesondere in der Umweltwirtschaft in der modellhaften Anwendung und Erprobung liegt. Dieser Weg sollte auch im Bereich der energieeffizienten und adaptiven Kühlungstechniken beschritten werden. Überzeugende Lösungen und Modellprojekte in der eigenen Region sind die besten Referenzen für den Auftritt in den Auslandsmärkten.

Autor: Rainer Lucas ist Projektleiter am Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie und verantwortlich für das Wissensmanagement im Forschungsprojekt dynaklim. Kontakt: rainer.lucas@wupperinst.org

Foto: "Air Conditioning Unit" (CC) 5of7

„Cooling Degree Days“ (CDD)

Ein CDD ist eine in den USA entwickelte Maßeinheit, mit der die durchschnittliche Tagestemperatur mit dem Energieverbrauch für Kühlung und Lüftung in Bezug gesetzt wird. Die Maßeinheit wird berechnet, indem der Faktor 65 von der in der Maßeinheit „Fahrenheit“ angegebenen Tagesdurchschnittstemperatur abgezogen wird. Wenn also die Tageshöchsttemperatur bei 90°F lag und die niedrigste Tem-peratur dieses Tages 70°F betrug, war die Tagesdurchschnittstemperatur bei 80°F. Wenn man davon 65 abzieht, erhält man 15 cooling degree days. Diese Angabe wird verwendet, um Vergleiche zwischen den Sommern anzustellen oder auch um die Wärme einer Region mit der einer anderen Region zu vergleichen.

Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)

Am 1. Januar 2009 trat das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz in Kraft. Es schreibt vor, dass Eigentümer neuer Gebäude einen Teil ihres Wärmebedarfs (und Kältebedarfs) aus erneuerbaren Energien decken müssen. Die Eigentümer können dabei darüber entscheiden, welche Form erneuerbarer Energien sie nutzen wollen, um den bestimmten Prozentsatz der Wärme und/oder Kälte mit der jeweils gewählten Energieform zu erzeugen. Wer keine erneuerbaren Energien nutzen möchte, kann verschiedenen Ersatzmaßnahmen wählen. Bei der Ausgestaltung des Gesetzes wurde darauf geachtet, dass es den Gebäudeei-gentümern möglich ist, eine individuelle, maßgeschneiderte und kostengünstige Lösung zu finden. So sind verschiedene Kombinationen erneuerbarer und anderer Energieträger zulässig. Begleitend zum Gesetz führte die Bundesregierung ein umfangreiches Förderprogramm ein, das so genannte Marktanreizprogramm für erneuerbare Energien.
Mit Wirkung zum 1. Mai 2011 wurde das Gesetz novelliert. Seither gilt die Nutzungspflicht nicht nur für Neubauten, sondern auch bestehende öffentliche Gebäude.

Klimaforschung

"dynaklim"

Im Mittelpunkt von dynaklim stehen die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt der Emscher-Lippe-Region (Ruhrgebiet) und die Frage, wie sich Bevölkerung, Wirtschaft und Kommunen vorausschauend an die Folgen des Klimawandels anpassen können.
Gemeinsam mit den Akteuren im Ruhrgebiet wurde eine Roadmap 2020 Regionale Klimaanpassung entwickelt. In dieser Roadmap ist ein Konzept zur Klimafokussierten Wirtschaftsentwicklung enthalten, in der Anpassungsmaßnahmen für Unternehmen und innovative Produkte und Dienstleistungen im Bereich der Umwelt- und Wasserwirtschaft vorgestellt werden. dynaklim

"GeothermieZentrum Bochum"

Im März 2004 wurde das GeothermieZentrum Bochum e.V. (GZB) eröffnet. Es arbeitet als eine Einrichtung der Verbundforschung zwischen Wissenschaft und Wirtschaft unter enger Einbeziehung von Verwaltung und Politik. Es dient als Kompetenzzentrum und Ansprechpartner in Fragen der Nutzung und Gewinnung von Erdwärme. Das Zentrum wird gemeinsam getragen von dem GZB-Trägerverein e.V. (Trägerhochschulen sind RWTH Aachen, Hochschule Bochum, Westfälische Hochschule, Hochschule Ostwestfalen-Lippe und Aristotle University of Thessaloniki und EnergieAgentur NRW, Bezirksregie-rung Arnsberg als obere Landesbehörde für Bergbau und Energie, Stadt Bochum und der IHK Mittleres Ruhrgebiet) und der Wirtschaftsvereinigung Geothermie e.V. (Unternehmen der Bau-, Energie-, Montanindustrie, der kommunalen Versorgung, des Anlagenbaus, der Gebäudetechnik, des Handwerks sowie Fachplaner).
Der Verbund verfolgt das Ziel einer geothermischen Energieversorgung in Abhängigkeit vom variierenden Wärme- und Kältebedarf. Dabei sollen auch die komplexen planungstechnischen und verwaltungs-rechtlichen Zusammenhänge von geothermischen Großprojekten erkundet und Handlungsleitfäden entwickelt werden.