Ergebnisse Szenarioberechnungen

Ergebnisse Szenarienrechnungen

Konkret bedeutet die Flexibilisierung der Kälteversorgung, die Erzeugung von Kälte mittels Kompressionskältemaschinen auf den Zeitpunkt zu verschieben, wo besonders günstiger und/oder möglichst emissionsarmer Strom zur Verfügung steht. Umgekehrt sollen zu Zeitpunkten, wo Strom besonders teuer ist und/oder besonders hohe Emissionen aufweist, keine Kälteerzeugung erfolgen. Zu diesen Zeiten soll der Kältebedarf mittels vorab produzierter und zwischengespeicherter Kälte gedeckt werden. Diese Speicherung kann in sensiblen oder latenten Kältespeichern oder über die inhärente Kältespeicherung in Kühlhäusern laufen.

Genauer betrachtet haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zehn unterschiedliche Kälteanwendungsstandorte – von einem Krankenhaus über einen Supermarkt bis zu einem Rechenzentrum. Eine ihrer Erkenntnisse: Kälteanwendungen sind sehr heterogen. Das Kältebedarfsprofil von ein- und derselben Kälteanwendung kann trotz ähnlicher Rahmenbedingungen für verschiedene Standorte deutlich unterschiedlich ausfallen. Die Folge: In der praktischen Umsetzung der Flexibilisierung müssen letztlich für jeden Standort individuelle Empfehlungen ermittelt werden, wie zu flexibilisierende Kälteversorgungssysteme ausgelegt und betrieben werden sollen. Nichtsdestotrotz weisen alle betrachteten Standorte übergreifende Ähnlichkeiten auf und zeigen, dass der Kältesektor ein hohes Flexibilisierungspotenzial aufweist.

Die Forschenden konnten zeigen, dass ökonomische und ökologische Vorteiler einer solchen Flexibilisierung Hand in Hand gehen: Wird eine Stromkostenminimierung angestrebt, werden automatisch auch CO2-Emissionen eingespart. Werden CO2-Emissionen minimiert, werden automatisch auch Strombezugskosten gesenkt. Im Folgenden sind die zentralen Ergebnisse aus den Szenarien- und Sensitivitätsrechnungen stichpunktartig aufgeführt. Detaillierte weiterführende Ergebnisse sind im Abschlussbericht zu finden:

Ergebnisse Hauptszenarien:

  • Bei der Zielfunktion „Minimierung der CO2-Emissionen lassen sich im Vergleich zum Referenzbetrieb die CO2-Emissionen um 22 bis 39 Prozent reduzieren. Damit einher geht eine Reduktion der Strombezugskosten um 26 bis 71 Prozent, im Median um 38 Prozent.
  • Bei der Zielfunktion „Minimierung der Strombezugskosten lassen sich im Vergleich zum Referenzbetrieb die Strombezugskosten um 35 bis 54 Prozent reduzieren. Damit einher geht eine Reduktion der CO2-Emissionen um 14 bis 21 Prozent.
  • Mit einer Minimierung der CO2-Emissionen oder Strombezugskosten einher geht, dass die bezogene Spitzenlast deutlich erhöht wird, da die Kompressionskältemaschine so häufig wie möglich bei Volllast betrieben wird (Hintergrund: die Nennleistung der Kältemaschine wurde für die Hauptszenarien bewusst auf das 1,5-fache der maximalen Kältebedarfsleistung dimensioniert). Dementsprechend sinken die Volllaststunden der Kältemaschine deutlich.
  • Der Stromverbrauch bleibt nahezu konstant. Dies liegt daran, dass die Kältemaschinen häufiger im optimalen Betriebspunkt betrieben werden können. Die so erreichte höhere Effizienz kompensiert weitestgehend die im Kältespeicher auftretenden Energieverluste.
  • Wird stattdessen die Zielfunktion „Peak Shaving“ genutzt, ergibt sich eine Reduktion der Spitzenlast zwischen 32 und 61 Prozent. Entsprechend erhöht sich die Anzahl an Volllaststunden der Kältemaschine deutlich.
  • Die CO2-Emissionen bleiben bei der Zielfunktion „Peak Shaving“ im Vergleich zur Referenz in etwa konstant. Inwiefern eine Reduktion der Strombezugskosten möglich ist, hängt von dem genutzten Stromtarif ab. In den hier durchgeführten Szenarienrechnungen wurde mit den DayAhead-Spotpreisen gerechnet. Dabei konnte keine Reduktion verzeichnet werden. Bei einem Stromtarif mit Leistungs- und Arbeitspreis würde dagegen durch die Reduktion der Spitzenlast eine Kostenreduktion realisiert werden.
  • Aus dem Vergleich der Flexibilitätskennzahlen der drei Zielfunktionen ist darüber hinaus ersichtlich, dass die Zielfunktionen „Reduktion Strombezugskosten“ und „Reduktion CO2-Emissionen“ viel höhere Anforderungen an die Flexibilität der Anlage stellen als die Zielfunktion „Peak Shaving“. Bei Letzterer sind in viel weniger Viertelstunden des Jahres Änderungen am Anlagenbetrieb notwendig im Vergleich zum Referenzbetrieb als bei Erstgenannten.

In Sensitivitätsrechnungen identifizierte Einflussgrößen:

  • Die Verdichtertechnologie hat nur einen geringen Einfluss auf die Ergebniskennzahlen.
  • Bei Vergleich der verschiedenen Märkte weist der kontinuierliche Intraday-Markt die besten Ergebnisse auf (im Sinne einer höheren Reduktion der Strombezugskosten bzw. CO2-Emissionen), gefolgt von dem Intraday-Spotmarkt und dem DayAhead-Spotmarkt. Dies lässt sich vermutlich auf die größere Preisvolatilität der erstgenannten Märkte zurückführen.
  • Die Betrachtung der zurückliegenden Jahre ergibt, dass durch den flexiblen Betrieb von Jahr zu Jahr höhere Einsparungen an CO2-Emissionen erzielt werden können. Zwar sinken aufgrund des jährlich steigenden EE-Anteils im deutschen Strommix auch im Referenzbetrieb die CO2-Emissionen, aber dies kann durch den flexibilisierten Betrieb nochmals verstärkt werden. Am Beispiel der Bäckerei betrug die im Jahr 2012 durch flexibilisierten Betrieb erreichbare Reduktion der CO2-Emissionen 15 Prozent, im Jahr 2020 33 Prozent.
  • Die Betrachtung der zurückliegenden Jahre bezüglich der Strombezugskosten zeigt für den Referenzbetrieb deutliche Schwankungen, die auf die unterschiedlichen Preisniveaus zurückzuführen sind. Die Reduktion der Strombezugskosten durch den flexibilisierten Betrieb liegt zwischen 43 und 54 Prozent.
  • Die Sensitivitätsrechnungen auf Basis von Prognosen für künftige Strompreise zeigen ebenfalls auf, dass der ökonomische Vorteil eines flexibilisierten Betriebs im Vergleich zum Referenzbetrieb in Zukunft deutlich wächst. Am Beispiel der Bäckerei sind im Jahr 2050 Strombezugskosteneinsparungen von 81 Prozent erzielbar im Vergleich zu 36 Prozent für das Jahr 2019.
  • Bezüglich der optimalen Dimensionierung von Kältemaschine und Kältespeicher können auf Basis der Ergebnisse im Rahmen von FlexKaelte nur grobe Empfehlungen abgeleitet werden. Für genauere Aussagen ist es erforderlich die Investitionskosten für die Überdimensionierung der Kältemaschine bzw. für die Neuanschaffung eines Kältespeichers den erzielbaren Einsparungen im Anlagenbetrieb gegenüberzustellen. Aufgrund der standortübergreifend beobachteten Sensitivitäten gegenüber variierter Kältemaschinenleistung und Kältespeicherkapazität lassen sich folgende grobe Erkenntnisse ableiten:
    • Die installierte Kältemaschinenleistung sollte das 1-1,5fache der maximalen Kältenachfrageleistung betragen
    • Die installierte Kältespeicherkapazität sollte 2,5-12 Stunden Kälteerzeugung bei Volllast aufnehmen können