Neue effektive Kühlgradtage korrigieren Kühlgradtage-Fehler bei der Stromnetzplanung

Seit rund hundert Jahren dient eine einfache Kennzahl namens Kühlgradtage dazu, abzuschätzen, wie viel Strom für Klimaanlagen und Kälteanlagen benötigt wird – genutzt von Energieversorgern, Netzbetreibern und sogar von den Finanzmärkten.

Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass dieser etablierte Maßstab von Beginn an einen grundlegenden Faktor übersehen hat – mit spürbaren Folgen dafür, wie Stromnetze geplant und dimensioniert werden.

Geleitet wurde die Studie von Atmosphärenwissenschaftlern der University of Hawai’i at Mānoa.

Das Team entwickelte eine neue, physikbasierte Variante der Kennzahl: effektive Kühlgradtage. Sie bildet ab, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit gemeinsam wirken.

Ziel war es, die tatsächliche Belastung zu bestimmen, der ein Kühlsystem in der Praxis ausgesetzt ist.

Wendeten die Forschenden die neue Kennzahl auf Nordamerika an, zeigte sich: Die Kühlleistung hat seit 1971 um zwei bis vier Prozent pro Jahrzehnt nachgelassen.

Außerdem bewertet die alte, rein temperaturbasierte Kennzahl den Kühlbedarf je nach Region unterschiedlich verzerrt – in manchen Gegenden wird er überschätzt, in anderen unterschätzt.

Eine problematische Kennzahl, die überall genutzt wird

„Schätzungen zu Kühlgradtagen werden überall verwendet“, sagte Studienhauptautor Jake Casselman, Postdoktorand an der UH Mānoa.

„Energieversorger, Netzbetreiber, Energieplaner und Ingenieure nutzen sie, um den Strombedarf vorherzusehen, und die Finanzmärkte handeln Terminkontrakte darauf, um sich gegen ungewöhnlich heiße Sommer abzusichern.“

„Wenn dieser Maßstab je nach Regionalklima systematisch verzerrt ist, dann sind auch die Planungsentscheidungen, die darauf aufbauen, verzerrt.“

Das könne bedeuten, so Casselman, dass in der falschen Region zu viel oder zu wenig Erzeugungskapazität errichtet wird – oder dass man falsch einschätzt, wo das Netz während einer Hitzewelle am stärksten gefährdet ist.

Eine alte Annahme hält der Realität nicht stand

Die klassische Methode zur Abschätzung des Kühlbedarfs stützt sich auf eine einfache Annahme: Jedes zusätzliche Grad Wärme koste unabhängig von den Bedingungen gleich viel Energie, um es wieder „wegzukühlen“.

So arbeiten reale Kühlsysteme nicht. Mit steigenden Temperaturen nimmt ihre Effizienz ab.

Noch ungünstiger wird es durch Luftfeuchtigkeit, weil das System zusätzliche Energie aufbringen muss, um Feuchtigkeit aus der Luft zu entfernen – statt lediglich die Temperatur zu senken.

Ein neues Modell des Kältekreislaufs

Um eine Kennzahl für den Kühlbedarf zu entwickeln, die diesen Zusammenhang abbildet, kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Klimaforschung mit Kältetechnik. Der neue Ansatz berücksichtigt ausdrücklich, wie sich die Effizienz von Kühlsystemen unter dem Zusammenspiel von Temperatur und Feuchte verändert.

Dazu integrierte das Team ein vereinfachtes Modell des Kältekreislaufs – also derselben Physik, die jeder Klimaanlage und jedem Kühlschrank zugrunde liegt.

Mit dem Modell lässt sich abschätzen, wie effizient Kühlsysteme unter unterschiedlichen Kombinationen aus Temperatur und Luftfeuchtigkeit Wärme abführen.

Anschließend wendeten die Forschenden die neue Kennzahl auf 50 Jahre hochaufgelöster Wetterdaten in Nordamerika von 1971 bis 2020 an. So quantifizierten sie, wie klimabedingte Veränderungen der Kühleffizienz den Kühlbedarf bereits heute von Region zu Region verschoben haben.

Danach wiederholten sie die Auswertung mit Projektionen aus 19 Klimamodellen unter einem Szenario mit hohen Emissionen, um zu bewerten, wie sich der Bedarf künftig verändern könnte.

Zum Schluss übertrug das Team die Ergebnisse auf das US-Stromnetz und berücksichtigte dabei, wo Menschen tatsächlich leben.

Damit konnten sie die Regionen und Stromsysteme identifizieren, in denen voraussichtlich die stärksten Zunahmen beim kühlungsbedingten Strombedarf auftreten.

Verdopplung des Bedarfs bis zur Mitte des Jahrhunderts

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Regionen mit den steilsten künftigen Zuwächsen beim Kühlbedarf der Nordwesten, die Große-Seen-Region und der Mittelatlantik sind – dort wird für einige Netzregionen in diesem ‚Worst-Case‘-Szenario mit hohen Emissionen erwartet, dass sich der kühlungsbedingte Strombedarf bis zur Mitte des Jahrhunderts mehr als verdoppelt“, sagte die Seniorautorin der Studie Christina Karamperidou.

„Den Kühlbedarf korrekt zu erfassen ist keine akademische Übung; es beeinflusst direkt, wie wir künftige Energieinfrastruktur planen, dimensionieren und betreiben, während sich das Klima verändert.“

Für Regionen, die historisch nicht in dem Maße wie die heißeren Landesteile mit extremem Kühlbedarf planen mussten, ist das eine erhebliche Verschiebung.

Das wirft konkrete Fragen auf, ob die vorhandene Netzinfrastruktur dort auf eine deutlich andere Zukunft vorbereitet ist.

Die Wirkung der Luftfeuchtigkeit

Dass die Kühlleistung mit steigender Temperatur sinkt, überraschte die Forschenden nicht besonders. Wirklich unerwartet war für sie, welche Rolle die Luftfeuchtigkeit spielt, wenn man sie korrekt einbezieht.

In einigen Regionen – etwa im trockenen Südwesten der USA – hatte das Team erwartet, einen Effizienzrückgang zu sehen.

Berücksichtigten sie jedoch, dass die Luft dort bei höheren Temperaturen zugleich trockener wurde, verschwand dieser erwartete Rückgang teils vollständig.

An manchen Orten blieb die Effizienz sogar stabil oder nahm leicht zu. Trockene Luft lässt sich tatsächlich leichter kühlen, was einen Teil des Nachteils steigender Temperaturen ausgleichen kann.

In feuchten Regionen zeigte sich hingegen das gegenteilige Muster: Dort verstärken sich Hitze und Feuchtigkeit gegenseitig, statt sich teilweise zu kompensieren.

Dadurch fällt die reale Energielast deutlich höher aus, als es eine Auswertung allein nach Temperatur nahelegen würde.

„Zu sehen, wie diese beiden Effekte auf dem Kontinent in entgegengesetzte Richtungen ziehen – was wir schließlich als ‚Tauziehen‘ bezeichnet haben –, ist etwas, das eine rein temperaturbasierte Sicht niemals sichtbar machen würde“, sagte Casselman.

Enge Zusammenarbeit mit Ingenieurinnen und Ingenieuren

Diese Forschung entstand unmittelbar aus der Zusammenarbeit zwischen Klimawissenschaft und praktischen Herausforderungen aus der Technik.

Ausgelöst und ermöglicht wurde das Projekt durch den Austausch mit Ingenieurinnen und Ingenieuren für Thermomanagement am Zentrum für umweltgerecht eingesetzte Kältemitteltechnologie, in dem die UH eine zentrale Partnerinstitution ist.

Weil Kühlsysteme technisch hochkomplex sind, standen Casselman und Karamperidou vor einer erheblichen Gratwanderung.

Die Kooperation mit Ingenieurteams, die Kühltechnologien der nächsten Generation entwickeln, half dabei, ein Modell zu erstellen, das der Physik der Kältetechnik treu bleibt und zugleich praktisch genug ist, um es auf einen ganzen Kontinent anzuwenden.

Das Ergebnis liefert Planungsverantwortlichen eine realistischere Grundlage, um den künftigen Kühlbedarf zu beziffern, während sich das Klima weiter erwärmt.