Effektive Kühlgradtage zeigen den wahren künftigen Kühlbedarf

Seit einem Jahrhundert unterstützt eine einfache Kennzahl namens Kühlgradtage Energieversorger, Netzbetreiber und Finanzmärkte dabei, den Strombedarf für Klimaanlagen und Kühlung abzuschätzen.

Neue Forschungsergebnisse zeigen nun, dass dieser etablierte Wert von Anfang an einen grundlegenden Faktor außer Acht gelassen hat. Dieser Fehler hat konkrete Folgen dafür, wie Stromnetze geplant und dimensioniert werden.

Die Studie wurde von Atmosphärenwissenschaftlern der University of Hawai’i at Mānoa geleitet.

Das Team entwickelte eine neue, physikalisch fundierte Variante der Kennzahl: die effektiven Kühlgradtage. Sie berücksichtigt das Zusammenspiel von Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Damit sollte die tatsächliche Belastung ermittelt werden, der ein Kühlsystem ausgesetzt ist.

Bei der Anwendung der neuen Kennzahl auf ganz Nordamerika stellten die Forschenden fest, dass die Kühleffizienz seit 1971 pro Jahrzehnt um zwei bis vier Prozent zurückgeht.

Zudem bewertet die bisherige, ausschließlich temperaturbasierte Kennzahl den Kühlbedarf je nach Region unterschiedlich falsch: In einigen Gebieten überschätzt sie ihn, in anderen unterschätzt sie ihn.

Eine problematische Kennzahl im Dauereinsatz

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

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

„Wenn dieser Maßstab auf eine Weise verzerrt ist, die vom Klima einer Region abhängt, dann sind auch die darauf basierenden Planungsentscheidungen verzerrt.“

Dies könne dazu führen, dass am falschen Ort die falsche Menge an Erzeugungskapazität gebaut werde oder dass falsch eingeschätzt werde, wo ein Stromnetz während einer Hitzewelle am stärksten gefährdet sei, erklärte Casselman.

Eine überholte Annahme hält nicht stand

Die herkömmliche Berechnung des Kühlbedarfs beruht auf einer einfachen Annahme: Jeder Grad zusätzlicher Wärme erfordert unabhängig von den Bedingungen dieselbe Energiemenge zur Kühlung.

Tatsächlich funktionieren Kühlsysteme nicht auf diese Weise. Mit steigenden Temperaturen werden sie weniger effizient.

Luftfeuchtigkeit verschärft das Problem zusätzlich, weil das System mehr Energie aufwenden muss, um der Luft Feuchtigkeit zu entziehen, statt nur ihre Temperatur zu senken.

Ein neues Modell des Kältekreislaufs

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verknüpften Klimaforschung mit Kältetechnik, um eine Kennzahl für den Kühlbedarf zu entwickeln, die ausdrücklich berücksichtigt, wie sich die Effizienz von Kühlsystemen mit Temperatur und Luftfeuchtigkeit verändert.

Der Ansatz des Teams enthält ein vereinfachtes Modell des Kältekreislaufs – also derselben grundlegenden Physik, die jede Klimaanlage und jeden Kühlschrank bestimmt.

Mithilfe dieses Modells wird geschätzt, wie effizient Kühlsysteme unter unterschiedlichen Kombinationen aus Temperatur und Luftfeuchtigkeit Wärme abführen.

Die Forschenden wandten die neue Kennzahl auf 50 Jahre hochaufgelöster Wetterdaten aus ganz Nordamerika an, die den Zeitraum von 1971 bis 2020 abdecken. So quantifizierten sie, wie klimabedingte Veränderungen der Kühleffizienz den Kühlbedarf bereits von Region zu Region umgestaltet haben.

Anschließend wiederholten sie die Analyse mit Projektionen aus 19 Klimamodellen unter einem Szenario mit hohen Emissionen, um mögliche zukünftige Veränderungen des Bedarfs zu bewerten.

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

Dadurch konnten die Forschenden jene Regionen und Stromsysteme bestimmen, in denen die größten Zuwächse beim Kühlbedarf am wahrscheinlichsten sind.

Verdoppelter Bedarf bis zur Mitte des Jahrhunderts

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Regionen mit den stärksten künftigen Zunahmen des Kühlbedarfs der Nordwesten, die Großen Seen und der Mittelatlantik sind, wo der kühlungsbedingte Strombedarf in einigen Netzregionen in diesem Hoch-Emissions-‚Worst-Case‘-Szenario bis zur Mitte des Jahrhunderts voraussichtlich mehr als doppelt so hoch sein wird“, sagte Christina Karamperidou, leitende Autorin der Studie.

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

Für Regionen, die ihren Bedarf bislang nicht so wie heißere Landesteile auf extreme Kühllasten ausrichten mussten, stellt dies eine erhebliche Veränderung dar.

Damit stellt sich die ernsthafte Frage, ob die bestehende Netzinfrastruktur in diesen Gebieten auf eine völlig andere Zukunft vorbereitet ist.

Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit

Dass die Kühleffizienz bei höheren Temperaturen sinkt, überraschte die Forschenden nicht besonders. Wirklich unerwartet war hingegen die Rolle der Luftfeuchtigkeit, sobald sie korrekt einbezogen wurde.

In einigen Regionen, etwa im Wüsten-Südwesten, hatte das Team mit einer abnehmenden Effizienz gerechnet.

Nachdem berücksichtigt worden war, dass die wärmere Luft in diesen Gebieten zugleich trockener wurde, verschwand dieser erwartete Rückgang jedoch mitunter vollständig.

An einigen Orten blieb die Effizienz sogar konstant oder verbesserte sich. Trockene Luft lässt sich tatsächlich leichter kühlen, wodurch sie den Nachteil steigender Temperaturen teilweise ausgleicht.

In feuchten Regionen zeigte sich dagegen das entgegengesetzte Muster: Dort verstärken sich Hitze und Feuchtigkeit gegenseitig, statt einander auszugleichen.

Dadurch fiel die tatsächliche Energiebelastung deutlich höher aus, als es eine reine Temperaturanalyse vermuten ließe.

„Zu sehen, wie diese beiden Effekte sich über den Kontinent hinweg in entgegengesetzte Richtungen ziehen – was wir schließlich als ‚Tauziehen‘ bezeichneten –, ist etwas, das eine Betrachtung allein der Temperatur niemals offenlegen würde“, sagte Casselman.

Enge Zusammenarbeit mit Ingenieuren

Diese Forschung entstand unmittelbar aus der Zusammenarbeit zwischen Klimawissenschaftlern und praktischen Herausforderungen der Ingenieurarbeit.

Angestoßen und ermöglicht wurde das Projekt durch den Austausch der Forschenden mit Ingenieuren für Wärmemanagement am Environmentally Applied Refrigerant Technology Hub, an dem die UH als wichtige Partnerinstitution beteiligt ist.

Da Kühlsysteme technisch ausgesprochen komplex sind, standen Casselman und Karamperidou vor einem erheblichen Zielkonflikt.

Die Zusammenarbeit mit Ingenieuren, die Kühltechnologien der nächsten Generation entwickeln, half dem Team dabei, ein Modell zu erstellen, das der Physik des Kältekreislaufs treu blieb und zugleich praktisch genug für die Anwendung auf einem ganzen Kontinent war.

Das Ergebnis bietet Planern eine realistischere Methode, um den künftigen Kühlbedarf bei fortschreitender Klimaerwärmung abzuschätzen.