Im Forschungsprojekt ALGE hat ein Wissenschaftsteam erstmals den alterungsbedingten Anstieg des Energieverbrauchs an real gealterten Haushaltskältegeräten bestimmt. Als wesentliche Ursache identifizierten die Forschenden die Veränderung des zur Isolation eingesetzten Polyurethan-Schaums.

Kühlschränke und Gefriertruhen finden sich fast in jedem Haushalt — und sie sind rund um die Uhr in Betrieb. In Summe machen Haushaltskältegeräte deshalb einen hohen Anteil am deutschen Gesamtstromverbrauch aus: aktuell etwa fünf Prozent (siehe Umweltbundesamt: Energieverbrauch privater Haushalte und Umweltbundesamt: Stromverbrauch).  Effizientere Geräte könnten also das Stromnetz wirksam entlasten und einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Damit Verbraucherinnen und Verbraucher sparsame Geräte identifizieren können, gibt es unter anderem das EU-Energielabel. Die Messungen, die die Parameter dieses Labels bestimmen, werden jedoch nur im Neuzustand der Geräte durchgeführt. Doch der Energieverbrauch von Kühlschränken nimmt mit dem Alter zu.

Wie genau dieser Alterungsprozess abläuft, was die Ursachen für den Mehrverbrauch sind und wie man diesen verringern kann, wollten Forschende im Forschungsprojekt ALGE genauer wissen. Sie haben dazu den Einfluss der Isolierung, der Komponenten des Kältekreises, der Türdichtungen sowie des Nutzungsverhaltens untersucht. Zudem haben sie zwei Generationen von alterungsbeständigen Demonstratoren entwickelt.

Daten aus 21 Betriebsjahren zeigen realen Alterungsprozess

Die Herausforderung: Anders als bei den meisten technischen Systemen kann die Alterungsprüfung bei Haushaltskältegeräten nicht beschleunigt werden. Denn Kühl- und Gefrierschränke laufen auch im normalen Betrieb bereits rund um die Uhr. So mussten alle zu untersuchenden Geräte zuerst im Neuzustand in einem Labor vermessen und nach einer Laufzeit von bis zu 21 Jahren erneut geprüft werden — unter den gleichen Bedingungen wie bei der ersten Messung. Eine besondere Herausforderung im Projekt bestand darin, dass eine ausreichend große Anzahl an Geräten gefunden werden musste, die bereits in der Vergangenheit im Neuzustand untersucht worden waren.

Polyurethan-Schaum verliert mit der Zeit an Isolationswirkung

Insgesamt haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 100 Normenergieverbrauchsmessungen an 32 real gealterten Geräten untersucht. Den größten Effekt stellten sie bei der Isolierung fest: Bei dem im Gehäuse verwendeten Polyurethan-Schaum, kurz: PUR-Schaum, stieg die Wärmeleitfähigkeit an vereinfachten Probekörpern über einen Zeitraum von rund zweieinhalb Jahren von rund 19,5 auf 26,4 Milliwatt pro Meter und Kelvin (mW/(m⋅K)) — ein Anstieg von 35 Prozent.

Um die Alterung des Verdichters zu untersuchen, mussten die Forschenden eine geeignete Methodik entwickeln. Denn der Verdichter kann nicht komplett losgelöst von den anderen Komponenten des Kältekreislaufs, also Verdampfer, Kondensator und Kältemittel, untersucht werden, ohne das Gerät zu beschädigen.

Deshalb haben die Forschenden zuvor auf einem Teststand vermessene Verdichter in die Kältegeräte eingebaut. Nach einem zweijährigen Betrieb haben sie diese Verdichter wieder ausgebaut und erneut vermessen. Hierbei konnte das ALGE-Team keine Änderung der Verdichterleistung feststellen.

Zusätzlich zu den technischen Parametern haben die Projektpartner den Einfluss des Verbraucherverhaltens auf den Energieverbrauch analysiert. Hierbei zeigte sich, dass bis zu 33 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs nach einer mehrjährigen Nutzungsdauer verbraucherinduziert sein können.

Kühl- und Gefriergeräte verbrauchen nach 16 Jahren 27 Prozent mehr Energie

Aus den erfassten Daten hat das ALGE-Team ein Alterungsmodell entwickelt, das erstmals die Energieverbrauchsmessungen von real betriebenen Haushaltskältegeräten miteinbezieht. Zuvor in der Literatur beschriebene Alterungsmodelle wurden bislang aus den Daten einzelner Systemkomponenten abgeleitet. Daher weist das entwickelte Alterungsmodell aus ALGE signifikante Unterschiede zu ihnen auf: Es zeigt einen Anstieg des Energieverbrauchs um 27 Prozent über eine durchschnittliche Betriebsdauer eines Haushaltskältegeräts von 16 Jahren. Je nach Fertigungsqualität, Bauweise, Größe und anderer Parameter weichen einzelne Geräte um 15 Prozent nach oben oder nach unten von dieser Alterungskurve ab.

Die Erkenntnisse aus ALGE sollen zukünftig dazu genutzt werden, Hersteller, Verbraucherschutzorganisationen, Normungsgremien und Gesetzgeber für Alterungsprozesse von Haushaltskältegeräten zu sensibilisieren. Außerdem lässt sich der Energieverbrauch sowohl volkswirtschaftlich als auch auf der Ebene eines einzelnen privaten Haushalts besser prognostizieren. Etwa, um herauszufinden, nach wie vielen Jahren es wirtschaftlicher wäre, ein neues Kühlgerät anzuschaffen.

Nachfolgeprojekt forscht an altersbeständiger Isolierung