Kühlschränke, fragile Netze und globale Erwärmung

Beim Gedanken an kritische Infrastrukturen kommen den Menschen häufig zuerst Bahnnetze, Krankenhäuser und Stromnetze in den Sinn. Doch eine der wichtigsten Technologien in unserem Alltag befindet sich in fast jeder Küche: der Kühlschrank.

Im Gegensatz zu Lampen, die im Notfall durch Kerzen ersetzt werden können, lassen sich Kühlgeräte nicht so einfach ersetzen. Fällt der Strom aus, verderben Lebensmittel innerhalb kurzer Zeit, Medikamente verlieren ihre Wirksamkeit und die Existenz von Menschen, die ihren Lebensunterhalt mit dem Verkauf von kalten Getränken und Eis verdienen, ist gefährdet.

Der Klimawandel führt zu immer häufigeren und schwereren Wetterereignissen, mit der Folge häufigerer Blackouts und Brownouts. Netze, die früher stabil waren, sind heute einer zunehmenden Belastung ausgesetzt. Der große Stromausfall auf der iberischen Halbinsel, der Anfang 2025 weite Teile Spaniens und Portugals lahmlegte, sowie der Sturm Darragh, der über die britischen Inseln fegte (und in Deutschland als „Xaveria“ zu spüren war), haben die Verwundbarkeit selbst der am weitesten entwickelten Systeme gezeigt.

In weiten Teilen Afrikas und Asiens gehören solche Situationen zum Alltag der Menschen. Angesichts der wachsenden Belastung für die Netze in Europa und Nordamerika drängt sich der Gedanke auf, dass die Erfahrung der Menschen in Afrika bzw. Asien bald weniger als Ausnahme zu sehen ist, sondern vielmehr als Vorschau auf die Zukunft.

Die IEC hat die Norm IEC 63437 fertiggestellt, die sich mit Kühlschränken für den häuslichen und einfachen gewerblichen Gebrauch befasst, die für eine schwache und unzuverlässige bzw. nicht unterbrechungsfreie Stromversorgung konzipiert sind, sowie mit nicht ans Stromnetz angeschlossenen Kühlschränken, die so konzipiert sind, dass sie direkt durch PV-Solarmodule mit Energie versorgt werden.

Patrick Beks, Direktor und Mitinhaber des dänischen Unternehmens Re/Gent BV, hat einen Großteil der Arbeit an der Norm im internationalen Gremium IEC/TC 59 geleitet, das Normen für die Leistung von Haushaltsgeräten. Sein Unternehmen entwickelte sich aus den früheren Forschungs- und Entwicklungslaboren für Kühlgeräte von Philips. „Es gibt viele Regionen südlich der Sahara und in anderen Teilen der Welt, wo es keine zuverlässigen Kühlgeräte gibt“, erklärt Beks.

IEC 63437 führt einfache Klassifizierungen ein. Energieklassen zeigen an, wie lange ein Kühlschrank während eines Stromausfalls weiter kühlen kann, zum Beispiel vier Stunden eingeschaltet und 20 Stunden ausgeschaltet. Spannungsklassen geben den Schwankungsbereich an, den ein Gerät überleben kann, von 30 Prozent bis 200 Prozent der Nennspannung. Die Norm legt außerdem Solarklassen fest, die verschiedene Versorgungssignale repräsentieren, die von einem Solarmodul erzeugt werden.

„Sie liefert Angaben zum Stromausfall, den ein Kühlschrank ohne Unterbrechung der Kühlung überstehen kann, und zu den Spannungsschwankungen, die er tolerieren kann. Mit dieser Information können Verbraucher*innen den für ihre Region geeigneten Kühlschrank auswählen“, erklärt Beks.

Daneben werden Prüfverfahren von der Norm festgelegt: Wie schnell ein Kühlschrank herunterkühlt, wie lange er die Temperatur während eines Stromausfalls hält, wie er mit Spannungsschwankungen umgeht. Sie gibt jedoch nicht vor, wie ein Kühlschrank gebaut werden soll, sondern nur wie Leistung und Energieverbrauch gemessen werden sollten.

„Hat man einen Generator, wie lange muss man ihn jeden Tag laufen lassen, damit der Kühlschrank 24 Stunden kalt bleibt? Das sind die Fragen, die diese Norm beantworten kann”, erklärt Duncan Kerridge, Senior R&D-Ingenieur, früher bei SureChill tätig, der nun die Arbeit der IEC unterstützt.

Eine große Schwierigkeit besteht darin, zu definieren, was „schwaches Netz“ bedeutet. „Es gibt einen echten Mangel an Daten zur Versorgungsqualität“, merkt Kerridge an. „Es gibt vereinzelte Studien, aber daraus eine Schlussfolgerung zu ziehen, ist schwierig, da es keine Konsistenz gibt. Regierungen und Energieversorger erschweren die Situation häufig noch, indem sie aus Angst vor Reputationsverlust Daten zu Stromausfällen nur widerwillig herausgeben“, fügt er hinzu.

Kerridge weist jedoch darauf hin, dass Überwachung nicht teuer sein muss. „Einfache Mikrosteuerungsgeräte lassen sich für etwa 100 GBP zusammenstellen. Die Herausforderung besteht darin, sie flächendeckend einzusetzen und sicherzustellen, dass alle dieselben Parameter messen.“ Beks hofft, dass die Einführung der Norm zu mehr Überwachung führen wird. „Sobald die Norm genutzt wird, werden Erhebungen in ausgewählten Regionen durchgeführt“, erklärt er.

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IEC 63437 konzentriert sich auf Geräte, parallel dazu arbeitet Kerridge in einer Arbeitsgruppe des Technischen Komitees IEC/TC 8, das Normen zur Netzqualität festlegt, an der Erstellung eines technischen Berichts zu „Sich entwickelnde Netze“ mit. Darin wird beschrieben, wie die Zuverlässigkeit von Strom in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen bewertet werden kann, ein erster Schritt in Richtung weltweite Konsistenz. Vorläufig konzentriert sich die Arbeitsgruppe auf die Grundlagen: Ob der Strom an oder aus ist, welche Spannungsbereiche normal sind und welche Schwankungen die Geräte am meisten schädigen.

Neben den Normen prüfen Wissenschaftler*innen neue Technologien, um Kühlschränke widerstandsfähiger zu machen, wenn das Netz schwach oder kein Netzanschluss vorhanden ist. Ein vielversprechender Ansatz sind solarbetriebene Kühlschränke, die direkt von PV-Modulen, ohne Abhängigkeit von externen Batterien, mit Energie versorgt werden. Stattdessen sorgt ein thermischer Speicher im Innern des Kühlschranks dafür, dass der Kühlschrank nachts oder bei vorübergehend bewölktem Himmel die kalten Temperaturen hält.

Ivan Katic, Senior Specialist beim Danish Technological Institute (DTI), leitet ein von Dänemark finanziertes Programm, das untersucht, wie dieser Ansatz über Impfstoffkühlschränke hinausgehen und auf die Lebensmittelkühlkette übertragen werden kann. Eine Umsetzung in größerem Maßstab erfordert neue Hardware. Im Wechselstrom-Sektor gibt es zahlreiche große Kompressoren, diese für Gleichstrom-Solarenergie anzupassen, ist jedoch schwierig. Das Team von Katic arbeitete mit einem dänischen Hersteller von Frequenzumrichtern und Kompressoren an der Entwicklung eines variablen Umrichters, der einen Standardkompressor direkt über Solarmodule mit Energie versorgen kann.

Spezielle Software passt dann den Stromverbrauch, abhängig davon wie viel Sonnenlicht verfügbar ist, an. „Wir haben bewiesen, dass es möglich ist“, erklärt Katic. „Der Umrichter kann sich automatisch anpassen, so dass der Kühlschrank weiterläuft, selbst wenn die Energieversorgung schwankt.“

Um zu zeigen, dass das Konzept in der Praxis funktioniert, stellt das Projekt Geräte zu Demonstrationszwecken her. Tiefkühlgeräte für Fischer in Kenia und Kühlschränke für die Hersteller von Milchprodukten auf den Philippinen. In Kenia ist das Problem besonders akut: das Einfrieren von Fisch erfordert eine große Energiemenge und durch einen Stromausfall kann der ganze Fang verderben. Die Lösung ist der Einbau eines auf Salzwasser basierenden thermischen Speichers im Innern des Tiefkühlgeräts, der die Temperatur über Nacht unter null Grad hält. „Ziel ist, dass der Inhalt selbst bei einem Stromabfall kalt bleibt. So verdirbt der Fisch nicht und Verluste werden minimiert“, erklärt Katic.

Das Projekt, das in Zusammenarbeit mit dem WWF durchgeführt wird, prüft, ob die Technologie lokale Fischereien stärken und Abfall reduzieren kann. Auf den Philippinen besteht das Ziel darin, Molkereien zu helfen, Milch in ländlichen Regionen, wo das Netz unzuverlässig ist, kühl zu halten. Beide Pilotprojekte werden Felddaten zu Leistung und Kosten liefern – die Grundlage für eine Umsetzung in größerem Maßstab.

Doch die Kommerzialisierung bleibt schwierig. Kühl- bzw. Gefrierschränke mit integriertem Phasenwechselmaterial-Speicher sind teuer, hochentwickelte Umrichter und Software erhöhen die Kosten weiter. Gleichzeitig kann die Konkurrenz durch batteriegestützte Solarsysteme die Attraktivität dezentraler Einzelgeräte untergraben. „Im Hinblick auf dezentrale kleine Systeme hat die Technologie eine vielversprechende Zukunft, aber für größere kommerzielle Systeme, die in der Industrie zum Einsatz kommen, kann es kostengünstiger sein, ein lokales Netz zu errichten, auf das man sich verlassen kann“, sagt Katic. Er bleibt optimistisch: „Wenn es mehr Kühlschränke gibt und die Kosten sinken, dann wird es eine gute Technologie sein.“

IEC-Normen können im Hinblick auf Solarthermietechnologie ebenfalls helfen: Das Technische Komitee IEC/TC 117 erstellt Normen zu Solarthermieanlagen and kümmert sich zunehmend auch um die Normung von Solarthermieanwendungen in der Industrie.

Solarthermische Kraftwerke ermöglichen kostengünstige Energiespeicherung

Aufgrund ihrer Fähigkeit, kostengünstig solare Energie zu speichern und in Nischenanwendungen genutzt werden zu können, verfügen solarthermische Kraftwerke (CSP) über das Potenzial, sich als zukunftsfähige Lösung auf dem Markt zu etablieren. Ein Anwendungsbeispiel dafür ist die Nutzung von Solarthermie für industrielle Prozesswärme. Es braucht jedoch internationale Normen, um die Kosten zu senken. Und um die entsprechende Fachexpertise in der Normungsarbeit zu gewinnen, können Online-Tools helfen.

Obwohl IEC 63437 und Katics Pilotprojekte für den Globalen Süden konzipiert wurden, verwischt der Klimawandel die Grenze zwischen „sich entwickelnden“ und „entwickelten“ Netzen. „Die Nutzung von Kühlschränken für schwache Netze in Kombination mit intelligenten Netzen in Industrieländern ist ebenfalls ein erwarteter Trend für die Zukunft. Der Gedanke ist, Strom zu nutzen, wenn er verfügbar und günstig ist, und keinen Strom zu nutzen, wenn er knapp und teuer ist“, erklärt Beks.

„Ich weiß nicht, wie schlimm die Dinge aufgrund des Klimawandels noch werden, aber wenn sich die Versorgungsqualität verringert und Netze in den Industrieländern immer schlechter werden, dann könnte man selbstverständlich diese Norm nutzen“, fügt er hinzu. Kerridge sieht das genauso. Bei Kühlschränken für den privaten Haushalt können einfache Maßnahmen, wie die Tür während eines Stromausfalls geschlossen zu halten, helfen. Aber für Krankenhäuser und Apotheken steht mehr auf dem Spiel. „Es geht um Verwundbarkeit und Kritikalität der Netzlast. Während des Sturms Darragh musste die Apotheke meiner Frau Medikamente nach einem 24-stündigen Stromausfall ersetzen“, erinnert er sich. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) nimmt bereits Notiz. Sie hat ein eigenes elektronisches Vorqualifizierungssystem (ePQS) für Impfstoffkühlschränke mit intermittierender und solarer Stromversorgung und ist laut Beks daran interessiert, künftige Arbeiten in dem Bereich an IEC Benchmarks auszurichten.

Die Arbeit von Katic zeigt auch, wie die nächste Generation an Lösungen aussehen könnte: batterielose Solarkühlschränke, die Fischereien, Molkereien und kleine Unternehmen nutzen können. Durch die Kombination technischer Normen mit innovativem Design erhoffen sich Wissenschaftler*innen, Kühlmöglichkeiten für jede und jeden zuverlässiger zu machen.

IEC 63437 wird in Kürze veröffentlicht. Für Beks gehen die Auswirkungen über technische Spezifikationen hinaus. „Was ich an dieser Arbeit mag, ist, dass sie Menschen in ärmeren Regionen die Möglichkeit gibt, Kühlschränke zu kaufen, die funktionieren, und vielen auch dabei hilft, ihren Lebensunterhalt zu verdienen. In Regionen mit unzuverlässigen Netzen bzw. solchen ohne Netz gibt es viele Geschäfte, die ihr Einkommen durch den Verkauf von kalten Getränken, darunter Wasser, verdienen. Diese Norm verhilft ihnen zu einem besseren Leben“, sagt er.

Auch das Projekt von Katic geht gerade in eine kritische Phase: „Bei Stromausfällen ist es wichtig, dass das Eis nicht wieder komplett schmilzt. Deshalb simulieren wir aktuell die in Gefrierschränke eingebaute Lösung mit Salzwasser bei etwa minus 20 °C im Labor. Das Modell wird dazu verwendet, die Systeme entsprechend zu dimensionieren. Es gab ein paar Probleme mit Lecks, aber das haben wir gelöst. Jetzt machen wir letzte Prüfungen, bevor das System nach Kenia geht, vielleicht im November. Dann werden wir ein paar Monate testen und Nutzer*innen befragen, und schließlich die Ergebnisse sammeln.“

In einer Welt, in der Resilienz genauso wichtig wird wie Effizienz, kann ein einfacher Kühlschrank eine der wichtigsten Technologien sein, die Gesellschaften hilft, sich an den Klimawandel anzupassen.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel von Ann-Marie Corvin erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 05/2025 unter:
https://etech.iec.ch/issue/2025-05/fridges-fragile-grids-and-global-warming

Inhaltliche Beschreibungen, Darstellungen und Meinungen in diesem IEC-Text können von denen der DKE abweichen.

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