Welches Kältemittel ist das beste?

Tatsächlich fällt eine Antwort auf diese Fragen lange nicht so einfach, wie es sich viele Unternehmen wünschen. Ohne klare Vorgaben für die Reduzierung oder das Verbot heute verwendeter Kältemittel kann eine Entscheidung nur unter Abwägung und Gewichtung von Kriterien und Auflagen erfolgen.

Forderungen an Kältemittel

Natürlich führen alle Überlegungen in die gleiche Richtung und jede Entscheidung für ein Kältemittel wird von einem Forderungskatalog begleitet:

• Einfluss auf die Umwelt gering halten
• Energieverbrauch reduzieren und Effizienz steigern
• Sicherheit der Menschen gewährleisten, die direkt mit der Technik arbeiten
• Amortisation der Investition
• Verlässliche Technik, um den Aufwand für Wartung und Service gering zu halten
• Gültige Vorschriften einhalten

Vor diesem Hintergrund sind alle Umstände zu analysieren, die heute verfügbare Lösungen begleiten. Ebenso sind deren Auswirkungen auf Umwelt, Effizienz, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit genau zu betrachten.

Seit vielen Jahren ist das Kältemittel R 22 in der gewerblichen Kälte- und Klimatechnik die Referenz für Kältetechniker, wenn es um die Effizienz des Kältemittels geht. Der gleichen Betrachtungsweise folgt diese Untersuchung, um eine Vergleichsgrundlage zu schaffen.

Einflüsse auf die Umwelt minimieren

Drei Hauptfaktoren sind bei der Kälte­mittelwahl unter dem Aspekt Umwelteinfluss maßgebend. Es handelt sich um ODP (Ozonabbaupotenzial), GWP (Treibhauspotenzial) und TEWI (Gesamt-Treibhausbelastung). Der letzte Punkt beinhaltet den GWP und die Systemeffizienz. Senkt man den GWP eines Fluids, wirkt es sich automatisch positiv auf die globale Erwärmung aus.

Die internationalen Vereinbarungen, 1987 niedergelegt im Montreal-Protokoll, lösten das FCKW- und HFCKW-Problem. Diese Stoffe stellten ein großes Zerstörungspotenzial der Ozonschicht dar. Heute liegt der Fokus auf der globalen Erwärmung, dem wesentlichen Einflussfaktor bei der Kältemittelwahl.

Die Entscheidung für ein Kältemittel mit niedrigem GWP erweckt derzeit den Eindruck positiver Auswirkungen auf die Umweltproblematik, wenn sie allein auf Basis von Umweltkriterien getroffen wird, dabei aber ökonomische oder technische Aspekte entfallen. Außerdem eliminiert diese Wahl nicht die sicherheitstechnischen Probleme, sofern giftige oder brennbare, natürliche Fluide gewählt werden. Es ist also ratsam, bei der Kältemittelwahl auch auf diese beiden Faktoren ein Augenmerk zu legen.

Giftigkeit

Bei Konzentrationen in der Atmosphäre unterhalb 400 ppm handelt es sich um niedertoxische Fluide (hauptsächlich HFKW und Kohlenwasserstoffe) der Klasse A. Hochtoxische Fluide (z. B. wie Ammoniak) gehören zur Klasse B.

Brennbarkeit

Nicht brennbare Fluide zählen zur Klasse 1. Die Klasse 2 umfasst Fluide, die sich bei 21 °C, Umgebungsdruck und Konzentratio­nen oberhalb 0,10 kg/m³ in der Luft entzünden. Die neue Klasse 2L für kaum entflammbare Fluide wurde erst vor Kurzem den ASHRAE-Standards hinzugefügt, um die HFOs oder R 32 zu erfassen. Klasse 3 beinhaltet Fluide, die sich bei den genannten Bedingungen, aber Konzentrationen unterhalb 0,10 kg/m³ entzünden.

Bild 1 veranschaulicht die zu berücksichtigenden Rahmenbedingungen und klassifi-ziert die Fluide auf Basis ihres GWP sowie dervergleichhbaren Kälteleistung zu R 22. Ammoniak (NH3) wird nicht berücksichtigt, da esin der Klimatechnik oder bei gewerblichen Kältesystemen praktisch keine Rolle spielt.

Handelsübliche Kältemittel mit hohem GWP wie R 404 A, R 407 C und R 410 A sind grün angelegt und werden als A1 ­klassifiziert. Diese Fluide sind Gemische aus R 32, R 125, R 143 a und R 134 a, wie in der Tabelle (s. Bild 1) ersichtlich. In dieser Gruppe werden R 32 und R 143 a den Klassen A2L und A2 zugeordnet. Kombiniert man sie mit anderen Stoffpaaren wie R 125 und R 134 a, ist das Ergebnis nicht brennbar.

Mit Ausnahme von CO₂ sind alle Fluide mit niedrigem GWP brennbar oder leicht entflammbar (A2L, A2 und A3). Sie sind in Bild 1 mit einer rot gepunkteten Linie umrandet. Diese Gruppe umfasst Isobutan (R 600 a), Propan (R 290), Difluorethan (R 152 a), R 32 und HFOs wie beispielsweise R 1234 yf.

Die Betrachtung dieser beiden Gruppen ergibt, dass es einerseits HFKWs mit relativ hohem GWP, aber großem Sicherheitspotenzial, und auf der anderen Seite Stoffe mit niedrigem GWP sowie bedeu­tendem Gefahrenpotenzial durch ihre brennbaren oder giftigen Eigenschaften gibt. Die dritte Gruppe innerhalb der schwarz gepunkteten Linie repräsentiert HFKW-Kältemittel mit niedrigem GWP, die die Basis für neue Stoffe mit sowohl niedrigem GWP als auch akzeptablen Sicherheitsbedingungen bilden.

Sicherheit von Mensch und Technik

Die Entflammbarkeit eines Fluids muss beurteilt werden in Bezug auf seine ­Flammausbreitungsgeschwindigkeit, Wärmeenergie und Mindestkonzentration. Bei der Wahl eines brennbaren Kältemittels ist daher besonders auf diese Faktoren zu achten.

Bild 2 zeigt die Mindestkonzentration des Gas-/Luftgemisches beim Verbrennen in Bezug auf die minimale Entzündungsenergie. Gleich ins Auge fällt der Bereich links unten mit Isobutan, Propan, Benzin, Methan und anderen Kohlenwasserstoffverbindungen. Diese Fluide als Kältemittel zu verwenden, scheint wegen ihres sehr geringen GWP-Wertes unter dem Gesichtspunkt Umwelt besonders interessant zu sein. Allerdings sind alle sehr gefährlich, da die Enflammbarkeit hoch ist und die dafür notwendigen Mindest­konzentrationen sehr niedrig liegen. Oben links in der Grafik findet sich Ammoniak (NH3), welches wegen seiner hohen Toxizität und Entflammbarkeit von ASHRAE unlängst als B2L klassifiziert wurde. Betrachtet man die Fluide rechts, erscheinen HFO 1234 yf und R 32 nur schwach entflammbar. Denn zum Entzünden werden im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen die 5000-fache Energie sowie eine hohe atmosphärische Dichte benötigt.

Bild 3 zeigt die ASHRAE-Klassifizierung der Kältemittel bezüglich der Flamm­ausbreitungsgeschwindigkeit und der Verbrennungsenergie. Oberhalb 19 MJ/kg liegt die Klassifizierung bei 3, darunter bei 2. Die Fluide der Klasse 2 werden wiederum unterschieden in zwei Unterklassen: unterhalb 10 cm/s sind die Fluide in Klasse 2L ein­gruppiert, darüber in Klasse 2.

Welche Lösung hat Potenzial?

Bild 4 zeigt verschiedene Möglichkeiten, um R 410 A, R 407 C und R 134 a zu ersetzen. Die Mischung R 32/HFO bietet vergleichbare Möglichkeiten zu R 410 A, aber mit einem GWP zwischen 400 und 675.

Bild 5 beschreibt die wesentlichen Charakteristiken der Fluide anhand von acht Eigenschaften. Jede Kategorie ist in Wertungen von 0 bis 12 unterteilt: je geringer die Wertung, desto näher am Zentrum und umso schlechter die Lösung. Wenn also der Aspekt Umwelt die tragende Rolle spielt, sollte bevorzugt ein Fluid mit niedrigem GWP gewählt ­werden. Unter dem Aspekt Sicherheit ist es besser, ein ungiftiges, nicht brennbares und chemisch stabiles Fluid zu verwenden. Um Energie einzusparen, sind auch die thermodynamischen Eigenschaften besonders wichtig. So gehen im Hinblick auf das Kältesystem die Bemühungen hin zur Reduzierung des Temperatur-Glide (Temperaturspreizung) und der Druckverluste. Dadurch verbessern sich die thermodynamischen Eigenschaften im Wärmeübertrager. Bei den Kosten ist ein Kältemittel mit großer volumetrischer ­Kälteleistung und niedrigen Betriebsdrücken von Vorteil. Da es das ideale Kälte­mittel bis heute aber nicht gibt, läuft es in der Praxis immer auf eine Kompromisslösung hinaus.

Fazit

Bild 6 zeigt mögliche Kompromisse zwischen GWP und Effizienz. Wählt man beispielsweise CO₂, so bietet es den niedrigsten GWP. Die Systemeffizienz hingegen liegt bei hohen Umgebungstemperaturen nur bei 87 Prozent von R 410 A. Das führt zu einem hohen TEWI und folglich zu hohem Treibhauspotenzial. Propan (R 290) liegt bei der Effizienz gleichauf mit R 410 A. Das notwendige Zweikreissystem aber es wird benötigt um Sicherheitsprobleme zu vermeiden verschlechtert die Systemeffizienz auf nur noch 90 Prozent.

Vereinfacht gesagt führen Kältemittel mit niedrigem GWP zur Herabsetzung der Systemeffizienz und bzw. oder einer ­signifikanten Brennbarkeit. R 32 bewies innerhalb des ASHRAE AREP 90s Programms eine um 2 bis 3 Prozent höhere Systemeffizienz als R 410 A. Mit dieser Erkenntnis ist anzunehmen, dass Blends aus R 32 und HFO 1234 yf Leistungen erreichen, die innerhalb der Wolke in Bild 5 liegen dürften.

So suchen sowohl Zulieferer und Hersteller von kältetechnischen Systemen wie auch Entwickler und Anwender nach ­Antworten, um die anstehenden neuen Regulierungen (Phase-down oder Phase-out der heutigen FKWs) zu meistern. Bei kommerziellen Kältesystemen scheint sich übergangsweise der Ersatz von R 404 A (GWP 3922) durch R 407 C (GWP 1774) in der Normalkühlung bzw. durch R 407 A (GWP 2107) in der Tiefkühlung abzu­zeichnen. Diese Lösung räumt der Kälte­industrie die benötigte Zeit für die Entwicklung einer Langzeitlösung ein, um von Klasse A1- zu Klasse A2L-Fluiden zu kommen. Der Ersatz von R 404 A durch R 134 a (GWP 1430) ist für die Normalkühlung ebenfalls eine praktikable Übergangslösung. Wegen der schlechten Effizienz im Vergleich zu R 404 A ist dieses Kältemittel aber bedeutungslos für die Tiefkühlung. CO₂ wäre dafür eine Alternative, dessen Zweckmäßigkeit für die Normalkühlung aber wiederum von den Umgebungstemperaturen abhängt. -

http://www.emersonclimate.eu

Director Specialty Projects, Emerson Climate Technologies GmbH Europe, Aachen