Kältemittel

 

Die meisten der heutigen Kältemittel werden aus chemischen Synthesen erzielt und besitzen für den Verwendungszweck ideale Eigenschaften. Viele davon sind jedoch umweltbelastend; sie tragen zum Abbau der Ozonschicht bei (hohes Ozonabbaupotential - ODP, Ozone Depletion Potential) oder haben einen direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt (hohes Treibhauspotential - GWP, Global Warming Potential).

Nomenklatur der Kältemittel:

FCKW = Fluorchlorkohlenwasserstoffe, hohes OPD

H-FCKW = teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe, niedriges OPD, hohes GWP

FKW = Fluorkohlenwasserstoffe, kein OPD, hohes GWP

HFO - Hydro-Fluoro-Olefine, kein OPD, niedriges GWP

KW = Kohlenwasserstoffe, kein ODP, vernachlässigbares GWP

Ammoniak, CO2 = kein ODP, kein oder vernachlässigbares GWP

Aus diesem Grund haben viele Länder bereits den Einsatz der synthetischen Kältemittel wie FCKWs und H-FCKWs verboten oder begrenzt (Montreal-Protokoll, 1992) und entscheiden über das Schicksal der FKWs zugunsten von Kältemitteln mit niedrigen oder keinen OPD und GWP.

Zu den Letzteren gehören einige natürliche Kältemittel wie Kohlendioxid, Ammoniak, Propan und andere Kohlenwasserstoffe. Jedenfalls handelt es sich Fluide, die nicht dafür entwickelt wurden, Kältemittel zu sein. Aus diesem Grund sind sie weniger effizient als synthetische Kältemittel und haben einige negative Eigenschaften wie korridierende Wirkung und Explosionsfähigkeit. Allerdings besitzen sie kein oder nur ein sehr geringes GWP und OPD und werden in Zukunft die Vorherrschaft übernehmen.

Liste der üblicherweise in der Kältetechnik verwendeten Kältemittel:

CFC-12 (R12): War eines der im letzten Jahrhundert meist verwendeten Kältemittel, bis es aufgrund des hohen Ozonabbaupotentials zusammen mit allen anderen FCKWs (nach 1996) verboten wurde.

HCFC-22 (R22): Kombiniert optimale chemische und physikalische Eigenschaften mit einer hohen Volumenfülle, sodass es in unzähligen Luftklimatisierungs- und Kühlungsanwendungen eingesetzt werden kann. Sein Ozonabbaupotential ist niedrig (0.05), aber nicht Null. Aus diesem Grund wurde seine Auslaufsphase ab 2010 bis zum Verwendungsverbot 2015 beschlossen. Anschließend darf es weder hergestellt noch recycelt werden.

HFC-134a (R134a): Hat das R-12 bei der Kühlung in Haushalten und teilweise im Gewerbe und in den Klimaanlagen für Autos ersetzt. Es hat kein ODP, aber ein nicht vernachlässigbares GWP (1300). Dank der niedrigen Arbeitsdrücke, die 2-3 Mal niedriger als jene aller anderen Kältemittel sind, wird es auch für Großklimaanlagen mit Zentrifugalverdichtern verwendet. Es eignet sich jedoch nicht für die industriellen Kälteanlagen aufgrund des niedrigen Wirkungsgrads im Tiefkühlbereich.

HFC-404A (R404A): Eine Mischung aus 3 Kältemitteln, die imstande sind, das R22 vorwiegend für kältetechnische Anwendungen zu ersetzen, vor allem im Tiefkühlbereich, ohne dass ein Umbau der Kältemaschinen erforderlich wird. Sein GWP ist hoch (3780). Aus diesem Grunde haben bereits zahlreiche Länder die Auslaufphase beschlossen, die nach der Überarbeitung der F-Gase-Verordnung auf die gesamte Europäische Union ausgedehnt werden wird.

HFC-507A (R507A): Eine Mischung von 2 Kältemitteln, die imstande sind, das R22 vorwiegend in kältetechnischen Anwendungen zu ersetzen, genau wie das HFC-404A, dessen Nachteile es auch teilt (GWP (3900) und die Auslaufphase).

HFC-422A, 422D, 417A (R422A, R422D, R417A): Mischungen von synthetischen Kältemitteln mit noch nicht vernachlässigbarem GWP, die das R22 in jenen Fällen ersetzen sollen, in denen das R404A aufgrund der vorgenannten Nachteile nicht ideal ist.

HFC-407F (R407F): Mischung identisch zum R407C, allerdings mit anderer prozentueller Verteilung der Kompoenenten. Hat ein GWP von 1800 und ersetzt das R22, R507A und R404A in kältetechnischen Anwendungen.

HFC-410A (R410A): Diese Mischung gehört zu den heute am häufigsten verwendeten. Sie besteht aus 2 Kältemitteln und hat das R22 für Luftklimatisierungsanwendungen und - perspektivisch - auch in der Kühlung (anstelle des R404A) ersetzt. Erfordert jedoch einen maschinellen Umbau aufgrund der hohen Betriebsdrücke (doppelt so hoch wie bei den herkömmlichen Kältemitteln). Die Kühleffizienz ist hoch.

HFO-R1234YF (R1234YF): Ein neuartiges Kältemittel, das vor allem das R134a in den Klimaanlagen für Autos ersetzen soll. Fast ohne GWP (6), aber seine Entflammbarkeit (wenngleich begrenzt) stellt eine Barriere für seine Verwendung in verschiedenen Anwendungen dar.

HFO-R1234ze (R1234ze): Wie das vorhergehende Kältemittel soll auch dieses das R134a in haushaltstechnischen, gewerblichen oder industriellen Anwendungen ersetzen. Hat ein begrenztes GWP und eine begrenzte Entflammbarkeit nur im hohen Temperaturbereich.

Propan (R290): Gehört zu den Kohlenwasserstoffen. Wird bei der Förderung von Erdgas als Nebenprodukt gewonnen oder in Erdölindustrien hergestellt. Aufgrund der hohen Explosionsfähigkeit ist seine Verwendung heute begrenzt auf Kälte- oder Klimaanlagen mit niedriger Kältemittelfüllmenge (<200g) und somit auch mit niedriger Kälteleistung oder auf Nischenanwendungen mit hohen Kälteleistungen, in denen besonders auf die Sicherheit geachtet werden muss.

Butan und Isobutan (R600, R600a): Gehören zu den Kohlenwasserstoffen. Sie kommen in Erdgasen oder Erdölen vor. Aufgrund der hohen Explosionsfähigkeit ist ihre Verwendung heute auf den haushaltstechnischen Kleinkältebereich beschränkt.

Ammoniak (R717): Ein natürliches Fluid mit fast keinem OPD und GWP. Jedoch toxisch, korrosiv und explosionsfähig, weshalb es bis jetzt Nischenanwendungen vorbehalten ist. Es wird in reinem Zustand in kleinen Klimaanlagen mit herkömmlichem Kältemittelkreisprozess oder in großen Kälteanlagen zur Kühlung durch Verdampfung mittels Dampfabsorption, gebunden in Wasser, verwendet (andere Art als üblicherweise verwendet).

Kohlendioxid, CO2 (R744): Ein natürliches Kältemittel mit fast keinem OPD und GWP=1. Es hat nicht die Kontraindikationen der anderen natürlichen Kältemitteln und wird somit in den umweltbewussten Ländern, zum Beispiel in Nordeuropa, bevorzugt. Allerdings weist es Arbeitsdrücke auf, die jene der anderen Kältemittel bis um das Zehnfache übersteigen. Außerdem kann es bei Umgebungstemperaturen über 20 - 25 °C nicht verflüssigt werden. Dies bedeutet, dass für zahlreiche Anwendungen der Kältemittelkreislauf geändert werden muss, um unter überkritischen Bedingungen arbeiten zu können, sowie mit Komponenten ausgestattet werden muss, die hohen Drücken widerstehen und Druckregelungssysteme aufweisen. Derzeit wird die Machbarkeit des Ersatzes des R134a durch R744 in Klimaanlagen für Autos untersucht, was natürlich eine Umprojektierung der heute verwendeten Systeme mit sich bringen wird.