Natürliche Ersatzkältemittel

Mit dem Inkrafttreten der europäischen Verordnung F-Gas 517/2014 müssen wir natürliche Ersatzkältemittel finden, mit denen unsere Kälteanlagen weiterhin so gut funktionieren wie bisher.

Aufgrund wachsender Befürchtungen über die schädlichen Auswirkungen fluorierter Kältemittel auf die Umwelt erleben natürliche Kältemittel eine neue Renaissance, insbesondere NH3 und CO2, die für industrielle Zwecke bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden.

Ziel dieses Artikels ist es daher, die derzeit in der Kälteerzeugung verwendeten Kältemittel aufzuzeigen und ihnen eine Alternative zu bieten. Wir werden die Hauptmerkmale jedes natürlichen/ökologischen alternativen Gases sowie seinen Wettbewerbsvorteil diskutieren.

Derzeit verwendete Kältemittel

Was sind ihre Merkmale?

Wir analysieren die am häufigsten verwendeten Kältemittel in gewerblichen Anwendungen, um ein besseres Verständnis ihrer Eigenschaften zu erlangen:

• R452A: Direkter Ersatz für R404A, aber mit einem moderaten GWP = 2140 und einem hohen Marktpreis. Anwendbar bei niedrigen, mittleren und hohen Temperaturen.
• R449A: Es hat ähnliche Eigenschaften und ist ein fast direkter Ersatz für R404A mit einem um ein Drittel niedrigeren GWP-Wert als R404A (GWP = 1396). Zu beachten ist jedoch seine hohe Austrittstemperatur beim Betrieb bei niedrigen Temperaturen, was in den meisten Fällen die Installation eines Flüssigkeitseinspritzsystems zur Kühlung des Gases erfordert.
• R290 (Propan): Leistungsstarkes natürliches Kältemittel mit einem niedrigen und stabilen Preis, ohne Veralterungsrisiko, mit sehr geringem Treibhauseffekt (GWP = 3) und daher steuerbefreit. Es ist ein ausgezeichnetes Kältemittel sowohl für niedrige als auch für mittlere Temperaturen. Der einzige kleine Nachteil ist, dass es nach RSIF in die Sicherheitsklasse A3 (hochentzündlich) eingestuft ist. Daher müssen bei der Konstruktion und Handhabung bestimmte Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.
• R134a: Kältemittel mit sehr guten Eigenschaften für den Einsatz bei mittleren und hohen Temperaturen, mit GWP = 1430, mit noch keinem Verfallsdatum für die Verwendung dieses Kältemittels in der gewerblichen Kühlung.
• R513A: Direkter Ersatz für R134a, aber mit einem moderaten GWP = 631 und einem hohen Marktpreis. Einsetzbar bei mittleren und hohen Temperaturen.

Natürliche Ersatzkältemittel

Natürliche Kältemittel sind Chemikalien, die durch biochemische Prozesse in der Natur erzeugt werden, d. h. Stoffe, die in der Biosphäre natürlich vorkommen und darüber hinaus die Ozonschicht nicht schädigen (ODP = 0) und einen niedrigen oder keinen Wert für das Treibhauspotenzial (GWP ≈ 0) haben. Darüber hinaus tragen diese Kältemittel aufgrund ihrer hohen Effizienz auch indirekt weniger zur globalen Erwärmung bei. Diese Produkte wurden bereits im 19. Jahrhundert als Kältemittel verwendet und werden nun aufgrund ihrer geringeren Umweltauswirkungen wieder eingesetzt.

Die wichtigsten natürlichen Kältemittel, die heute in der Kälteindustrie verwendet werden, sind: Ammoniak (NH3), Kohlendioxid (CO2) und Kohlenwasserstoffe (Propan (CH3CH2CH3), Isobutan (CH(CH3)2-CH3) und Propylen (CH3CH=CH2), insbesondere Propan). Im Folgenden werden die technischen Merkmale jedes dieser Kältemittel, ihre Anwendungen und ihre Vor- und Nachteile gegenübergestellt.

Merkmale der natürlichen Kältemittel

Die verschiedenen natürlichen Kältemittel und ihre wichtigsten Eigenschaften sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Ammoniak (NH₃ / R717)

Ammoniak (NH3) hat ein Ozonabbaupotenzial von Null (ODP = 0) und ein Erderwärmungspotenzial von Null (GWP = 0). Aufgrund seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften ist es ein guter Kandidat für den Einsatz als Kältemittel in Dampfkompressionskältesystemen, die im Vergleich zu anderen Kältemitteln weniger Energie verbrauchen.

Dieses Gas wurde vor der Einführung von Freon als primitives Kältemittel verwendet, wobei seine Verwendung auf industrielle Hochleistungsanwendungen beschränkt war, wo es bis heute geblieben ist. In diesen Anwendungen zeichnet es sich durch eine gute Energieeffizienz und niedrige Kosten aus. Das Hauptanwendungsgebiet ist die industrielle Kälteerzeugung mit Schraubenverdichtern, obwohl es auch als Kältemittel in Absorptionsanlagen mit NH3-H2O verwendet wird.

Es ist ein bekanntes Kältemittel, das seit über hundert Jahren verwendet wird und Temperaturen von bis zu -70 °C erreichen kann. Es ist ein alternatives Kältemittel sowohl für Klimaanlagen als auch für Kühlsysteme und kann in neuen und bestehenden Anlagen verwendet werden. Es hat einen niedrigen Verdampfungspunkt (-33 °C) und eine hohe latente Verdampfungswärme (1371 kJ/kg). Dieses Gas verbleibt nur wenige Tage in der Atmosphäre, weshalb es als biologisch abbaubar gilt.

Es ist ein Kältemittel, das nach RSIF (Sicherheitsvorschriften für Kälteanlagen) als “Sicherheitsklasse = B2L” eingestuft ist, d.h. es ist ein Gas mit “geringer Entflammbarkeit” und “hoher Toxizität”.

Was die Sicherheit anbelangt, so ist Ammoniak aufgrund seines eigenartigen Geruchs leicht nachweisbar. Wegen seiner hohen Toxizität müssen alle Anlagen, in denen Ammoniak verwendet wird, nach international anerkannten Sicherheitsspezifikationen und -normen gebaut werden, und das Personal muss entsprechend geschult sein und in jedem Fall persönliche Schutzausrüstung tragen.

Die häufigsten Anwendungen von Ammoniak

• Industrielle Anwendungen mit hoher Leistung
• Gewerbliche Kältetechnik: Indirekte Systeme in Supermärkten
• Industriekälte: Indirekte Systeme und Kaskadensysteme NH3 – CO2
• Gekühlter Transport
• Thermische Speichersysteme
• Gewerbliche/industrielle Zentrifugalkompressoren

Vorteile

• PAO = 0, PCA = 0
• Gute Wärmeübertragung
• Höhere Kälteleistung als andere Kältemittel
• Wirtschaftlich, kein Risiko der Veralterung
• Mit Wasser mischbar
• Leicht auffindbar im Falle einer Leckage
• Kann mit mineralischen Schmiermitteln, Alkylbenzol oder Poly-alpha-Olefin gemischt werden.

Benachteiligungen

• Giftig
• Hoher Preis des Systems
• Eingeschränkte Verwendung in bestimmten Anwendungens
• Stellt unter bestimmten Bedingungen ein Entflammbarkeitsrisiko dar
• Da es giftig und leicht entzündlich ist, eignet es sich nicht für die Nachrüstung von Anlagen mit bestehenden fluorierten Kältemitteln.

Kohlendioxyd (CO₂ / R744)

Kohlendioxid (CO2), das bei der Verwendung als Kältemittel allgemein als R744 bekannt ist, gilt als gute Alternative zum Ersatz von FKW (teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe), da es die Ozonschicht nicht schädigt (ODP = 0) und sein globales Erwärmungspotenzial gleich eins ist (GWP = 1), wobei der letztere Wert als Referenz für die Bestimmung des GWP anderer Gase gilt. Es ist eine geruchlose, farblose Flüssigkeit, schwerer als Luft, und wird seit mehr als einem Jahrhundert als Kühlmittel verwendet. Obwohl CO2 für das Leben auf der Erde notwendig ist, ist es auch ein Treibhausgas (THG), das die Umwelt verändern kann, wenn seine Konzentration in der Atmosphäre erheblich ansteigt. Es ist ein Kältemittel, das nach RSIF als “Sicherheitsklasse = A1” eingestuft ist, d. h. “nicht brennbar” und “geringe Toxizität”.

CO2 wurde bereits vor dem Aufkommen der Freone als Kältemittel verwendet, kam aber aufgrund seiner größeren technologischen Komplexität bald nicht mehr zum Einsatz. Es hat hervorragende thermophysikalische Eigenschaften, bereitet aber aufgrund seiner niedrigen kritischen Temperatur (30,978 °C) und der hohen Drücke Schwierigkeiten. Es hat eine viel höhere volumetrische Kapazität als herkömmliche Kältemittel. In der Kältetechnik arbeitet es bei Umgebungstemperaturen unter ca. 25 °C in einem unterkritischen Kreislauf, während es bei höheren Temperaturen in einem transkritischen Kreislauf arbeitet. Es ist zu beachten, dass bei transkritischen Systemen komplexe Kreisläufe eingesetzt werden müssen (paralleler Verdichter, mechanische Unterkühlung, Ejektoren usw.), um ähnliche Wirkungsgrade wie bei herkömmlichen Flüssigkeiten zu erzielen.

Dieses Gas hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Dichte in der Gasphase, was zu einer guten Wärmeübertragung in Verdampfern, Kondensatoren und Gaskühlern führt; diese Eigenschaften ermöglichen die Auswahl kleinerer Geräte im Vergleich zu denen, die FCKW, HFCKW und HFKW verwenden. Da es einen geringen Druckabfall hat, kann der Durchmesser der Rohrleitungen verringert werden.

Maßnahmen

CO2 ist sowohl für die gewerbliche als auch für die industrielle Kühlung eine gute Alternative, wobei jedoch bestimmte Sicherheitsvorkehrungen zu beachten sind. Es ist zu bedenken, dass CO2 geruchlich nicht wahrnehmbar ist und, da es dichter als Luft ist, den Sauerstoff in einem gesundheitsschädlichen Ausmaß verdrängen kann. Da es keinen Geruch abgibt, kann es bedeuten, dass der Techniker ein Leck nicht entdecken kann. Diese Eigenschaften zwingen uns, auf die Lecksuche zu achten, ein Alarmsystem zu haben, das das Vorhandensein von CO2 rechtzeitig erkennt und warnt, und ein Notlüftungssystem zu haben.

Andererseits führt der hohe Druck des Gases beim Entweichen zu einem Ausbruch von spritzendem Kältemittel mit festen Rückständen bei sehr niedriger Temperatur und Schallgeschwindigkeit. Es ist wichtig zu wissen, dass CO2 niemals in flüssigem Zustand eingefüllt werden sollte, wenn das System unter dem Tripelpunktsdruck (5,2 bar) liegt, da sonst die in das System eintretende Flüssigkeit plötzlich ihren Zustand in Trockeneis ändert und in diesem Zustand im System verbleibt.

Im Gegensatz zu anderen natürlichen Kältemitteln kann CO2 nicht in alte oder neue Anlagen nachgerüstet werden. Die Anlagen müssen für die Eigenschaften dieses Gases und für die hohen Drücke, denen es standhalten muss, ausgelegt sein. Schließlich hat CO2 gegenüber den Kohlenwasserstoffen den Vorteil, dass es in Anlagen ohne Lastbegrenzung eingesetzt werden kann.

Die häufigsten Anwendungen von Kohlendioxid

• Gewerbliche und industrielle Kältetechnik
• Transport-Kühlung
• Kompakte Systeme
• Supermärkte
• Direkte, kaskadierte und indirekte Systeme

Vorteile

• PAO = 0, PCA = 1
• Nicht entflammbar
• Geringe Toxizität (nur in hohen Konzentrationen gefährlich)
• Hoher Wärmeübergangskoeffizient
• Hohe Leistung, niedriger Energieverbrauch
• Keine Langzeitnebenwirkungen
• Wirtschaftlich, kein Risiko der Veralterung
• Hohe Verfügbarkeit, da es als Nebenprodukt verschiedener Prozesse gewonnen wird.
• Kann mit POE-, PGA- und PVE-Schmierstoffen gemischt werden.

Benachteiligungen

• Funktioniert bei höheren Temperaturen und Drücken als HFKW und andere Kältemittel
• Im Falle einer Leckage sammelt sich das CO2 am Boden und verdrängt die Luft; da es geruchlos ist, kann es olfaktorisch nicht wahrgenommen werden.
• CO2 ist nur für neue Anlagen geeignet. Da es ein Hochdruckkältemittel mit niedriger kritischer Temperatur ist, eignet es sich nicht für die Nachrüstung von Anlagen mit bestehenden fluorierten Kältemitteln.
• Hoher Preis des Systems

Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe sind aufgrund ihrer umweltfreundlichen Eigenschaften im modernen Kältesektor weit verbreitet. Sie sind nahezu geruchlos, farblos und haben ein ODP = 0 und ein GWP ≤ 6. Sie werden hauptsächlich in sekundären Kreisläufen und Kaskadensystemen, wie z. B. in der Supermarktkälte, in Kältemaschinen mit Sicherheitssystemen und in Kompaktgeräten verwendet. Außerdem ist zu beachten, dass aufgrund ihrer Entflammbarkeit die geltenden Sicherheitsnormen eingehalten werden müssen und ihre Verwendung auf hermetische Kühlkreisläufe mit kleinen Lasten beschränkt ist, wenn sich die Geräte in geschlossenen Räumen befinden.

Maßnahmen

Die wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen bestehen darin, dass am Arbeitsplatz keine Wärmequellen vorhanden sein dürfen, die Flammen erzeugen könnten, keine Schalter oder Geräte, die Funken erzeugen, und dass das Rauchen streng verboten ist. Auch statische Elektrizität muss vermieden werden, und es ist darauf zu achten, dass der Arbeitsbereich gut belüftet ist und die Anwesenheit von Personen, die nicht an den Installations- und/oder Wartungsarbeiten beteiligt sind, nicht gestattet ist. Ebenso muss verhindert werden, dass diese Kältemittel in Keller und Abwassersysteme gelangen, da Kohlenwasserstoffe schwerer als Luft sind und dies ein Problem darstellen kann, wenn nicht die entsprechenden Maßnahmen getroffen werden.

Für die Installation und/oder Wartung von Anlagen, die Kohlenwasserstoffe enthalten, müssen die Techniker über eine entsprechende berufliche Ausbildung im Umgang mit diesen Kältemitteln sowie über die erforderlichen Kenntnisse im Umgang mit Werkzeugen, Anlagenkomponenten und Sicherheitsmaßnahmen sowohl vor Ort als auch für das Personal verfügen.

Bei der Herstellung von Geräten und Anlagen, die mit Kohlenwasserstoffen betrieben werden, ist mit äußerster Sorgfalt darauf zu achten, dass keine Leckagen im Kreislauf auftreten; ebenso sind Elemente zu vermeiden, die jegliche Art von Funkenbildung verursachen.

Propan (CH3CH2CH3 / R290)

Propan oder R290 ist der beliebteste und am weitesten verbreitete Kohlenwasserstoff in der Kältetechnik und wird in einigen Geräten wie Wärmepumpen oder kompakten gewerblichen Kühlanlagen verwendet.

Es ist ein ungiftiges, aber hochentzündliches Gas mit ODP = 0 und GWP = 3, das mit den durch das F-Gas festgelegten Grenzwerten vollständig kompatibel ist. Es hat ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie R22, obwohl seine Kapazität und sein Arbeitsdruck etwas geringer sind. Es hat sehr gute thermophysikalische Eigenschaften und sein thermischer Wirkungsgrad ist unter den meisten Bedingungen gut, auch bei hohen Umgebungstemperaturen, wo es eine niedrige Austrittstemperatur hat.

Bisher wurde es in hermetischen Gewerbekälteanlagen mittlerer Leistung verwendet, wobei die Belastungsgrenzen in Europa bei 150 g/Kreislauf liegen. Seit der möglichen Änderung der Sicherheitsnormen (IEC 60335-2-89 und IEC 60335-2-40), durch die die Belastungsgrenze auf 500 g/Kreislauf ausgedehnt wird, ist jedoch eine starke Ausweitung dieses Kältemittels vorgesehen. Es wird auch als Bestandteil von Kältemittelgemischen verwendet.

Bei der Arbeit mit einem solchen Kältemittel ist auf einen hohen Reinheitsgrad zu achten, da eventuelle Verunreinigungen zum Abbau des Schmieröls in der Anlage oder zum Verschleiß oder Bruch einiger Teile beitragen können. Wenn der Kohlenwasserstoff nicht von hoher Reinheit ist, kann es vorkommen, dass er mit anderen Kohlenwasserstoffen vermischt wird, was die physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften des ursprünglichen Kohlenwasserstoffs drastisch verändern kann.

Propan eine sehr geeignete Alternative für die Kühlung ist und dass Anlagen, die dieses Gas verwenden, im Vergleich zu fluorierten Gasen eine höhere Energieeffizienz und niedrigere Kosten aufweisen.

Wie andere Kohlenwasserstoff-Kältemittel lässt sich auch Propan sehr gut mit allen Arten von Schmiermitteln mischen. Gelegentlich ist es notwendig, Öle mit höherer Viskosität zu verwenden, um diese übermäßige Löslichkeit zu kompensieren.

Andererseits ist Propan geruchlos, so dass es schwierig ist, undichte Stellen zu entdecken.

 Häufigste Anwendungen

• Kompakte Geräte mit geringer Kältemittelfüllung
• Kühlanlagen
• Kaskadensysteme
• Sekundärkreisläufe (Supermarktkühlung)

Vorteile

• PAO = 0, PCA = 3
• Effiziente
• Económico, sin riesgo de obsolescencia
• Ungiftig
• Kosten des Kühlsystems mittel-niedrig
• Gute Verträglichkeit mit Materialien (Kunststoffe und Metalle)
• Kann mit POE-Schmierstoffen gemischt werden

Benachteiligungen

• Schwer entflammbar
• Zusätzliche Kosten für die Sicherheit von Ausrüstung und Personal.

Geltende Vorschriften

• Königlicher Erlass 138/2011 vom 4. Februar zur Verabschiedung der Sicherheitsvorschriften für Kälteanlagen und ihrer ergänzenden technischen Anweisungen.
• Königlicher Erlass 1042/2013 vom 27. Dezember 2013 zur Genehmigung der Verordnung über die Steuer auf fluorierte Treibhausgase.
• Gesetz 6/2018, vom 3. Juli, über den allgemeinen Staatshaushalt 2018. Artikel 85 (Änderung der vorherigen Verordnung).
• Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase. “F-Gas-Verordnung”.
• Königlicher Erlass 115/2017, vom 17. Februar. Es regelt das Inverkehrbringen und die Handhabung von fluorierten Gasen und Ausrüstungen, die auf diesen basieren, sowie die Zertifizierung von Fachleuten, die diese verwenden, und legt die technischen Anforderungen für Anlagen fest, die Tätigkeiten durchführen, bei denen fluorierte Gase emittiert werden.