Kältemittel im Vergleich: Gestern, heute, morgen
Die neue Technologie brachte zuvor ungeahnte Möglichkeiten, wie etwa „Bier brauen im Sommer“, „Fleischtransporte rund um die halbe Welt“ und vieles mehr. Darauf folgte der Trend zur Miniaturisierung, um einen richtigen Kühlschrank mit Kältetechnik in alle Häuser zu bringen und den Eisschrank, der noch regelmäßig mit (Stangen-)Eis geladen werden musste, abzulösen. So kam es ab 1929 zur Erfindung und Herstellung der Sicherheitskältemittel, FCKW, wie z. B. R12 für die Normalkühlung und R502 für Tiefkühlung. Damit war der Siegeszug des Kühl- bzw. Gefrierschranks in private Haushalte nicht mehr aufzuhalten, da von diesen Kältemitteln keine Gefahr mehr ausging. Der Komfortgewinn war enorm und wer einmal einen Kühlschrank, bzw. eine Gefriertruhe hatte, wollte diese Technik in Zukunft nicht mehr missen.
1970 merkte man dann, dass die FCKW einen schwerwiegenden Nachteil hatten. Sie zerstörten unsere Atmosphäre, besonders die Ozon(O3)-Schicht. Als nächsten Schritt versuchte man, durch den Übergang zu HFCKW, also teilhalogenierten Kältemitteln (z.B. R22), dieses Problem abzuschwächen. Das ist mit HFCKW auch bis zu einem gewissen Punkt gelungen, es bestand aber immer noch ein gewisses Ozonabbaupotenzial (ODP – ozone depletion potential), sodass man auch diese Stoffe mit dem Montreal Protokoll 1987 durch Kältemittel mit Null ODP ersetzen lassen wollte. Der Nachfolger von HFCKW waren FKW, bei denen nicht nur teilweise Chlor-Atome (Chlor ist ein Halogen) im Kältemittelmolekül durch ein Wasserstoff-Atom ersetzt wurden, sondern alle. So wurden fortan Kältemittel verwendet, die keine Chlor- (oder Brom-) Anteile und damit auch kein ODP mehr hatten.
Die beliebtesten Kältemittel dabei sind R134a, R404A/507, R407C und R410A. Ab 1995 gibt es nun die Diskussion rund um diese FKW, da das Treibhauspotenzial (GWP = global warming potential) dieser Stoffe ziemlich hoch ist und zur globalen Klimaerwärmung beiträgt. Auch wenn unsere Branche diese Kältemittel gar nicht in die Umwelt entlassen, sondern in geschlossenen Kreisläufen betreiben und am Ende der Lebensdauer der Kälteanlage wieder absaugen will, reichen schon die Leckagen für einen erheblichen Einfluss auf das Weltklima. So wurde die F-Gase-Verordnung 2015 ins Leben gerufen, die auf diversen Wegen versucht, kurz bis mittelfristig FKWs zurückzufahren und zu ersetzen. Zusätzlich wurde auch der Ausstieg aus FKW im Montreal Protokoll verankert. Somit hat sich der Kreis nach fast 200 Jahren geschlossen (Bild 1) – gekommen von den natürlichen Kältemitteln und nun ganz aktuell wieder hin zu den natürlichen Kältemitteln und zu HFOs, die einen sehr niedrigen GWP haben, dafür aber brennbar sind.
Komplettübersicht aktuell
Auf Bild 2 kann man die aktuelle Situation der Kältemittel gut erkennen. Es sind viele und es wird wohl nicht eines für alle Anwendungen geben. Von links nach rechts steigt die Dichte der Kältemittel an, was in der Regel auch auf die Drucklage zutrifft. So ist R134a mit einer niedrigen Dichte und niedrigeren Drücken in der Anwendung als etwa R410A, das sich weiter rechts auf der Abbildung befindet. Die Achse mit dem GWP ist aufsteigend von unten nach oben aufgezeichnet. Das bedeutet, R404A als ein Stoff mit sehr hohem GWP ist weiter oben (in der Zeile „größer als 2500“) angeordnet.
Es gibt zwei generelle Erkenntnisse, die man aus dieser Abbildung gewinnen kann. Zum einen, dass man sehr niedrige GWP-Werte mit Brennbarkeit erkaufen muss. Die zweite Sache ist, dass man bei den Kältemitteln niedriger Dichte („134a-Riege“) noch eher ein Kältemittel mit niedrigem GWP und A1 findet, als bei denen mittlerer oder gar hoher Dichte. So liegt das Kältemittel R513A als nicht brennbares A1 Kältemittel in der Zeile „< 750 GWP“ recht niedrig für ein nicht brennbares Kältemittel, wobei man bei der mittleren Dichte schon auf ein Kältemittel der Zeile „< 1500“ mit z. B. R449A zurückgreifen muss. Bei der R410A-Spalte sieht die Mission „A1 Alternative“ mit niedrigerem GWP dann gänzlich aussichtslos aus.
In der GWP Zeile „< 150“ findet man auch einige A3 Kältemittel, wie R600a (Isobutan), R290 (Propan) und R1270 (Propen). Diese Kältemittel sind hinsichtlich GWP (und natürlich auch ODP) optimal, bezüglich der Anwendung in der Praxis aber besonders strengen Richtlinien unterzogen. Diese sind noch strenger als bei A2L. R600a hat sich bei Kühlschränken in der Praxis bewährt. Kühlschranksysteme sind allerdings klein, vollhermetisch und haben kaum Komponenten. R290 scheint in der gewerblichen Kleinkälte im Vormarsch – von einem echten Durchbruch kann man aber noch nicht sprechen. Propen setzen momentan nur „echte Fans“ ein. Die Moleküle dieser Kältemittel bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff – keine Halogene.
Natürliche Kältemittel
Eine Sonderstellung haben auch die natürlichen Kältemittel, wie R717 (Ammoniak NH3) und R744 (Kohlendioxid CO2). Ammoniak ist giftig und brennbar, bezüglich GWP (und ODP) perfekt und hat eine tolle Enthalpie-Differenz, die praktisch jedes andere Kältemittel in den Schatten stellt. Außerdem ist es seit vielen Jahren Stand der Technik in der Industriekälte Ammoniak zu verwenden. Allerdings werden Kälteanlagen mit NH3 anders gebaut als mit klassischen FKW (z. B. Stichwort überflutete Verdampfer, Stahlleitungen oder Ölproblematik).
Auch CO2 ist kein schlechtes Kältemittel – es ist natürlich und der GWP liegt bei eins (Referenzwert für die gesamte GWP-Bewertung). Das sind für ein Kältemittel Spitzenwerte. Leider sind auch hier Abweichungen zum „normalen“ klassischen gewerblichen Anlagenbau mit FKW zu finden. Der transkritische Betrieb, wenn R744 als einziges Kältemittel (nicht als Kaskade) in unseren Breiten verwendet wird, bedeutet, dass im Gaskühler (Ersatz für den Verflüssiger) nicht verflüssigt wird. Außerdem werden dabei höhere Dampfdrücke gefahren, als dies bei den traditionellen Kälteanlagen üblich war. Dies ist aber hinsichtlich des Wärmetransportes keine geniale Idee, sondern eher aus der Not heraus geboren, da CO2 einen sehr niedrigen kritischen Punkt hat. In Deutschland läuft eine CO2 Boosteranlage die meiste Zeit des Jahres doch unterkritisch, was für die Energieeffizienz insgesamt sehr gut ist.
HFO und FKW
Auf Bild 3 konzentrieren wir uns besonders auf FKW und HFOs und den Mischungen aus beiden. Die Kältemittelauswahl ist gegenüber der Abbildung 3 hinsichtlich Praxistauglichkeit und konkretem Ersatz von R134a, R404/507 und R410A schon reduziert. Der Unterschied zwischen FKW und HFO ist, dass es bei den HFO eine Doppelbindung zwischen den Kohlstoffatomen gibt, welches zu einer neuen chemischen Stoffgruppe, den Olefinen führt (HFO = H = Hydro (Wasserstoff), F = Fluor, O = Olefine).
Für R134a stehen damit R513A und R450A als A1 Kältemittel und R1234yf und R1234ze als A2L Kältemittel und gleichzeitig HFO-Einstoffkältemittel zur Verfügung. Kältemittel, die mit 4 oder 5 beginnen sind immer Gemische. Bei R513A und R450A ist die eine Komponente R134a und die zweite entweder R1234yf oder R1234ze. Für die Verwendung von R513A und R1234yf spricht auch der Einsatz im großen Stil bei Pkws. Damit ist eine gewisse Verfügbarkeit von R1234yf in Zukunft quasi sicher. Bei Kältemittelgemischen mit stark unterschiedlichen Siedepunkten, den zeotropen Kältemitteln, entsteht ein Gleit beim Aggregatszustandswechsel von flüssig zu gasförmig und zurück. Grundsätzlich gilt, ein größerer Gleit ist eher schlecht für den Wärmeübergang bzw. für den praktischen Einsatz eines Kältemittels.
Für R404A/507 lassen sich bezüglich FKW/HFO die Kältemittel R448A, R449A und R452A als A1 und R454C und R455A als A2L einsetzen. Bei R410A wird es wohl Richtung R32, R454B oder R452A (alles A2L) gehen. Ob R466A eine Alternative sein könnte, ist noch unklar. Bild 4 nimmt noch einmal auch die restlichen Kältemitteloptionen hinzu und unterscheidet in der Anwendung im Rahmen der Gewerbekälte. Zusätzlich wird im Zeithorizont unterschieden.
Auswahlhilfen für Kältemittel
Es ist nicht immer einfach, sich im Kältemitteldschungel zurecht zu finden. Es gibt jedoch einige sehr gute Hilfsmittel, wie etwa die „Ref Tool App“ mit dem Kältemittelschieber. Diese App ist kostenlos und bietet alle Infos vom GWP bis zur Zusammensetzung von allen möglichen Kältemitteln. Zusätzlich ist das ebenfalls kostenlose Auslegungsprogramm Coolselector®2 mit dem Retrofit Hilfsprogramm für den PC eine große Hilfe, wenn man Kältemittel einander gegenüberstellen will.
In Bild 5 sieht man den nicht Danfoss spezifischen Vergleich von einem ehemals R404A System, das jetzt auf R449A umgestellt werden kann. Natürlich sind auch andere Kältemittel auswählbar.
Dieser Beitrag von Stephan Bachmann ist zuerst erschienen in DIE KÄLTE + Klimatechnik 07/2021. Stephan Bachmann arbeitet bei Danfoss GmbH, Climate Solutions für Kältetechnik.
