Was sind eigentlich transkritische CO2-Anlagen?

Die Geschichte von CO₂ in der Kältebranche ist lang und reicht bis weit ins vorletzte Jahrhundert zurück. Was viele in der aktuellen Diskussion um natürliche Kältemittel nicht wissen: Bis in die 1930er-Jahre wurden ausschließlich in der Natur vorkommende Substanzen als Kältemittel eingesetzt, wie zum Beispiel Ammoniak, Propan, Schwefeldioxid oder Kohlenstoffdioxid.

Für die breite Bevölkerung waren diese Kälteanlagen nicht serienmäßig und im Alltag verfügbar, da es erhebliche Sicherheitsbedenken gab und hin und wieder schwere Unfälle passierten. So wurden diese Kältemittel überwiegend in großen industriellen Kälteanlagen verwendet. Erst die Entwicklung der sogenannten Sicherheitskältemittel in den 1930er-Jahren machte die Kältetechnik salonfähig und in Form von Haushaltskühlschränken und Klimaanlagen einem breiten Publikum zugänglich. Die schnelle Verbreitung der Sicherheitskältemittel läutete vorerst das Ende von CO₂ in diesem Bereich ein.

Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist eine chemische Verbindung aus Sauerstoff und Kohlenstoff. Die Verbindung tritt als unbrennbares, geruchloses und farbloses Gas auf, das sich gut in Wasser löst. Dadurch kommt es häufig in Getränken zum Einsatz und wird dort umgangssprachlich auch Kohlensäure genannt. CO₂ ist aber auch ein wichtiger und natürlicher Bestandteil der Luft. Es entsteht sowohl bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen als auch im Organismus von Lebewesen als Produkt der Zellatmung.

Sicherheit geht vor

Heute wird CO₂ (R744) in der Kältebranche immer häufiger als natürliches und umweltfreundliches Kältemittel eingesetzt. Im Bereich der Gewerbekühlung setzt Kohlenstoffdioxid neue Standards. Und das obwohl die thermodynamischen Eigenschaften, vor allem bei warmen Außentemperaturen, als nicht besonders gut eingestuft werden. Im thermophysikalischen Bereich allerdings bietet CO₂ mehrere herausragende Eigenschaften:

• sehr geringe Viskosität
• hoher Wärmeübergangskoeffizient
• weniger anfällig gegenüber Druckverlusten
• geringes Verdichtungsdruckverhältnis (20 bis 50 Prozent geringer als Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) und Ammoniak)

CO₂ ist ein Hochdruck-Kältemittel, daher können während des Betriebes durchaus Drücke über 100 bar erreicht werden. Der Tripelpunkt und der kritische Punkt liegen sehr nah am Betriebsbereich. Tatsächlich wird der kritische Punkt, der bei 31 Grad Celsius und 73,8 bar liegt, schon ab einer Umgebungstemperatur von 26 Grad überschritten. Man spricht dann vom transkritischen Betrieb der Kälteanlage.

Der Tripelpunkt (-56,6 Grad Celsius und 5,2 bar) kann im Servicefall, zum Beispiel durch das Abblasen von flüssigem Kältemittel durch ein Ventil, erreicht werden. Dies birgt gewisse Risiken, da sich beim Unterschreiten dieses Punktes sofort Trockeneis bildet. Dadurch können wichtige Sicherheitsfunktionen nicht gewährleistet und Ventile zerstört werden. Nur ausgebildetes Fachpersonal sollte deshalb Reparatur- und Wartungsarbeiten an CO₂-Kälteanlagen vornehmen. Ein weiterer Sicherheitsaspekt: Sollte sich im Kältekreislauf ein größeres Leck befinden, kann austretendes Kohlenstoffdioxid die Atemluft in Bodennähe verdrängen. Bei einer Konzentration von acht Prozent CO₂ in der Luft können bereits 30 bis 60 Minuten zum Tod durch Ersticken führen. In kleinen Räumen müssen deshalb CO₂-Sensoren in Bodennähe installiert sein, die in einem solchen Fall einen akustischen und optischen Alarm auslösen.

R744 ist ein sehr umweltfreundliches Kältemittel ohne Ozonabbaupotenzial und mit einem sehr geringen Treibhauseffekt (GWP-Wert von 1). Das Kältemittel wird als Abfallprodukt aus unterschiedlichen Indus­trien gewonnen und ist dadurch sehr günstig. Dies spielt besonders beim aktuellen Preisanstieg der FKW-Kältemittel eine große Rolle. Allerdings ist die komplexe transkritische Technik nach wie vor etwas teurer als herkömmliche Kälteanlagen. Dies hängt zum größten Teil mit der höheren Druckfestigkeit der Komponenten zusammen.

Effizienz vom Klima abhängig

Im transkritischen Betrieb arbeitet eine Kälteanlage weniger effizient als bei gemäßigten Umgebungstemperaturen oder im subkritischen Betrieb. Die Gesamteffizienz von CO₂-Kälteanlagen ist deshalb unmittelbar vom Klima des Aufstellortes abhängig. Bis vor Kurzem sprach man in Fachkreisen vom CO₂-Äquator, der mitten durch Europa führte und einen imaginären Breitengrad beschrieb: Auf der nördlichen Halbkugel ließen sich transkritische Anlagen energetisch sinnvoll betreiben, auf der südlichen Seite aufgrund der wärmeren Jahresmitteltemperatur nicht mehr. Doch die Kältetechnik entwickelte sich weiter. Und dadurch liefen die Kälteanlagen auch in wärmeren Regionen immer effizienter. Der CO₂-Äquator verschob sich weiter gen Süden. Mittlerweile lassen sich moderne transkritische Kälteanlagen in ganz Europa recht wirtschaftlich betreiben. Ganzjährig effizient – auch in warmen Klimazonen – arbeiten Anlagen mit der Full-Transcritical-Efficiency-(FTE-)Technologie von Epta.

Zukünftige Bedeutung

Durch die F-Gase-Verordnung wird der Einsatz natürlicher Kältemittel gefördert. Nicht ohne Grund, denn in der Gewerbekälte haben sich transkritische CO₂-Anlagen inzwischen etabliert. Denn sie sind energieeffizient, zuverlässig, kosteneffizient und umweltfreundlich. Darüber hinaus ist ihr Sicherheitsrisiko sehr gering. Die transkritische CO₂-Kältetechnik wird auch in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen.