Kältemittel - Geschichte, Verbote, natürliche und synthetische Arten

Geschichte der Kältemittel

Kältemittel haben sich seit ihrer Verwendung in Kühlgeräten ständig weiterentwickelt. Geräteänderungen und die Forderung nach einer effizienten Lösung, sowie in den letzten Jahren auch Umwelt- und Sicherheitsaspekte, haben die Entwicklung und Verwendung neuer Lösungen vorangetrieben.

In der Anfangsphase wurden brennbare und giftige Flüssigkeiten verwendet, deren Gefahren jedoch eine breitere Anwendung verhinderten. Anfang des 20. Jahrhunderts kamen chemische, nicht brennbare und wenig toxische Kältemittel zum Einsatz, und die Ära der FCKW und HFCKW wurde eingeläutet. Später, in den 1980er Jahren, wurden die negativen Auswirkungen chemischer Stoffe auf die Ozonschicht erkannt, und ihre Verwendung wurde durch das Montrealer Protokoll geregelt. Eine dieser Substanzen, das in FCKW- und HFCKW-Kältemitteln enthaltene Chlor, führte zu deren schrittweisen Einstellung. Die Chemieunternehmen identifizierten HFKW als Ersatz. Obwohl sie nicht zum Abbau der Ozonschicht beitragen, haben HFKW-Kältemittel ein hohes Treibhauspotenzial und tragen zu Treibhausgasen bei, die den Klimawandel beeinflussen können.

Kigali-Amendment

Diesem Umstand wurde 2016 mit dem Kigali-Amendment Rechnung getragen, das eine schrittweise Reduzierung von HFKW um 80-85 % bis 2050 vorsieht. Alle geltenden Vorschriften und Bemühungen um den Umweltschutz haben das Interesse an Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial (GWP) und Ozonabbaupotenzial (ODP) geweckt. Unter den grünen Kältemitteln hat die Verwendung von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlendioxid (CO₂) stark zugenommen. Beide können auf eine lange Geschichte zurückblicken, da sie bereits in den Anfängen der Kältetechnik verwendet wurden. Ihre Entflammbarkeit ist heute sehr gut durch Sicherheitsnormen abgedeckt, und bei ordnungsgemäßer Handhabung und in einem geschlossenen System haben sich Kohlenwasserstoffe als sichere Alternative zu früheren Kältemittelgenerationen erwiesen.

Kältemittel - natürlich, halbnatürlich, synthetisch und Mischungen

Kältemittel ist eine Flüssigkeit, die in einem Kühlsystem Wärme überträgt und den Inhalt kühlt. Auf der Grundlage ihrer chemischen Zusammensetzung werden Kältemittel in Gruppen eingeteilt:

• FCKW - Fluorchlorkohlenwasserstoffe (R12)
• HFCKW - teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (R22)
• HFC - teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (R134a, R404A)
• HFO - teilhalogenierte Fluorolefine (R1234yf)
• HC - Kohlenwasserstoffe (R290, R600a)

Verschiedene chemische Zusammensetzungen haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Umwelt. Bestimmte chemische Stoffe, die nicht nur in Kältemitteln enthalten sind, wurden als umweltschädlich eingestuft, da sie die stratosphärische Ozonschicht abbauen und einen Treibhauseffekt verursachen. Zwei Eigenschaften, das Ozonabbaupotenzial (ODP) und das globale Erwärmungspotenzial (GWP), sind die beiden wichtigsten messbaren Kategorien zur Überwachung von Veränderungen in der Atmosphäre und der Luftqualität.

Das GWP ist das Maß für die Fähigkeit eines Kältemittels, im Vergleich zu Kohlendioxid über einen bestimmten Zeitraum Wärme in der Atmosphäre zu speichern. Ein höherer GWP-Wert trägt zu einer stärkeren globalen Erwärmung bei.

ODP ist das Maß für die Fähigkeit eines Kältemittels, Ozonmoleküle in der oberen Atmosphäre zu zerstören. Je niedriger der ODP-Wert ist, desto weniger schädlich ist das Kältemittel für die Ozonschicht.

Eine Reihe von Verordnungen trat in Kraft, um die Verwendung umweltgefährdender Stoffe zu unterbinden und den Gesamtverbrauch an elektrischer Energie zu senken.

Das Montrealer Protokoll, das seit 1987 in Kraft ist, ist ein weltweites Umweltabkommen, das die Produktion und den Verbrauch von Chemikalien regelt, die für den Abbau der Ozonschicht verantwortlich sind. Eine davon, das in den Kältemittelgruppen FCKW und HFCKW enthaltene Chlor, führte zu deren Auslaufen.

Die Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel, die als Ersatz für die ozonabbauenden Stoffe FCKW und HFCKW entwickelt wurden, haben einen ODP-Wert von Null oder nahezu Null. Obwohl HFKW die Ozonschicht nicht schädigen, haben sie ein hohes Erderwärmungspotenzial, da sie zu den Treibhausgasen beitragen, die den Klimawandel beeinflussen. Diese Tatsache wurde nach der Verabschiedung des Montrealer Protokolls entdeckt und kürzlich durch eine Änderung des Kigali-Abkommens abgedeckt, die seit Januar 2019 in Kraft ist. Die Länder, die das Kigali-Amendment ratifiziert haben, haben sich auf eine schrittweise Reduzierung der fluorierten Treibhausgase (HFKW) geeinigt.

Mit dem Verbot von FCKW, HFCKW und HFKW blieben drei Möglichkeiten im Bereich der Kühlung übrig: HFC-HFO-Gemische, HFOs und natürliche Kältemittel wie Kohlenwasserstoffe (HCs).

Kohlenwasserstoffe

Geruchlose Verbindungen aus Wasserstoff und Kohlenstoff, die natürlich in der Umwelt vorkommen. Im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln sind sie umweltfreundlich, unbedenklich und haben ein sehr niedriges Treibhauspotenzial. HCs arbeiten bei fast den gleichen Temperaturen wie HFCs und mit einer geringeren Füllmenge. Die guten thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften machen KW zu einer energieeffizienten Lösung. Der Nachteil ist ihre Entflammbarkeit und die höheren Anforderungen an die Sicherheit (Sicherheitsklasse A3).

Secop hat sich schon früh für Kohlenwasserstoffe als Kältemittel entschieden und ist der Meinung, dass Isobutan (R600a) und Propan (R290) die effizientesten und wirtschaftlichsten Stoffe für den Einsatz in Kühlgeräten sind.

Aufgrund der begrenzten Kühlleistung wird R600a für kleinere Anwendungen wie Haushaltskühl- und -gefriergeräte, Minibars und Weinkühler empfohlen. Es eignet sich auch für die mobile Kühlung, z. B. in Kühl- und Gefrierschränken für die Automobil- und Schifffahrtsindustrie, in tragbaren Kühlboxen und in Produkten mit Solar- und/oder Batterieversorgung.

Das Kältemittel R290 eignet sich aufgrund seiner Effizienz gut für gewerbliche Kleinkühlanlagen in der Gastronomie und im Lebensmitteleinzelhandel, für Kühl- und Gefriergeräte, Merchandiser, Supermarktgeräte sowie für das wachsende medizinische Segment.

R600a und R290 benötigen aufgrund ihrer Effizienz und je nach Systemdesign eine 40-50% geringere Menge an Kältemittel als andere Kältemittel. Aufgrund ihrer Entflammbarkeit und explosiven Eigenschaften ist die Kältemittelmenge durch Normen begrenzt und kann von Region zu Region variieren. Mit den richtigen Vorsichtsmaßnahmen und der nötigen Sorgfalt besteht jedoch kein Grund zur Sorge. Minimale Investitionen in Komponenten und Konstruktionsänderungen prädestinieren sie für den Einsatz in herkömmlichen Kühlsystemen, die ursprünglich für HFKW konzipiert wurden.

Hydrofluorolefine

(HFO) bestehen wie HFKW chemisch aus Wasserstoff, Fluor und Kohlenstoff, sind aber mit einem relativ niedrigen Treibhauspotenzial und ohne Auswirkungen auf die Ozonschicht umweltfreundlicher. HFOs speichern keine Wärme in unserer Atmosphäre und tragen nicht zur globalen Erwärmung bei. Sie werden jedoch als leicht entzündlich eingestuft, haben die Sicherheitsklasse A2L und sind mit Bedenken hinsichtlich der Umwelt und der menschlichen Gesundheit verbunden. Ein typischer Vertreter ist R1234yf, das von Secop bereits für die Verwendung in Autoklimaanlagen, Minibars oder LKW-Kühlschränken zugelassen wurde.

HFC/HFO-Gemische

sind eine Kombination aus HFKW- und HFO-Kältemitteln und bieten ähnliche Leistungen wie HFKW, jedoch mit geringeren Umweltauswirkungen. Viele haben ein gemäßigtes Gleitverhalten und wurden entwickelt, um FKW-Kältemittel zu ersetzen. Es wurde eine Überprüfung alternativer Kältemittel in bestehenden Secop-Verdichtern durchgeführt. R452A, R449A, R448A wurden als Ersatz für R404A/R507 zugelassen, und R513A wurde als Ersatz für R134a für bestimmte Modelle genehmigt. Es wurden eine geringere Kühlleistung, ein höherer Energieverbrauch, höhere Betriebsdrücke und -temperaturen sowie Einschränkungen im Betrieb festgestellt. Bei richtiger Systemoptimierung können sie über Jahre hinweg zuverlässig arbeiten. Der LBP-Betrieb ist mit R448A und R449A aufgrund der sehr hohen Innentemperaturen unter normalen Lastbedingungen überhaupt nicht zu empfehlen. Die oben genannten Gemische sind verschiedenen Sicherheitsgruppen zugeordnet: R513A, R452A, R449A und R448A sind in die Sicherheitsgruppe A1 (nicht entflammbar) eingestuft, während R454C und R455A als A2L (leicht entflammbar) klassifiziert sind.