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In der Schweiz regelt die Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) den Einsatz von Kältemitteln. Es ist erlaubt, stationäre Klimakälteanlagen bis maximal 400 kW Kälteleistung in Verkehr zu bringen. Das Kältemittel darf dabei einen GWP von 2100 nicht überschreiten. Bei der Industriekälte für die Prozesskühlung dürfen ab 100 kW Kälteleistung nur noch Kältemittel mit einem GWP von weniger als 1500 eingesetzt werden. Für Anlagen mit mehr als 400 respektive 600 kW sind nur noch Kältemittel mit einem GWP geringer als 10 zugelassen. Einen Wert unter 10 haben natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Propan, Ethan, CO2, teilhalogenierte Fluor-Olefine (HFO) sowie einige weitere festgelegte Kältemittel und Mischungen.
Geschichtliches
Bis etwa 1924 fanden, bis auf Wasser, Luft und Kohlendioxyd, nur Kältemittel Verwendung, die entweder brennbar, toxisch oder gar beides waren. Anfangs 18. Jahrhundert wurden mit Äther, Wasser/Schwefelsäure-Gemischen und Diethyläther Versuche zur Kühlung gefahren.
1859 lief die erste Absorptions-Kältemaschine mit Ammoniak. Carl von Linde sorgt im Prinzip heute noch dafür, dass kalte Getränke aus den Zapfhähnen fliessen. Mit seiner Erfindung der Kältemaschine schuf Linde einen völlig neuen Industriezweig. Die erste verkaufte Kältemaschine kam 1877 in einer Brauerei in Triest zum Einsatz.
Die ersten industriellen Kälteanlagen wurden mit natürlichen Kältemitteln wie Ammoniak betrieben. Nachteile mussten jedoch in Kauf genommen werden; einige sind giftig oder explosiv, nur gerade CO2 bildet hier eine Ausnahme. CO2 war im frühen 20. Jahrhundert vor allem in der Schiffskältetechnik verbreitet. Mit der Entwicklung fluorierter Kältemittel verlor der Klassiker jedoch an Bedeutung. Die sehr hohen Drücke sowie der ungünstige Tripelpunkt schränken die Anwendungsvielfalt zwar immer noch ein. Dennoch ist CO2 aufgrund der Umweltbelastung durch fluorierte Stoffe in den letzten Jahren wieder verstärkt in den Fokus gerückt. In Kaskadenkälteanlagen in der Industrie, Sportanlagen und Lebensmittelmärkten wird CO2 effizient und umweltfreundlich genutzt.
Die genannten Nachteile beschäftigten Fachwelt sowie Behörden und aus sicherheitstechnischen Aspekten wurden synthetische Kältemittel mit den Bezeichnungen FCKW, HFCKW oder HFKW entwickelt. Erst später erkannte man, dass sie die Umwelt bedrohen: Kältemittel mit Chlor schädigen die Ozonschicht und fluorhaltige Stoffe fordern die Erderwärmung. Daher sind die ozonschichtabbauenden Kältemittel (FCKW, HFCKW) bereits verboten. Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial (GWP) werden stärker eingeschränkt.
Neuartige Kältemittel sind gefragt
Die neuen HFO-Kältemittel sind von der Zusammensetzung her synthetisch und bringen auch einen Grossteil der positiven Eigenschaften der synthetischen Kältemittel mit. Im Gegensatz zu den anderen synthetischen Kältemitteln sind sie in der Luft jedoch nicht stabil. Das heisst, sie haben in der Atmosphäre eine Aufenthaltsdauer von wenigen Tagen (also deutlich weniger als 2 Jahre) und somit eine sehr geringe klimaschädigende Wirkung.
Die Wahl des Kältemittels beeinflusst die Energieeffizienz der Anlage um 10 bis 15%. Es gibt keine Einheitslösung für alle Anwendungsfälle, daher existiert auch ein breites Angebot an Kältemitteln für die verschiedenen Anforderungen. Auch natürliche Kältemittel finden ideale Anwendungen. So werden beispielsweise Kohlenwasserstoffe in der Wohnungsklimatisation verwendet, wo nur wenig Kältemittel nötig und diese Menge durch Sicherheitsnormen erlaubt ist. CO2 hat beispielsweise gute Eigenschaften für Niedrigtemperaturanwendungen und besonders in den nordischen Ländern wird es in gewerblichen Kälteanlagen für den Tiefkühlbereich eingesetzt.
HFO mit niedrigem GWP
HFO (Hydrofluorolefine) gehören zu einer Klasse nicht gesättigter Moleküle, die mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung aufweisen. Diese Moleküle sind äusserst reaktionsfreudig in der Atmosphäre und haben daher eine relativ kurze Lebensdauer. Diese kurze Lebensdauer trägt teilweise zum niedrigen GWP dieser neuen Kältemittel bei. Die HFO besitzen hervorragende Umwelteigenschaften, die langfristig gesehen, günstige Auswirkungen auf den Klimawandel haben können, und entsprechen dank ihres niedrigen GWP und ihrer Energieeffizienz geltenden und künftigen Gesetzen. Die Einsatzbedingungen der meisten HFO ähneln denen der HFKW. Die über die Jahre von den Ingenieuren entwickelten bewährten Praktiken gehen dadurch nicht verloren, und die bestehenden Ausrüstungen können ohne oder mit geringfügigen Änderungen weiterverwendet werden.
HFO-Kältemittel vergleichbar mit R134a
Das Kältemittel R1234ze gehört zur Generation der synthetischen Kältemitteln HFO und ist mit dem nur noch eingeschränkt zugelassenen R134a (GWP 1430!) vergleichbar. Die thermodynamischen Stoffeigenschaften von R1234ze führen dazu, dass die Kälteleistung im Vergleich zum chemisch ähnlichen R134a um etwa 25 Prozent zurückgeht. Da aber mit der Kälteleistung auch die Stromaufnahme des Verdichters sinkt, verringert sich die Effizienz der Maschine nicht und es können die gleichen EER-Werte (Energy Efficiency Ratio) erzielt werden.
Nachhaltig investieren
HFO Kältemittel eignen sich auch gut für Erweiterungen bestehender Anlagen. Ein in Zürich liegendes Geschäftshäuser-Ensemble besteht aus vier Hochhäusern, welche über 4000 Arbeitsplätze enthalten. Hinzu kommen noch Wohnungen im oberen Preissegment. Spezielle Mieterbedürfnisse hatten erhöhten Kühlbedarf zur Folge. Die bestehende Kälteanlage wurde durch eine hochmoderne HFO-Kälteanlage erweitert. Der Einsatz des Kältemittels HFO 1234ze hatte umfangreiche Eingriffe im Sicherheitsdispositiv zur Folge. Für die Auswahl des Kältemittels HFO1234ze waren Gedanken über die Nachhaltigkeit gegenüber der Umwelt entscheidend. Für die Bauherrschaft ist wichtig, für die Zukunft eine Nachhaltige Aufstellung im Bereich der Kältetechnik spürbar zu erfahren. Moderne und umweltschonende Kältemittel sind die Voraussetzung für nachhaltigen Investitionen bei Liegenschaften.
Überwachung der Energiezentralen
Hydro-Fluor-Olefine HFO sind leicht brennbar und unterliegen dadurch spezifischen Sicherheitsvorschriften. Verschiedene sicherheitstechnische Komponenten müssen eingebaut werden, dass beispielsweise bei einem Voralarm Prozesse noch nicht ausgeschaltet werden. Eine Abschaltung der Anlagen erfolgt erst bei Alarm. Eine Sturmlüftung wird umgehend in Betrieb gesetzt und eingebaute Klappen werden ein- oder umgeschaltet. Warnleuchten und Signalhorn werden bei einem Hauptalarm aktiviert.
Alternativen für Klimabereich
Die Klimabranche ist sehr interessiert an technisch guten Lösungen als Ersatz für das in Klimageräten bewährte synthetische Kältemittel R410A (GWP 2088). Dieses Fluid hat aufgrund des vergleichsweisen hohen Dampfdrucks eine sehr hohe volumetrische Kälteleistung. Dadurch kann mit kleinen Verdichtern eine hohe Kälteleistung erzielt und die Dimensionen der Geräte konnten reduziert werden. Das Kältemittel R466A wurde als Alternativlösung für R410 entwickelt. Es hat ein GWP von 730 und setzt sich zusammen aus R32, R125 und CF3I. Das CF3I-Molekül enthält Jod und unterdrückt die Entflammbarkeit, hat jedoch auch ein Ozonabbaupotenzial (ODP). Weiter findet auch R32 (GWP 675) häufig Verwendung in der Klimatechnik. Die Kältemittel R1234ze, R1234zd und R1234yf kommen als Ersatz für R-410A nicht in Frage, da ihre Energieeffizienz deutlich geringer ist. Dadurch müssten Anlagen wesentlich grösser ausgelegt werden, um dieselbe Effizienz zu erzielen und würden auch teurer.
Keine einfache Aufgabe
Obwohl das Ozonabbaupotenzial von R1233zd im Vergleich zu R22 (GWP 1810) sehr niedrig ist, stellt es ein Problem dar. Zum Senken des Treibhauspotenzials von FKW mit hoher Dichte werden HFO beigemischt. Die wesentlichen Unterschiede hängen davon ab, welcher R1234-Typ verwendet wird und welches Kältemittel ersetzt werden soll. Es wird ein Kompromiss zwischen niedrigem Treibhauspotenzial und der Entflammbarkeit eingegangen. Für die meisten Kältemittel existieren keine einfachen Alternativlösungen mit geringem Treibhauspotenzial; Die Entflammbarkeit steht im Zusammenhang mit dem Treibhauspotenzial und der Kältemittelleistung. Je geringer das Treibhauspotenzial und je höher die Leistung, desto höher ist auch die Entflammbarkeit. Da praktisch alle HFO-Kältemittel in die Gefahrenklasse A2L eingeteilt sind, versuchen Hersteller von Kältemittel, durch entsprechende Mischungen einen Kompromiss zwischen Umweltschutz und Brennbarkeit zu finden.