Über die vergangenen 100 Jahre hat der Mensch verschiedene Substanzen für Anlagen in der Kältetechnik ausprobiert. Nach Ammoniak und den FCKWs ist aus Gründen des Klimaschutzes aktuell der Einsatz von natürlichen Kältemitteln angesagt. Der Artikel gibt einen Überblick über die gängigsten Kältemittel und den jeweiligen Eigenschaften.
Alles auf einen Blick:
- Natürliche Kältemittel sind die umweltbewusste Alternative zu FCKWs und FKWs.
- Neben der hohen volumetrischen Kälteleistung, die eine kompakte Bauweise des Klimageräts erlaubt, weisen die Mittel für Anlagen zur Kältetechnik auch eine hohe kritische Temperatur auf.
- Ammoniak, Propan, Butan und Kohlendioxid sind die bekanntesten. Aber auch Wasser kann als Kühlmittel genutzt werden.
- Die unterschiedlichen Substanzen finden ihre Anwendung je nach räumlicher und technischer Anforderung.
Arten und Einsatzgebiete
Natürliche Kältemittel sind Substanzen, die in der Natur vorkommen. Dazu gehören unter anderem Ammoniak, Wasser und Kohlendioxid, auch Kohlenstoffdioxid genannt. Eingesetzt werden sie je nach individuellen Eigenschaften in Klima- und Kälteanlagen in verschiedenen Bereichen, um Kälte zu erzeugen.
Was sind natürliche Kältemittel?
Ein Kältemittel ist nach der DIN EN 378 ein Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird und bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt. Es grenzt sich ab vom Kühlmittel, das nur innerhalb eines Kühlzyklus die Wärmeenergie zur Kühlung transportiert. Das Kältemittel hingegen trägt die Wärmeenergie vom Kühlgut in die Umgebung.
Natürliche Kältemittel sind in der Natur vorkommende Substanzen, die nicht künstlich produziert werden müssen. Sie setzen sich aus Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff zusammen.
Welche Arten von natürlichen Kältemitteln gibt es?
Ammoniak, Kohlendioxid, Luft, Kohlenwasserstoff und Wasser sind die bekanntesten und verbreitetsten natürlichen Mittel.
| Natürliche Kältemittel | Kürzel | Formel |
|---|---|---|
Ammoniak | R-717 | NH3 |
Kohlendioxid | R-744 | CO2 |
Propan (Kohlenwasserstoff) | R-290 | C3H8 |
Butan (Kohlenwasserstoff) | R-600a | C4H10 |
Wasser | R-718 | H2O |
Wo werden sie eingesetzt?
Natürliche Kältemittel kommen in geschlossenen und offenen Kälteanlagen, Klima- und Kühlanlagen zum Einsatz. Dabei ist das Spektrum vielfältig. Beispielsweise werden sie in der Lebensmittelindustrie, Gebäudetechnik, Logistik, chemischen Industrie, Freizeitindustrie oder im Gesundheitswesen eingesetzt. Je nach Anwendungsfall eignet sich ein bestimmtes Mittel.
In Fahrzeugen wird neben Kohlendioxid aktuell vor allem noch Tetrafluorpropen (R-1234yf) eingesetzt. Es gibt aber Bestrebungen, vermehrt Luft für die Produktion von Kälte zu nutzen.
Eigenschaften
Natürliche Kältemittel sind nicht schädlich für die Ozonschicht und erhöhen auch nicht den Treibhauseffekt. Bestenfalls weisen sie eine hohe volumetrische Kälteleistung, Wärmeleitfähigkeit und kritische Temperatur auf. Letztere bildet den Übergang von flüssig zu gasförmig. Doch damit nicht genug.
Was ist der Unterschied zu synthetischen Kältemitteln?
Synthetische Kältemittel sind solche, die künstlich hergestellt werden, also nicht in der Natur vorkommen. Dazu gehört Fluorchlorkohlenwasserstoff, kurz FCKW, das ein sogenanntes halogeniertes Kältemittel ist. Diese künstlich produzierten Substanzen bestehen aus Kohlenwasserstoffen, bei denen Wasserstoffatome durch Halogene, Chlor und Fluor ersetzt werden.
Was sind die Eigenschaften von natürlichen Kältemitteln?
Zu den physikalischen Eigenschaften zählen die hohe kritische Temperatur und volumetrische Kälteleistung, die eine kompakte Bauweise der Geräte ermöglicht. Daneben sind noch folgende Eigenschaften im Vergleich zu FCKWs entscheidend:
- umweltverträglicher aufgrund der geringeren Ozonschichtbelastung und des geringeren Treibhauspotenzials
- sofort in unbegrenzter Menge verfügbar
- relativ preiswert
- nicht giftig
- nicht korrosiv
Was sind die Nachteile von natürlichen Kältemitteln?
- geringerer Brandschutz als FCKWs
- Kompatibilität nicht zu jeder Kühlanlage gegeben
- teilweise sehr starker Geruch
- Wasser und Luft sind für spezielle Anwendungen geeignet, bedürfen aber noch weiterer Forschung, um kommerziell großflächig nutzbar zu sein.
Wann ist welches natürliche Kältemittel sinnvoll?
Das perfekte Kältemittel verbindet folgende Eigenschaften:
- gute physikalische und thermodynamische Eigenschaften wie hohe volumetrische Kälteleistung, Wärmeleitfähigkeit und hoher kritischer Punkt
- chemisch-strukturelle Stabilität
- kein Einfluss auf das Klima
- leicht verfügbar
Allerdings gibt es keine Substanz, die alle Punkte erfüllt. Daher muss bei jeder Anwendung das passende System samt Kältemittel ausgewählt werden. So sind der Aufstellungsort sowie die technischen und preislichen Anforderungen neben den Umweltaspekten bei der Auswahl wichtige Kriterien.
Ammoniak, Propan und Co.
Die unterschiedlichen natürlichen Substanzen verbinden verschiedene Eigenschaften. Ammoniak, Propan, Butan und Kohlendioxid sind für unterschiedliche Anwendungsgebiete geeignet. Falls Sie sich nach dem Durchlesen der Vor- und Nachteile weiterhin unsicher sind, sollten Sie einen Klimatechniker zurate ziehen.
Was sind die Eigenschaften von Kohlendioxid?
Das Kürzel von Kohlendioxid, auch Kohlenstoffdioxid genannt, ist R-744, die chemische Formel CO2.
Vorteile:
- große volumetrische Kälteleistung: Dadurch wird nur geringer Volumenstrom notwendig, wodurch wiederum eine kompakte Bauweise mit kleinen Rohrleitungen des Kühlgeräts möglich ist
- ungiftig
- unbrennbar
- verhältnismäßig geringer Treibhauseffekt
- exzellente Wärmeübertragung
Nachteile:
- reaktionsträge
- relativ hoher Betriebsdruck erforderlich (mehr als 80 bar), wodurch eine robuste Bauweise nötig wird
- schwerer als Luft
- bei einer Konzentration von 2,5 Prozent tödlich
- geruchlos, wodurch ein Leck schwer zu erahnen ist
Anwendung:
Kohlendioxid kann bei Temperaturen zwischen -55 und 30 Grad Celsius genutzt werden. In diesem Bereich sind mit CO2 ausgestattete Systeme effizienter als herkömmliche Systeme mit synthetischen Kältemitteln.
Kohlendioxid ist insbesondere für Wärmepumpen und zur Wärmerückgewinnung sowie für Fahrzeug-Klimaanlagen geeignet.
Was sind die Eigenschaften von Ammoniak?
Die chemische Formel ist NH3, das Kürzel R-717. Zu den Vorteilen zählen:
- vielfältig verwendbar
- kein Treibhauspotenzial
- keine Ozonschichtbelastung
- leichter als Luft
- geruchsstark: Der bekannte Geruch dient als Art Frühwarnsystem, ist er doch ab 20 ppm wahrzunehmen. Eine gesundheitsschädigende Wirkung entsteht allerdings erst bei über 1000 ppm.
- hoher Wärmeenergiekoeffizient
Nachteile:
- giftig
- korrosiv bei Kupferwerkstoffen
- brennbar bei 15 bis 28 Prozent Konzentration in der Luft
- explosiv, aber erst bei einer Zündtemperatur von 650 Grad Celsius
Anwendung:
Ammoniak ist ideal für Kälteanlagen ab einer Leistung oberhalb von 500 Kilowattstunden und wird beispielsweise in Brauereien, Schlachthäusern oder Tiefkühlhäusern und Messehallen verwendet.
Was sind die Eigenschaften von Kohlenwasserstoff?
Beim Kohlenwasserstoff gibt es mehrere Varianten. Propan und Butan sind die gängigsten für Kältemittel genutzten Substanzen. Das Kürzel für Propan ist C3H8, die Formel R-290. Butan hat die chemische Formel C4H10 und das Kürzel R-600a.
Die Vorteile sind insbesondere:
- gute Energieeffizienz (Propan im Vergleich zu FCKWs wie Chlordifluormethan (R22) und Tetrafluorethan (R134a)
- niedriger Druck und damit besseres Betriebsverhalten (Butan: bei 40 Grad Celsius hat Butan 5 bar, R134a 10 und R404 18 bar)
- geringes Treibhauspotenzial
Als Nachteil muss vor allem die leichte Entflammbarkeit aufgeführt werden. Sie führt zu erhöhten Sicherheitsvorkehrungen. Am besten ist es daher, die Zündquellen bereits bei der Planung zu eliminieren.
Anwendung:
Kohlenwasserstoff ist in industriellen Kälteanlagen seit Jahren erprobt und wird vor allem in der Wärmepumpentechnik und für Haushaltsgeräte wie Kühlschränke eingesetzt.
Allgemein sind Kohlenwasserstoffe nicht in ein Muster zu packen. Sie weisen zwar alle eine Wärmeenergie von circa 200 Kilojoule pro Kilogramm auf, aber Butan ist sehr leicht entflammbar, während Bromtrifluorethan gar nicht entflammbar ist. Auch bezüglich Ozonschicht und Treibhauseffekten können große Unterschiede bestehen.
| Mittel | Zeichen | Kritischer Punkt | Volumentrische Kälteleistung | Spezifische Wärmeenergie |
|---|---|---|---|---|
Ammoniak | NH3 | 132 °C | 3.100 kJ/m³ | 1.300 kJ/kg |
Kohlendioxid | CO2 | 31 °C | 18.400 kJ/m³ | 260 kJ/kg |
Tertrafluorethan (FKW) | C2H2F4 | 101 °C | 2.100 kJ/m³ | 217 kJ/kg |
Bei allen drei Parametern gilt: Je höher die Zahl, desto besser. Die Tabelle zeigt aber auch, dass die verschiedenen Kältemittel unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Je nach Anwendungsgebiet, technischen Anforderungen und sicherheitsrelevanten Umsetzungen ist die eine oder die andere Substanz geeignet.
Was sind die Eigenschaften von Wasser R178?
Die chemische Formel für Wasser ist H2O, das Kürzel für dieses Kältemittel R178. Sinnvoll ist dieses Material dann, wenn große Mengen Eiswasser oder pumpfähiger Eismatsch benötigt wird. Dies ist beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder der Fernkälte der Fall.
Vorteile:
- hohe Wärmespeicherfähigkeit
- energiesparend
- ungefährlich
- nicht belastend für Treibhauseffekt und Ozonschicht
Nachteile:
- großer Volumenstrom des Wasserdampfs notwendig, wodurch teure Turbokompressoren notwendig werden
- nur über 0 Grad Celsius nutzbar
- dichte System erforderlich, da der Betrieb nur im Vakuum funktioniert.
Gesetze
Im Laufe der Jahre hat sich die Verwendung verschiedener Substanzen für Anlagen in der Kältetechnik verändert. Nach der Effizienz im 20. Jahrhundert legten Betreiber – gezwungenermaßen – immer mehr Wert auf klimaneutrale Kältemittel. So ist mittlerweile nicht nur die Belastung der Ozonschicht ein Kriterium, sondern auch der für Treibhausgase relevante GWP-Wert.
Wie hat sich der Gebrauch von Kältemitteln entwickelt?
Anfang des 20. Jahrhunderts wurde oft mit Ammoniak hantiert. Als herauskam, dass es giftig ist, wurden neue Mittel gesucht. Dann kamen die Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) auf den Markt. Deren Einsatz wurde ab 1996 verboten, um das Ozonloch einzudämmen. Es folgten teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe, die FKWs, darunter das bekannte Tetrafluorethan R134a.
Diese FKWs oder HFKWs beinhalten kein Chlor mehr. Allerdings wurde auch deren Gebrauch ab 2014 untersagt, um den Treibhauseffekt zu verringern. Seit 2015 dürfen teilhalogenierte FKWs nur noch in bestehenden Anlagen verwendet werden – und nur ohne Eingriff in den Kältemittelkreislauf. Daher sind mittlerweile die natürlichen Substanzen immer mehr im Kommen.
Welche Gesetze gelten bei den Kältemitteln?
Um das Ozonloch weiter zu schützen, die CO2-Emissionen und den Treibhauseffekt zu verringern, werden synthetische Kältemittel immer mehr aus dem Verkehr gezogen.
Seit Anfang 2020 sind keine neuen ortsfesten Anlagen für Kältetechnik mehr erlaubt, wenn sie einen GWP-Wert von über 2500 aufweisen. Der halogenierte Fluorkohlenwasserstoff R404a mit einem Wert von knapp 4000 beispielsweise darf gar nicht mehr genutzt werden.
Ab 2022 werden gewerblich genutzte Kühl- und Gefriergeräte mit dem Kältemittel Tetrafluorethan (R134a) nicht mehr verkauft. Weitere Produkte mit Fluorgasen (F-Gase) sollen schrittweise bis 2030 vom Markt verschwinden, sodass dann nur noch 20 Prozent der Verkäufe auf teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKWs) entfallen.
GWP: Was ist das?
Der GWP-Wert (global warming potential) ist das Treibhauspotenzial eines Kältemittels. Er ist der Wert, der das relative Treibhauspotenzial in Bezug auf CO2 bestimmt. Der Wert beschreibt dabei die Wirkung der Erwärmung über einen definierten Zeitraum.
Während alle natürlichen Kältemittel keine Belastung für die Ozonschicht darstellen, haben Kohlendioxid und insbesondere Kohlenwasserstoffe wie Propan Einfluss auf den Treibhauseffekt. Allerdings ist die Auswirkung um ein Tausendfaches geringer als bei FCKWs.
| Ozonschichtbelastung | Treibhauseffekt | brennbar | giftig | |
|---|---|---|---|---|
Kohlendioxid | 0 | 1 | Nein | Nein |
Ammoniak | 0 | 0 | Ja | Ja |
Wasser | 0 | 0 | Nein | Nein |
Proban | 0 | 3 | Ja | Nein |
FCKW | 0 | mehr als 4.500 | Nein | (meist) nein |
Fazit
Ob in der Industrie oder im Privathaushalt: Verschiedene Produktionsprozesse benötigen Kälte. Abhilfe schaffen Anlagen für Kältetechnik, die wiederum ein Kältemittel benötigen. Seit einigen Jahren sind aufgrund eines immer größer werdenden Umweltbewusstseins natürliche Kältemittel immer mehr auf dem Vormarsch. Ammoniak, Kohlendioxid und Co. haben nicht nur wenig bis keine Auswirkungen auf die Ozonschicht und den Treibhauseffekt, sondern besitzen auch noch eine hohe volumetrische Kälteleistung. Diese erlaubt eine kompakte Bauweise des Klimageräts. Ebenfalls wichtig für die Bestimmung des optimalen natürlichen Kältemittels ist die spezifische Wärmeenergie und der Übergang des Aggregatszustandes von flüssig zu gasförmig.
Je nach technischen Anforderungen der Anlage und den räumlichen Gegebenheiten sind unterschiedliche Substanzen geeignet. So besitzt Kohlendioxid eine sehr hohe volumetrische Kälteleistung, wird aber schon bei 31 Grad Celsius gasförmig, während Ammoniak erst bei 132 Grad Celsius seine Konsistenz zu gasförmig wechselt.
