Natürliche Auswahl: Der Aufstieg der Kältemittel mit niedrigem GWP

Natürliche Kältemittel bildeten die Grundlage für die ersten Kältesysteme. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wurden sie jedoch durch künstliche Kältemittel ersetzt. Diese synthetischen Kältemittel wurden mit Eigenschaften entwickelt, die für verschiedene HLK- und Kälteanwendungen geeignet sind und Probleme wie Entflammbarkeit, Toxizität und Korrosion beseitigen sollen. Zu den synthetischen Kältemitteln gehören Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW), teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) und teilhalogenierte Fluorolefine (HFO). 

Es wurde jedoch festgestellt, dass die Vorteile synthetischer Kältemittel ihren Preis hatten. FCKW und HFCKW hatten ein hohes Ozonabbaupotenzial (ODP), das die Ozonschicht stark schädigte. Ihr Ersatz, die HFKW, hatte ein hohes Treibhauspotenzial (GWP) und trug zur globalen Erwärmung und zum Klimawandel bei. 

Im Rahmen des Montrealer Protokolls (und mehrerer späterer Änderungen) stimmte eine Reihe von Ländern dem schrittweisen Ausstieg aus FCKW und HFCKW sowie dem Ausstieg aus HFKW zu. In einem Akt des Überlebens des Stärkeren schließen wir den Kreis zurück zu natürlichen Kältemitteln. Natürliche Kältemittel wie Kohlendioxid (CO2), Propan (C3H8), Ammoniak (NH3) und Sole haben entweder kein oder ein extrem niedriges GWP und ODP und bieten damit Optionen für bewährte, zukunftssichere und umweltfreundliche Kältemittel. 

F-Gas-Verordnungen, das Montrealer Protokoll und der HFC-Ausstieg

Im Rahmen des Montrealer Protokolls wurden als erstes FCKW in den Industrieländern bis 2000 und in den Entwicklungsländern bis 2010 verboten. Danach folgten die HFCKW, deren Ausstieg in den Industrieländern bis 2020 und in den Entwicklungsländern bis 2030 erfolgen sollte. 

Das Schicksal der HFKW wurde durch die Änderung des Montrealer Protokolls in Kigali im Oktober 2016 besiegelt. Im Rahmen des Montrealer Protokolls verpflichteten sich die Industrieländer zu einem schrittweisen HFKW-Ausstieg ab 2019. In den Entwicklungsländern tritt ab 2024 (bzw. 2028 für einige Länder) ein Einfrieren des FKW-Verbrauchs in Kraft, mit dem Ziel einer 80-85%igen Reduzierung der FKW bis Ende der 2040er Jahre. 

Einige Regionen wie die Europäische Union (EU) streben jedoch einen schnelleren und umfassenderen FKW-Ausstieg an, um die ehrgeizigen Dekarbonisierungsziele zu erreichen. Als fluorierte Gase unterliegen HFKW den F-Gas-Verordnungen der EU. Die aktuellen Verordnungen zielen darauf ab, die Emissionen fluorierter Gase bis 2030 um zwei Drittel gegenüber dem Stand von 2014 zu senken. Die Verordnungen verfolgen einen stufenweisen Ansatz, beginnend mit den umweltschädlichsten Gasen nach GWP. Für verschiedene Produkttypen gelten auch unterschiedliche GWP-Grenzwerte. So können beispielsweise Wärmepumpensysteme, die weniger als 3 kg Kältemittel enthalten, bis zu ihrem Verbot im Jahr 2025 Flüssigkeiten mit einem GWP-Wert von bis zu 750 verwenden, während im Kältesektor beispielsweise Wärmetauscher bis zu ihrem Verbot im Jahr 2025 Kältemittel mit einem GWP-Wert von bis zu 1500 verwenden können. Ziel ist es, Kältemittel mit hohem GWP zu verdrängen und durch natürliche Kältemittel mit niedrigem GWP, Hydrofluorolefine (HFOs) und Kältemittelmischungen zu ersetzen.

Nachfolgend ein Beispiel für den HFKW-Fahrplan für den Kältesektor:

2020: Alle Kältemittel mit einem GWP über 2500 werden verboten. Beispiele hierfür sind:

2022- 2025: Alle Kältemittel mit einem GWP über 1500 sind verboten. Beispiele hierfür sind:

2030: Alle Kältemittel mit einem GWP über 150 sind verboten. Beispiele hierfür sind:

Da die Zahl der synthetischen Kältemittel, die legal verwendet werden dürfen, schrumpft, die Preise steigen und Kältemittelknappheit herrscht, werden natürliche Kältemittel an Bedeutung gewinnen.  

Natürliche Kältemittel: Die nachhaltige Lösung

Natürliche Kältemittel haben sich bereits seit den ersten Kälteanlagen bewährt. Die Hindernisse, die ihre Verwendung in der Vergangenheit verhinderten (Entflammbarkeit, Toxizität oder Korrosion), werden durch moderne Technologien, Materialien und Gesundheits- und Sicherheitspraktiken schnell überwunden. Das bedeutet, dass natürliche Kältemittel wie Kohlendioxid, Propan, Ammoniak und Sole für eine wachsende Zahl von Anwendungen geeignet sind und immer beliebter werden.

Kohlendioxid (CO2 / R-744)

R-744 ist ein hervorragender Ersatz für HFKW, da es nicht brennbar und nicht explosiv ist und eine geringe Umweltbelastung aufweist (GWP=1 und OPD=0). CO2 hat mehrere weitere Vorteile, wie z. B. ein geringes Massenvolumen, was die Installation kompakter Geräte und die Verwendung kleiner Mengen ermöglicht. Außerdem hat es ein niedriges Kompressionsverhältnis, ist in der Umwelt verfügbar und mit allen Materialien kompatibel, da es nicht korrosiv ist. CO2 eignet sich für eine Reihe von Anwendungen wie Wärmetauscher, Verflüssigungssätze und Kühlregale.

Propan (C3H8 / R-290)

R-290 hat eine geringe Umweltbelastung (WGP=3 und ODP=0) und ist ungiftig. Im Vergleich zu HFCKW und HFKW hat Propan einen geringeren Systemdruckabfall und eine höhere Wärmeübertragungsleistung, außerdem hat es eine geringere Dichte, was zu einer geringeren Kältemittelfüllung führt. Es hat eine ausgezeichnete thermodynamische Leistung, da es von einer sehr niedrigen Verdampfungstemperatur zu einer hohen Kondensationstemperatur übergehen kann. Außerdem ist es gut mit Materialien kompatibel. Im Gegensatz zu den Hydrofluorolefinen (HFOs) zerfällt es nicht in Trifluoressigsäure (TFA) oder andere schädliche Stoffe. Propan ist jedoch leicht entzündlich, was zu zusätzlichen Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften und -beschränkungen führt. Propan eignet sich als Kältemittel für eine Reihe von Anwendungen wie Wärmepumpen und Kühlanlagen.

Ammoniak (NH3 / R-717)

R-717 ist ein hocheffizientes Kältemittel, das keine Auswirkungen auf die Umwelt hat (WGP=0 und ODP=0). Wie Propan verfügt es über eine ausgezeichnete thermodynamische Leistung, da es von einer sehr niedrigen Verdampfungstemperatur zu einer hohen Kondensationstemperatur übergehen kann, und es hat ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften. Allerdings ist Ammoniak in bestimmten Konzentrationen giftig und entflammbar, was zu zusätzlichen Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften und -beschränkungen führt. Ammoniak ist mit einigen Materialien (z. B. Kupfer) nicht verträglich. Aufgrund der Toxizität und des hohen Wirkungsgrads wird Ammoniak vor allem in der industriellen Kältetechnik mit hohen Füllmengen eingesetzt.

Sole

Sole ist ein Gemisch aus Salz und Wasser (eine Salzlösung), in der Regel eine Mischung aus Natriumchlorid (NaCl), Kalziumchlorid (CaCl2) oder Kaliumchlorid (KCl) mit Wasser. Der Zusatz von Salz zu Wasser erhöht die Wärmetransporteffizienz und senkt den Gefrierpunkt. Sole ist umweltfreundlich (GWP=0), ungiftig und nicht brennbar. Sole ist jedoch korrosiv. Sole wird hauptsächlich als sekundäres Kältemittel und in Niedertemperaturkälteanlagen oder Wärmetauschern eingesetzt. 

Zertifizierung von natürlichen Kältemitteln

Mit der Umstellung der Hersteller von Klimaanlagen und Kühlgeräten auf natürliche Kältemittel müssen die Zertifizierungsstellen ihre Zertifizierungsprogramme anpassen. Eurovent Certita Certification verwendet die europäischen Normen als Grundlage für seine Zertifizierungsprogramme, daher betreffen Änderungen der F-Gas-Verordnungen einen großen Teil der zertifizierten Produkte.

Natürliche Kältemittel wie CO2 sind zwar bereits im Rahmen einer Reihe von Eurovent-Programmen zertifiziert, aber die Liste wird wahrscheinlich noch länger werden. Darüber hinaus wird es immer dringender, neue natürliche Flüssigkeiten wie Propan, Ammoniak und Sole als Alternative zu HFKW mit hohem GWP in verschiedene Programme aufzunehmen. Ebenso müssen Hydrofluorolefine (HFOs) mit niedrigem GWP und Kältemittelmischungen in Betracht gezogen werden, da natürliche Kältemittel nicht für alle Anwendungen das Mittel der Wahl sind. 

Die Branche kann sich darauf verlassen, dass Eurovent Certita Certification seit einigen Jahren an der Einführung neuer Kältemittel arbeitet. Die Aufnahme neuer Kältemittel in den Prüf- und Bewertungsprozess ist jedoch kein schneller und einfacher Prozess. Dies gilt insbesondere für Flüssigkeiten wie Ammoniak, bei denen aufgrund ihrer Toxizität und Entflammbarkeit besondere Maßnahmen erforderlich sind. 

Es ist eine große Aufgabe, alle relevanten Zertifizierungsprogramme anzupassen, und natürlich ist die Aufnahme neuer Kältemittel nicht die einzige Überlegung. Eurovent Certita Certification muss auch sicherstellen, dass verbotene Kältemittel nicht mehr deklariert und zertifiziert werden, und sich dabei durch das Minenfeld der gesetzlichen Änderungen bewegen. 

Fazit

Seit dem Inkrafttreten der F-Gas-Verordnung 2015 ist das Ende der HFKW-Kältemittel absehbar. Natürliche Kältemittel haben entweder kein oder ein extrem niedriges GWP und ODP und bieten zukunftssichere, umweltfreundliche Kältemittel mit einer bewährten Erfolgsbilanz. Die Probleme, die zu den synthetischen Kältemitteln geführt haben - Entflammbarkeit, Toxizität oder Korrosion - werden überwunden, da die Hersteller Lösungen für die Probleme der Vergangenheit finden. Die Verfügbarkeit und die Kosten natürlicher Kältemittel werden auch dazu beitragen, ihre Reichweite auf dem Kältemittelmarkt zu vergrößern.

Hersteller, Planer, Konstrukteure, Installateure, Facility Manager und Endverbraucher werden von den Änderungen bei den Kältemitteln ebenso betroffen sein wie die Eurovent-Zertifizierungssysteme. Natürliche Kältemittel wie C02, Propan, Ammoniak und Sole sind zwar nicht für jede HLK- oder Kälteanwendung die richtige Lösung, aber es ist offensichtlich, dass sie den Markt in Zukunft dominieren werden. 

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