Fluorierte Kältemittel sind in den letzten Jahren durch ihre umweltschädigenden Treibhausgase (F-Gase) immer wieder in Verruf geraten. Ab 2019 haben sich Industrieländer zu einer Reduktion der Verwendung von solchen Produkten verpflichtet.
Doch viele Unternehmen in der Gastronomie, in der Lebensmittelverarbeitung oder in der Autoindustrie, die zum Beispiel Kältemittel für Klimaanlagen verwenden, sind auch weiterhin auf diese Produkte angewiesen. Welche Alternativen haben sie?
Eine wesentlich umweltschonendere Alternative bietet das natürliche Kältemittel Kohlendioxid (CO2), das als Kältemittel besser unter dem Namen R744 bekannt ist. Im folgenden Artikel wird R744 in seinen Eigenschaften und seiner Funktion als Kältemittel untersucht. Außerdem werden seine Auswirkungen auf das Klima und die Automobilindustrie beleuchtet.
Upcoming Kältemittel R744? - Nicht ganz.
Als Kältemittel ist Kohlendioxid nicht erst seit neuestem im Einsatz. Schon Ende des 19. Jahrhunderts war CO2 ein bekanntes und bewährtes Medium, insbesondere zur Klimatisierung von Schiffen.
Auch damals wurde lieber zu Kohlendioxid gegriffen, statt zum gängigen, aber giftigem Ammoniak, da CO2 als sicherer galt.
Mitte des 20. Jahrhunderts wurden immer mehr synthetische Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) entwickelt, die Kohlendioxid eine Zeit lang vom Kältemittelmarkt verdrängt haben.
Doch mit der immer mehr umweltschonenden Ausrichtung von Unternehmen, hat das natürliche Kältemittel CO2, ein Comeback geschafft.
Als Kältemittel wird das eigentliche Gas CO2 in verflüssigter Form gebraucht. Da R744 kein Ozonzerstörungspotential hat, weist es im Vergleich zu den fluorierten Gasen so gut wie keinen Treibhauseffekt auf.
Übrigens: Kühlmittel sind nicht das Gleiche wie Kältemittel. Denn während Kühlmittel einen ununterbrochenen Kühlzyklus brauchen, das heißt eine dauernd kühle Umgebungstemperatur, um das Kühlgut kalt zu halten, können Kältemittel die Wärmeenergie an das Kühlgut transportieren, auch wenn die Umgebungstemperatur höher ist.
Was ist R744?
R744 ist also Kohlendioxid (CO2). Es ist ein nicht brennbares Gas, das farblos ist und säuerlich schmeckt. Jeder Liebhaber des Sprudelwassers wird diesen Geschmack kennen.
Natürlich ist es, weil das Gas auf eine natürliche Art und Weise entsteht, so zum Beispiel durch Gärungsprozesse. R im R744 steht für Refrigerant, was zu Deutsch Kältemittel bedeutet.
Eigenschaften von R744
Chemisch betrachtet, ist das Gas überaus reaktionsträge, wodurch es häufig als Zusatzstoff bei Gasgemischen und anderen Rohstoffen fungiert. So beispielsweise auch in der Lebensmittelindustrie als Verpackungsgas.
CO2 ist 1,5 mal schwerer als Luft und kann bei hohen Konzentrationen auf den Menschen narkotisierend und erstickend wirken. Das ist besonders gefährlich, wenn das Gas unkontrolliert entweicht und sich in Kellerräumen oder Lichtschächten sammelt. Dort muss regelmäßig gelüftet werden, denn es gibt für Menschen keine Warnsignale bis es dann zu spät ist.
Die Verdrängung des Sauerstoffs führt auch dazu, dass Kohlendioxid häufig als Feuerlöschmittel verwendet wird.
Verschiedene Flaschengrößen, CO2 R744 Kältemittel aus dem Angebot der GPG
Kältemittel R744 CO2 Kohlensäure Flasche 10 kg
Eigentums-Gasflasche/Stahlflasche inkl. Füllung 10 kg Kältemittel R744, Kohlendioxid (H2O < 10ppm), mit Doppelventil (Entnahme flüssig & gasförmig) und Steigrohr/Tauchrohr
Kältemittel R744 CO2 Kohlensäure Flasche 37,5 kg
Eigentums-Gasflasche/Stahlflasche inkl. Füllung 37,50 kg Kältemittel R744, Kohlendioxid (H2O < 10ppm), mit Doppelventil (Entnahme flüssig & gasförmig) und Steigrohr/Tauchrohr
Reaktionen
CO2 reagiert mit Ammoniak, was insbesondere für Anlagen in der Supermarkt Kältetechnik wichtig ist, denn bei undichten Stellen können sich im Kaskadenwärmeübertrager Ammoniak und Kohlendioxid vermischen und dabei das sogenannte Hirschhornsalz (Ammoniumcarbonat) entstehen lassen. Dies kann zu irreversiblen Schäden der Anlage führen.
Auch bei Anlagen mit Verdichtergehäusen aus Kohlenstoffstahl und einigen Nichteisenmetallen muss bei Verwendung von CO2 Vorsicht geboten werden, denn CO2 reagiert zusammen mit Wasser zu Kohlensäure, die sich wiederum in die oben erwähnten Stoffe hineinfrisst.
Aggregatzustände
Je nach Druck und Temperatur verändern sich die Aggregatzustände von CO2. So ist Kohlendioxid oberhalb des kritischen Punktes nicht mehr zu verflüssigen. Unterhalb des Drucks am Tripelpunkt kann es gasförmig oder fest sein. Das heißt: tritt flüssiges Kohlendioxid aus, so wird es sofort zu Gas oder zu Trockeneis.
Der Übergang vom festen Aggregatzustand in den gasförmigen liegt bei -79 Grad Celsius. Solche Temperaturen verursachen bei Menschen schwere Verbrennungen, daher ist beim Hantieren mit CO2 stets Schutzkleidung zu tragen.
Druck
Sowohl im Umgang mit Anlagen als auch mit Gasflaschen ist äußerste Vorsicht geboten, denn R744 erzeugt bei gleichen Temperaturen einen höheren Druck als andere Kältemittel. So ist bei einer Temperaturschwankung zwischen -10 bis 0 Grad Celsius eine Drucksteigerung bzw. -senkung von 8 bar möglich.
Daher sollten vor Verwendung die einzelnen Teile einer Anlage oder Flasche, wie zum Beispiel Ventile, stets auf ihre Druckfreiheit kontrolliert werden.
Des Weiteren dürfen CO2-Gebinde nicht an Systeme angeschlossen werden, die einen wesentlich höheren Druck aufweisen, als der Gasflaschendruck selbst.
Die Druckzustände unterscheiden sich bei bestehenden und bei Neuanlagen. Während der Druck bei Neuanlagen während der Befüllung nicht höher ist als der Flaschendruck, kann es bei bereits laufenden Anlagen passieren, dass der Druck wesentlich über dem Flaschendruck liegt. Dieser Umstand sollte mittels eines entsprechenden Druckminderers korrigiert werden.
Viskosität
Auch thermodynamisch ist Kohlendioxid durch seine niedrige Viskosität und die überaus guten Wärmeübergangswerte gekennzeichnet. Durch die hohe Drucklage ist die volumetrische Kälteleistung unschlagbar.
Wenn beispielsweise ein Kilogramm R744 in einer Tiefkühlung verdampft und gasförmig wird, kann nur dieses eine Kilo 312,7 kJ Wärme abführen. Überhitzt man das Kältemittel um 10 K, beträgt die Wärmemenge 34,1 Liter.
R744 in der Autoindustrie
Seit dem 1. Januar 2017 müssen alle Pkws, die in Europa neu zugelassen sind, ein Kältemittel verwenden, das ein Treibhauspotenzial von weniger als 150 GWP hat. GWP ist die Abkürzung für Global Warming Potential.
Für Pkw-Klimaanlagen ist das Kältemittel CO2 eine klimaschonende Alternative zu dem bisher gängigen Kältemittel Tetrafluorethan mit dem Kurznamen R134a. Zum Vergleich: R134a hat ein GWP 1430, CO2 nur ein GWP 1. Das bedeutet, CO2 ist 1430 mal weniger klimaschädlich als R134a.
Synthetik, adé!
Da die Nutzung des R134a als Kältemittel für Autobauer nicht mehr in Frage kam, griffen viele auf eine synthetische Alternative zurück und zwar auf R1234fy, das ein GWP von 4 hat.
Die Thermodynamik des R1243fy gleicht der von R134a, doch birgt es bei Unfällen ein höheres Risiko. Entzündet es sich, entsteht eine ätzende Flusssäure sowie das hochgiftige Carbonylfluorid. Auch wenn einige Hersteller die Flusssäure mithilfe von technischen Abhilfen unter Kontrolle halten, so ist die Verwendung des R1234fy dennoch keine nachhaltige Lösung.
Neue Herausforderungen
CO2 hat dagegen das Potenzial, eine solche Lösung zu werden. Neben seiner umweltschonenden Wirkung, ist Kohlendioxid preiswert und so gut wie unbegrenzt verfügbar.
Thermodynamisch weist CO2 fundamentale Unterschiede zu seinen chemischen Mitstreitern auf. Diese sehen wie folgt aus:
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Drucklagen im Klimasystem steigen: Auf der Hochdruckseite benötigt es Drücke von 60 - 130 bar. Das bedeutet, das sechsfache von bisher verwendeten Kältemittel. Auf der Niederdruckseite müssen die Drücke von 35 - 50 bar herrschen, was das zehnfache des bisher verwendeten sind.
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Temperatur verändert Aggregatzustand: Bei einer Außentemperatur von über 25 Grad Celsius, liegt der Druck über dem kritischen Punkt des CO2, was dazu führt, dass es sich nicht mehr verflüssigen lässt. Daher muss die Luft durch einen Gaskühler ständig gekühlt werden.
Um R744 als Kältemittel für Klimaanlagen nutzen zu können, muss eine grundlegende Neuentwicklung erfolgen. So soll durch einen Druck-Temperatursensor und Druckbegrenzungsventile die steigenden Drucklagen ausgeglichen werden.
Auch ein CO2-Sensor muss her, der fortdauernd die CO2-Werte im Innenraum des Wagens kontrolliert.
Innovation durch CO2
Nicht nur kann R744 als funktionierendes Kältemittel dienen, es kann zudem auch noch zum Betreiben von Wärmepumpen verwendet werden. So können Verbraucher im Winter durch eine integrierte Kühl-und Heizfunktion nicht nur effizient heizen, sondern auch noch Energie sparen.
Laut Untersuchungen des Bundesumweltministeriums sowie die des ADACs, kann eine CO2-Klimaanlage den Innenraum eines Pkws schnell und energieeffizient abkühlen und hält den Energieverbrauch deutlich geringer als mit den R134a betriebenen Klimaanlagen.
Aktuell sind erst wenige Pkws mit CO2-Klimaanlagen käuflich zu erwerben, da es zu Verzögerungen in der Entwicklung sowie der Durchführung von Tests von druckfesten Komponenten für R744 kam.
Doch seit Oktober 2016 gibt es erste Luxus-Pkws mit integrierten CO2-Klimaanlagen von zwei deutschen Automobilherstellern. Diese gaben bekannt, dass es bald auch günstigere Modelle mit CO2-Kompressoren für den Massenmarkt geben wird.
Auch für Elektroautos tauglich
Ebenfalls wurden inzwischen hochdichte, elektrisch betriebene CO2-Kompressoren entwickelt. Es kann also nicht mehr allzu lange dauern bis die CO2-Klimaanlage ihren Weg in elektrische Autos findet.
Auch hier kann von der elektrischen Zusatzheizung profitiert werden, denn sie würde Energie sparen, was die Reichweite der Elektroautos erhöhen würde.