Umweltfreundliche Klima- und Kältetechnik


Die Klimatisierungs- und Kühlvorgänge sind nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken. Sei es im Büro, einem Wohngebäude, einem Lager oder in einem Supermarkt-Kühlschrank, es kommt stets auf die optimale Temperatur an. Um dies zu gewährleisten, müssen die Gebäude mit Kälte- und/oder Klimaanlagen ausgestattet sein. Die Kühlvorgänge lassen sich aber ohne spezielle Kältemittel nur sehr schwer realisieren. Das Problem ist nur, dass die meisten davon den Treibhauseffekt fördern und damit unmittelbar zur Klimakrise beitragen. Schon seit 1987 fing es mit Verboten von umweltschädlichen Kältemitteln an. Damit wurde die Forderung nach neuen Kältemitteln und neuen Technologien aufgestellt. Daraus entwickelte sich für die Unternehmen der noch bis heute anhaltende Trend, Kälte umweltfreundlich und effizient dem Gewerbe und den Haushalten bereitzustellen.

Kälte – und Klimatechnik – ist das so einfach wie es klingt?

Als ein Fachgebiet der Technik widmet sich die Kältetechnik der Forschung, Erzeugung und der Umsetzung der Kälte. In der Praxis wird von Kälteanlagen gesprochen, mit dem Zweck die Temperatur in einem Raum unter die Referenztemperatur (Umgebungstemperatur) künstlich abzusenken. Der künstliche Kühlvorgang erfolgt durch das Abführen der Wärme an der zu kühlenden Stelle. Schließlich wird die aus der inneren Umgebung abgeführte Wärme an die äußere Umgebung abgegeben.

Die meisten Kälteanlagen arbeiten nach dem Prinzip der Verdunstungskälte und bestehen aus mindestens 4 Hauptkomponenten:

  • Verdampfer

  • Verdichter

  • Kondensator bzw. Verflüssiger

  • Drosselorgan bzw. Expansionsventil

Dazu wird ein Kältemittel verwendet, das die einzelnen Komponenten der Kältemaschine nacheinander immer wieder durchläuft. Die vier Hauptkomponeneten bilden damit einen geschlossenen Kreislauf, auch Kältemittelkreislauf genannt.

Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Wärme aus der zu kühlenden Umgebung auf und erzeugt dadurch Kälte. Denn eine der wichtigsten Eigenschaften des Kältemittels ist es beim Verdampfen Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es. Das Resultat ist hoher Druck und eine hohe Temperatur, die höher ist als die Temperatur der äußeren Umgebung. Im Verflüssiger (Kondensator) wird das Kältemittel abgekühlt, indem Wärme an die äußere Umgebung abgegeben wird. Durch die Abkühlung nimmt das Kältemittel ihren ursprünglichen Zustand an (wird wieder flüssig), der hohe Druck bleibt aber weiterhin bestehen. Die letzte Station ist das Drosselorgan. Dort verliert das Kältemittel den hohen Druck. Am Ende gelangt das Kältemittel flüssig mit niedriger Temperatur zum Verdampfer, wo der Kreislauf wieder von vorne beginnt.

Die Klimaanlagen funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie die Kälteanlagen, nur haben diese nicht nur einen Kühlbetrieb, sondern auch einen Heizbetrieb. Im Heizbetrieb wird der Kältemittelkreislauf umgekehrt, sodass die Wärme von der äußeren Umgebung aufgenommen und an die innere Umgebung abgegeben wird. Der umkehrte Kühlprozess wird auch Wärmepumpe genannt. Hinzu kommen weitere Funktionen wie die Regelung der Luftfeuchtigkeit, Säuberung der Luft (Filtern) und die Veränderung der Luftgeschwindigkeit innerhalb eines Raums.

Der Markt bietet mobile und immobile Klimageräte, wobei die mobilen Anlagen von der Konstruktion einfacher ausfallen. Die immobilen Anlagen werden meistens fest in einem Gebäude verbaut.

Was sind Kältemittel und was müssen diese können?

Bei einem Kältemittel handelt es sich um ein flüssiges Medium, das innerhalb einer Kälte- oder einer Klimaanlage zirkuliert und dabei ihren Aggregatzustand ändert. Zu unterscheiden vom Kältemittel ist das Kühlmittel. Denn während das Kühlmittel nur die Kälte transportiert, ist ein Kältemittel in der Lage Kälte zu erzeugen (siehe oberen Abschnitt).

Um in einer Kälteanlage eingesetzt zu werden sollte ein Kältemittel folgende Anforderungen erfüllen:

  • Es sollte ungiftig sein, weder für den Menschen noch für die Umwelt.

  • Weder leicht entflammbar noch explosiv sein.

  • Die Zustandsänderung von flüssig nach gasförmig sollte bei kleinem Druck erfolgen.

  • Es sollte eine relativ hohe Verdampfungstemperatur haben.

  • Im gasförmigen Zustand darf das Volumen des Kältemittels nicht zu hoch sein, damit der Verdichter nicht zu groß konzipiert werden muss.

  • Es muss bei jedem in der Anlage vorkommendem Druck und jeder Temperatur chemisch stabil sein.

  • Es sollte nicht korrosiv sein.

  • Unabhängig von der Zustandsform, darf es die Werk -und Schmierstoffe der Kälteanlage nicht angreifen.

  • Leicht erhältlich und anwendbar sein.

  • Sollte möglichst preiswert sein.

  • Im besten Fall weist es einen spezifischen Geruch auf, sodass Leckagen leicht identifiziert werden können.

Die Liste macht einem deutlich, ein Kältemittel muss einen nicht gerade kleinen Katalog an Kriterien erfüllen. In der Praxis ist es sehr schwer bis unmöglich ein allen Anforderungen genügendes Kältemittel zu finden, sodass Kompromisse eingegangen werden müssen.

Natürliche und synthetische Kältemittel

In der Klima- und Kältetechnik wird zwischen den natürlichen und synthetischen Kältemitteln differenziert. Die natürlichen Kältemittel sind Stoffe, die in der Natur vorkommen, so z.B. Ammoniak oder Kohlenstoffdioxid. Bei synthetischen Kältemittel verrät es schon der Name. Diese werden durch chemische Verfahren künstlich erzeugt. Es gibt chlorhaltige und chlorfreie synthetische Kältemittel.

Synthetische chlorhaltige Kältemittel:

  • FCKW = vollhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (z.B. R11 und R12)

  • HFCKW = teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (z.B. R123 und R22)

Synthetische chlorfreie Kältemittel:

  • FKW = vollständig fluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (z.B. R14 und R23)

  • HFKW = teilfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (z.B. R32 und R134a)

Umweltproblem - Kältemittel

Aus den vorhergehenden Abschnitten wurde deutlich, ein Kältemittel ist eines der zentralen Bausteine einer Kälteanlage. Vor 1930 wurden die Kälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln befüllt. Weil diese toxisch und leicht entzündlich sind, wurden in den 1930er Jahren die FCKW eingeführt, vor allem wegen ihrer unbrennbaren und ungiftigen Eigenschaft. 1974 stellten die Chemiker Frank Sherwood Rowland und Mario Molina fest, dass die FCKW für den Abbau der Ozonschicht verantwortlich sind. Erst im Jahr 1987 wurde durch das „Montrealer Protokoll“ ein Verbot für FCKW ausgesprochen. Die Nachfolger waren die HFCKW, mit einem signifikant kleineren Ozonabbaupotential. Auch diese wurden nach ein paar Jahren als Übergangslösung deklariert. Seit 2015 sind die HFCKW verboten, d.h. es dürfen keine Befüllvorgänge und keine Wartungsarbeiten an den jeweiligen Kälteanlagen durchgeführt werden. Als Alternative verwendet die Klima- und Kälteindustrie die Fluorkohlenwasserstoffe (FKW und HFKW). Diese haben kein Ozonabbaupotential, befördern aber den Treibhauseffekt. Nichtsdestotrotz sind die Fluorkohlenwasserstoffe heutige Standard-Kältemittel.

Ozonabbau? Treibhauspotenzial? Der eine oder andere fragt sich bestimmt: „Ja, und weiter? Wie betreffen mich diese Thematiken?“

Dies lässt sich schnell und deutlich erklären, ohne darüber eine wissenschaftliche Abhandlung zu halten. Die Ozonschicht schützt uns vor der ultravioletten Strahlung der Sonne. Durch FCKW und HFCKW nimmt die Dichte der Ozonschicht ab. Die unmittelbaren Folgen sind z.B. Hautkrebs durch die hohe Strahlenbelastung. FKW und HFKW befördern die Erderwärmung, welche den Klimawandel in Gang gesetzt hat. Und wir wissen alle was die Folgen des Klimawandels sind…

Doch wie gelangt das Kältemittel in die Atmosphäre?

Die Antwort ist sehr einfach. Durch unsachgerechte Entsorgung der Altanlagen, Leckagen in den Kältemittelleitungen und Verschütten des Kältemittels beim Befüllvorgang einer Anlage. Vor allem in den Entwicklungsländern, mit wenig geschultem Personal und mangelndem Umweltbewusstsein ist das ein großes Problem. Zudem können Konstruktionen der Kälte- und Klimaanlagen ganze Systeme von weitverzweigten Kältemittelleitungen und genauso viele Anschlüsse aufweisen. Kommt es zu einer Leckage, lässt sich die undichte Stelle nicht schnell und leicht identifizieren, das Kältemittel entweicht dann in die Atmosphäre. Deshalb ist es ratsam ein Kältemittel mit einem spezifischen Geruch zu verwenden. Denn je schneller die undichte Stelle gefunden wird, desto weniger Schaden kann die Flüssigkeit anrichten. Bei ortsfesten Kälteanlagen werden die Leitungen sogar in Gebäuden fest verbaut, sodass im Falle einer Leckage, es im schlimmsten Fall unmöglich ist an die undichte Stelle heranzukommen.

F-Gase-Verordnung – eine Lösung?

Mit dem Oberziel Umweltschutz regelt die neue, verschärfte F-Gase-Verordnung [(EU) Nr. 517/2014] die Verwendung von fluorierten Treibhausgasen, den HFKW-Gasen. Dadurch sollen die Treibhausemissionen bis zum Jahr 2050 um 80-95% im Vergleich zu den Werten von 1990 verringert werden. Die umweltschädlichen, in diesem Fall synthetischen Kältemittel, werden schrittweise aus dem Verkehr gebracht. Das Inverkehrbringen von neuen Anlagen und Erzeugnissen, die die F-Gase enthalten, wird durch Auflagen sanktioniert. Deshalb müssen die Hersteller jetzt schon die Wertschöpfungskette der Kälte- und Klimaanlagen umdenken. Es gilt innovative Verfahren in die Prozessentwicklung der Anlagen einzubringen und neue Technologien zu erarbeiten.

Nun gibt es verschärfte Regelungen vor allem im Bereich Dichtheitskontrollen und der Zertifizierung der Betriebe. Demnach müssen große Anlagen (ab 5 Tonnen CO2-Äquivalent) in regelmäßigen Abständen kontrolliert werden. Um eine Einrichtung, die F-Gase beinhaltet zu verkaufen, ist es Pflicht ein zertifiziertes Unternehmen zu sein oder zertifiziertes Personal zu beschäftigen, die eine fachgerechte Installation, Wartung, Instandhaltung und Reparatur gewährleisten können.

Die F-Gase-Verordnung hat bereits kurzfristig ein Ergebnis geliefert. Die aktuelle Lösung des Kältemittelproblems heißt „natürliche Kältemittel“. Damit erfahren die natürlichen Kältemittel wie das Ammoniak ihr Wiederaufleben. Wenn es mal durch eine langjährige und intensive Nutzung zu Leckagen kommen sollte, nimmt die Umwelt keinen Schaden, denn Ammoniak baut die Ozonschicht nicht ab und den Treibhauseffekt fördert es auch nicht. Es gibt auch andere natürliche Kältemittel wie z.B. das CO2, das jedoch die Erderwärmung begünstigt. Allerdings steht das CO2 im Vergleich zu den aktuellen synthetischen Kältemitteln als das kleinere Übel da (GWP CO2 = 1 , GWP R134a = 1430, siehe Grafik ). Die größte Herausforderung für die Betreiber und Hersteller bleiben dennoch die toxischen und entflammbaren Eigenschaften der natürlichen Kältemittel. Deshalb wird auch gleichzeitig nach einer umweltfreundlichen synthetischen Lösung gesucht.

Weil Innovationsunternehmen wie HTPD kontinuierlich an Prototypen tüfteln, finden die natürlichen Kältemittel jetzt schon ihre Verwendung in gewerblichen und sogar privaten Kälte- und Klimaanlagen. So wird bereits weltweit ein natürliches Kältemittel R600a, das sogenannte Isobutan zum Einsatz in privaten Klimaanlagen und Kühlschränken gebracht. Isobutan verträgt sich mit den Ölen in den Komponenten der Klima- und Kältemaschinen. Auch Propan verwendet man immer öfter, allerdings eher in gewerblichen Kälte- und Klimaanlagen. Obwohl beide Stoffe feuergefährlich sind, finden diese immer mehr Verwendung in der Produktion von Klima- und Kälteanlagen.

Um die Frage aus der Überschrift zu beantworten, JA, die F-Gase-Verordnung ist ein nicht gerade kleiner Schritt in die Richtung nachhaltiger Zukunft. Wichtig ist es nicht zu vergessen, dass die Initiative nicht nur vom Staat ausgehen sollte. Die Unternehmen sollten auch aus dem eigenen Antrieb heraus nach optimalen und nachhaltigen Lösungen suchen.

Verbesserungspotenziale und Trends der Kälte- und Klimatechnik

  • Dichtheit: Weil zunehmend mehr natürliche Kältemittel verwendet werden, ist es sehr wichtig Kältemaschinen mit hermetischen Kältemittelkreisläufen bereitzustellen, um mögliche Vergiftungen zu vermeiden. Dementsprechend muss auch das Qualitätsmanagement bei der Produktion der Anlagen auf diese Herausforderung eingestellt werden.

  • Reduktion der Kältemittelfüllmengen: Durch kleinere Kältemittelfüllmengen wird bei einer Leckage ein nicht so großer Schaden entstehen. Zusätzlich werden Kosten bei der Nachfüllung gespart. Anhand optimaler Gestaltung vom Verdampfer und/oder Wärmetauscher ließe sich die Kältemittelfüllmenge reduzieren.

  • Energieeffizienz: Mit steigenden Energiepreisen, erwächst auch die Nachfrage nach stromsparsameren Kühlgeräten. Höhere Energieeffizienz ließe sich z.B. durch bessere Verschaltung der Komponenten bewerkstelligen.

  • Smarte Kälteregelung: Heutige Kälteanlagen arbeiten meistens fast das ganze Jahr über im Teillastbetrieb. Richtig effizient arbeiten die Anlagen aber erst im Vollastbetrieb. Verbesserungspotenziale ergeben sich durch Vernetzung der einzelnen Anlagekomponenten, sodass ein Herunterfahren auf Teillastbetrieb keine Effizienzeinbußen mit sich trägt. In der Praxis könnte dieser Trend durch einen drehzahlgeregelten Kompressor realisiert werden.

  • Smart Grid: Eingliederung der Kälteanlagen in das intelligente Stromnetz, sodass auch bei Stromversorgungsschwankungen ein effizienter Betrieb der Anlage möglich ist.

  • Wärmerückgewinnung: Die durch den Verdichtungsprozess entstehende Wärme kann zum Heizen oder zur Wassererwärmung genutzt werden.

Zusammenfassend gesagt:

Die umweltschädlichen Kältemittel werden nach und nach verboten. Die Kälte- und Klimaanlagenhersteller sehen großen Veränderung der Klima-Kälte-Wertschöpfungskette entgegen. Die verschärfte F-Gase-Verordnung unterstützt die Suche nach neuen Kältetechnologien. Aktuell findet ein Umstieg auf natürliche Kältemittel statt. Weitere Herausforderungen wie die Konzeption von smarten und energieeffizienten Geräten besetzen die ersten Plätze der Agenda von den Kälte- und Klimatechnikproduzenten.

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