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Einzige Fachzeitschrift für Industrie-, Gewerbe-, Klimakälte und Wärmepumpen

Schon seit längerer Zeit wird die Debatte über natürliche versus synthetische Kältemittel geführt und darüber, welche Gruppe sich letztlich besser für den Einsatz als «Transportbehälter für die Wärme» in Kältesystemen eignet. Eine eindeutige Antwort auf diese Frage kann auch in Zukunft nicht erwartet werden, kollidieren doch verschiedene Interessen und Bedürfnisse miteinander.

Je nach Fokussierung ergeben sich unterschiedliche Anforderungen, welche die jeweiligen Ansichten erfüllt sehen wollen:

  • Ökologische Anforderungen
  • Energetische Anforderungen
  • Kältetechnische Anforderungen (Materialaufwand, Arbeitsdrücke, Kompatibilität, etc.)
  • Anforderungen an die Sicherheit
  • Weitere

Je mehr Anforderungen ein Konsumgut aber erfüllen muss, desto mehr Kompromisse müssen eingegangen werden. Denn wie so oft ist es auch hier nicht möglich, alle Wünsche in idealer Weise zu erfüllen, zumal sich einzelne Punkte durchaus auch widersprechen können.

Primär Sicherheit und Stabilität

Waren in der ersten Generation der Kältemittel (bis 1930) noch keine spezifischen Entwicklungen erhältlich, wurden danach durch die chemische Industrie entsprechende Produkte für alle möglichen Einsatzgebiete bereitgestellt. Die damalige Fokussierung zielte dabei primär auf die Sicherheit und Stabilität der Stoffe ab.

Gerade das Erfüllen dieser beiden Eigenschaften machte ab 1990 den Ersatz dieser Kältemittel notwendig: Die grosse Stabilität verbunden mit einer entsprechenden Langlebigkeit ergab einen heute nicht mehr tolerierbaren Treibhauseffekt. Zudem erreichten solch persistente Stoffe nach einer Reisedauer von 15 bis 30 Jahren auch die Ozonschicht, welche durch das enthaltene Chlor ausgedünnt wurde.

Die Diskrepanz zwischen der Anforderung nach ­Stabilität gegenüber rascher ­Abbaubarkeit wurde immer grösser.

Daher werden seit 1992 sukzessive immer leichter abbaubare und damit weniger stabile Kältemittel gefordert. Dies hat zuerst zur Einführung der H-FKW’s und später zu den HFO’s geführt. Die Diskrepanz zwischen der Anforderung nach Stabilität gegenüber schneller Abbaubarkeit wurde somit immer grösser.

Kohlenstoff als zentrales Element

Sowohl die H-FKW wie auch die HFO bestehen ausschliesslich aus Kohlenstoff als zentrales Element im Molekül sowie Fluor und Wasserstoff, welche ersteren umgeben. Während aber die H-FKW auf Kohlenwasserstoffen mit Einfachbindungen (Alkane) bestehen, kommen für die HFO als Basismolekül Kohlenwasserstoffe mit Mehrfachbindung zum Einsatz (Alkene). Die Abbildung zeigt den Unterschied zwischen Alkanen und Alkenen am Beispiel Ethan und Propylen mit jeweils den beiden Derivaten R134a und R1234yf.

Alkene weisen eine deutlich kleinere Stabilität auf als Alkane. Daher wurden letztere ursprünglich als Basis für Kältemittel abgelehnt. Dies galt auch für die reinen Kohlenwasserstoffe ihrer Brennbarkeit wegen, egal ob Alkan oder Alken. Man folgte folgendem Paradigma:

Schneller abbaubare Kältemittel ­gefordert

Erst die Forderung nach schneller abbaubaren Kältemitteln zugunsten eines tiefen GWP liessen eine erneute Beurteilung der HFO bezüglich ihrer Eignung als Kältemittel sinnvoll erscheinen. Aufgrund zwischenzeitlich geänderter Rahmenbedingungen fiel diese erneute Beurteilung anders aus. Folgende Erkenntnisse führten zu diesem anderen Resultat:

  • Besser ausgebildete Fachleute erkennen heute die Notwendigkeit sauberen Arbeitens. Zudem wird heute in der Ausbildung auf die diesbezüglich geänderten Anforderungen aufmerksam gemacht.
  • Daher sind heutige Fachpersonen auch besser motiviert, die bekannten Doktrinen bezüglich Montage und Service auch tatsächlich umzusetzen.
  • Neue Arbeitstechniken ermöglichen heute ein saubereres Arbeiten ohne dadurch den Aufwand gross zu steigern.
  • Es sind heute Materialien üblich, welche mit den HFO kompatibel sind und keine chemischen Reaktionen begünstigen. Dies gilt sowohl für Montagematerialien wie auch für die eingesetzten Schmierstoffe.

Somit konnte ein entsprechender Paradigmenwechsel stattfinden, welcher sich heute wie folgt ausnimmt:

Um innerhalb des Kältesystems die Stabilität der neuen Kältemittel bei allen auftretenden Drücken und Temperaturen trotzdem garantieren zu können, mussten somit die Anforderungen an Sauberkeit bei Montage und Service erhöht werden. Da sich diese Kältemittel an der Luft vor allem mit Hilfe des Sauerstoffs abbauen, muss dieser innerhalb des Systems vermieden werden. Sauerstoffträger sind:

  • Luft
  • Feuchtigkeit
  • Zunder
  • Flussmittel

Die Anforderungen an Sauberkeit bei Montage und Service mussten erhöht werden

Viele Regeln für Montage und Service an Kältesystemen sind schon lange bekannt, die konsequente Umsetzung erfolgt allerdings erst seit der Einführung der HFO mehr und mehr:

  • Beim Löten an Kälteleitungen muss formiert werden, um die Zunderbildung zu vermeiden.
  • Es dürfen sich nach dem Löten keine Flussmittelrückstände in der Leitung befinden.
  • Beim Vakuumieren muss der Wasserdampfdruck deutlich unterschritten werden. Wünschenswert wären 0,25 mbar absolut.
  • Das Vakuum soll mindestens 1× mit trockenem Stickstoff gebrochen werden.

Kompromiss zwischen Umweltschutz und Brennbarkeit

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: Einem HFO (A2L) wird solange ein H-FKW (A1) mit ähnlicher Dampfdruckkurve beigemischt, bis die Mischung in die Klasse A1 eingeteilt werden kann. Damit ist der GWP kleiner als beim reinen H-FKW. (Unten ein Beispiel)

Der Vorteil von R466A liegt in der Einteilung als un­brennbares Produkt in die Klasse A1 gegenüber reinem R32 (Klasse A2L).

In der Vergangenheit wurde bei den als Kältemittel eingesetzten KW-Derivaten der Wasserstoff durch die Halogene Fluor, Chlor und/oder Brom ersetzt. Sukzessive wurde durch die Politik aus Umweltschutzgründen zuerst das Brom und danach auch das Chlor (ODP) verboten. Auf der Suche nach besagtem Kompromiss zwischen Umweltschutz und Sicherheit geht Honeywell nun hier einen neuen Weg. Denn die Gruppe der Halogene besteht nicht nur aus genannten drei Elementen. So hat dieser Hersteller nun das Iod für sich entdeckt: das Methanderivat R13I1 (39,5%) wird mit R32 (49%) und R125 (11,5%) zur Mischung R466A. Damit ergibt sich ein GWP von 733, was nur leicht über diesem von reinem R32 mit 675 liegt.

Der Vorteil von R466A liegt aber in der Einteilung als unbrennbares Produkt in die Klasse A1 gegenüber reinem R32 (A2L). Wie sich R466A nach seiner Markteinführung 2019 als Ersatz für R410A behaupten wird, bleibt abzuwarten. Auch ist durchaus denkbar, dass das R13I1 auch in weiteren Mischungen auftauchen kann. Inwieweit sich der Einsatz als Kältemittel auch als Reinstoff eignet, kann an dieser Stelle noch nicht beurteilt werden. Der kritische Punkt liegt bei 123,29 °C und 39,53 bar. Der Siedepunkt bei atmosphärischem Normdruck liegt bei -22,5 °C. Nicht unerwähnt bleiben sollte auch, dass das Molekül R13I1 einen, wenn auch sehr geringen, ODP besitzt. In Europa beispielsweise wird ein ODP von 0 gefordert.

Dass diesbezüglich Gespräche geführt wurden zeigt sich darin, dass die überarbeitete ChemRRV keinen ODP von «0» mehr fordert.