WIR ARBEITEN SCHON HEUTE MIT DER KÄLTE VON MORGEN

DIE ZUKUNFT LIEGT IN DEN NATÜRLICHEN KÄLTEMITTELN.

"Als Unternehmer, Kältetechniker und Familienvater sehe ich uns in der Verantwortung daran zu arbeiten, dass wir die Kältetechnik effizienter, sicherer und besser machen. Nicht nur im Sinne unserer Kunden, sondern vor allem im Sinne der kommenden Generationen und unserer Umwelt. Daher sind wir als Unternehmen schon lange mit dem Einsatz von natürlichen Kältemitteln vertraut und auf dem neuesten Stand der technischen Entwicklung. Denn schließlich ist es unser aller Zukunft."

 

Ihr Christoph Peters

WARUM NATÜRLICHE KÄLTEMITTEL?

Natürliche Kältemittel sind keine Neuheit, einige haben sich schon lange Zeit in der Kältetechnik bewährt, wie z.B. Ammoniak, CO2 aber auch Kohlenwasserstoffe. Sie sind sofort, in unbegrenzter Menge preiswert verfügbar und können nahezu jede Kälteanwendung abdecken. Kältemittel wie Wasser und Luft sind für spezielle Anwendungen gut geeignet, bedürfen aber noch weiterer Forschung um kommerziell nutzbar zu sein.

 

Aus Kostengründen, fehlenden technischen Möglichkeiten und mangelndem Wissen über die langfristige Schädigung unserer Umwelt waren die syntetischen Kältemittel die erste Wahl.

 

Neben der Umweltverträglichkeit zeichnen sich natürliche Kältemittel durch eine hohe Energieeffizienz aus und reduzieren daher auch den indirekten Treibhauseffekt. Der technische Fortschritt im Kälteanlagenbau macht es heutzutage möglich, diese Kältemittel sicher, effizient und kostensparend einzusetzen.

 

Bei der Entscheidung, welches Kältemittel in einer Kälte- oder Klimaanlage eingesetzt werden soll, sind Sicherheit, Kosten und Umweltschutz die wesentlichen Kriterien. Vor dem Hintergrund kontinuierlich steigender Energiepreise spielt aber auch der Energieverbrauch einer Anlage eine zunehmend wichtigere Rolle. Idealerweise sollte das verwendete Kältemittel exzellente thermodynamische Eigenschaften, eine hohe chemische Stabilität und gute physische Eigenschaften besitzen. Zudem sollte es keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Umwelt haben und außerdem kostengünstig und weltweit verfügbar sein.  

 

Allerdings gibt es kein Kältemittel, welches alle diese Anforderungen erfüllt. In der Praxis ist deshalb die Entscheidung für das am besten geeignete Kältemittel von einer Reihe unterschiedlicher Faktoren abhängig. Dabei spielen das Einsatzgebiet und die Anforderungen des Betreibers  ebenso eine Rolle, wie Aufstellungsort und Umweltaspekte. Entscheidenden Einfluss auf den Energieverbrauch hat jedoch vor allem die Auslegung der gesamten Kälteanlage unter Berücksichtigung von Teillastbedingungen, da die Effizienz einer Kälteanlage stärker durch das Gesamtkonzept beeinflusst wird, als durch die Wahl des Kältemittels. Allerdings zeigen eine Reihe aktueller Projekte, dass Anlagen gerade dann effizient und umweltschonend arbeiten, wenn sie natürliche Kältemittel einsetzen.

 

Natürliche Kältemittel sichern auf Dauer Investitionen und die Umwelt!

DIE NATÜRLICHEN KÄLTEMITTEL – EIN ÜBERBLICK.

AMMONIAK

Ammoniak ist wohl eines der ältesten Kältemittel mit den nachweislich besten thermodynamischen Eigenschaften. Es ist das einzige natürliche Kältemittel, das so effizient ist, dass die Industrie nie darauf verzichten wollte. Aus ökologischer Sicht ist Ammoniak unschlagbar, da es weder zum Abbau der Ozonschicht noch zur Klimaerwärmung beiträgt.

 

Ammoniak ist leichter als Luft und verflüchtigt sich nach oben. Eine Außenaufstellung auf dem Dach ist daher besonders günstig. Aufgrund des charakteristisch stechenden Geruchs hat Ammoniak ein eingebautes „Frühwarnsystem“ und ist nicht gefährlicher als herkömmliche Kältemittel. Viele Leute sind erstaunt zu hören, dass Gaswarnanlagen und Lüftungssysteme für Ammoniakanlagen nicht viel anders und auch nicht teuerer sind als für Anlagen mit synthetischen Kältemitteln, die bei einer Leckage Sauerstoff verdrängen und zum Ersticken führen können.

 

VORBEHALTE

Vorbehalte gegen Ammoniak gibt es wegen der Brennbarkeit, wobei jedoch eine bestimmte Konzentration von 15 bis 28% erforderlich ist.

 

Auch ist Ammoniak als explosiv eingestuft, jedoch ist dies äußerst schwierig zu erreichen, da eine sehr hohe Zündtemperatur (651°C) erforderlich ist. Ein Ex-Schutz ist daher ausdrücklich nicht erforderlich!  Die Einstufung von Ammoniak erfolgte bisher in der gleichen Sicherheitskategorie wie 1234yf. Verwunderlich ist die Einstufung von 1234ze in eine Untergruppe 2L gemäß ISO 817, obwohl die Zündtemperatur von 1234yf deutlich niedriger liegt (405°), nur weil die Ausbreitung der Flammen niedriger ist als bei Ammoniak. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Brennbarkeit und Explosivität in Kombination mit Kältemaschinenölen steigt. Ob die Einstufung dann noch in der neu geschaffenen Kategorie erfolgen kann darf in Frage gestellt werden.

 

Ammoniak ist giftig, aber der stechende Geruch verhindert eine gesundheitsschädigende Wirkung, solange eine Person fliehen kann. Der Geruch ist bereits oberhalb von etwa 20 ppm wahrnehmbar, eine gesundheitsschädigende Wirkung entsteht aber erst oberhalb ca. 1000 ppm). Wie immer bestimmt die Konzentration einer Substanz über die Giftigkeit!

ANFORDERUNGEN

Bei Ammoniak Anlagen ist kein Kupfer im System erlaubt, da sonst mit Korrosion zu rechnen ist. (Davon ausgenommen sind spezielle Bronze-Legierungen.) Flanschverbindungen sollten minimiert und möglichst keine Schraubverbindungen verwendet werden. Schweißverbindungen sind in Ammoniak Anlagen die beste Wahl. Allerdings gilt dies auch, wenn Systeme mit anderen Kältemitteln hermetisch dicht ausgeführt werden sollen.

 

Ein gutes Ölmanagement ist, wie in allen Anlagen wichtig, wobei Öl mit Ammoniak normalerweise nicht mischbar ist und sich am Boden absetzt. (Einige betrachten dies als großen Vorteil). Es gibt aber auch neuere Untersuchungen mit ammoniaklöslichen Ölen. Gaswarnanlage und Belüftungssystem sind erforderlich, wie bei anderen  Kälteanlagen auch.

 

Da Ammoniak leichter ist als Luft, sollte die Anlage, wo immer möglich, auf dem Dach installiert werden.

 

Ammoniak darf nicht ins Abwasser gelangen, allerdings entstehen keine Langzeitschäden, da Ammoniak innerhalb weniger Tage in natürliche Stoffe umgewandelt wird.

 

Gut geschultes Personal ist der Schlüssel zum sichern Umgang mit Ammoniak-Kälteanlagen. Dies wird deutlich wenn man bedenkt, dass Unfälle fast ausschließlich bei Servicearbeiten durch Bedienfehler auftreten.

POTENTIALE

Lange Zeit wurde gar nicht oder nur wenig auf dem Gebiet der Ammoniak Anwendungen geforscht, da alles bekannt schien. Erst nachdem Beschränkungen synthetischer Kältemittel wirksam und das Interesse nach energieeffizienten Anlagen gestärkt wurden, ist Ammoniak wieder für die Forschung interessant geworden. 

 

Einen Schwerpunkt stellen hermetisch dichte Systeme mit kleinen Füllmengen dar. Dazu gehört die Entwicklung von kleinen semihermetischen und hermetischen Verdichtern mit Leistungen unterhalb 100 kW.

 

Auch die Entwicklung von Wärmetauschern mit reduzierter Füllmenge, z.B. Platten oder Microchannel Wärmetauscher als Verflüssiger, aber auch Verdampfer, gehen in diese Richtung. Ein vereinfachtes Ölmanagement mit löslichen Ölen, um auch DX Anlagen zu ermöglichen, ist darüber hinaus Inhalt von Forschungsprojekten.

 

Wann immer Ammoniak Kälteanlagen geplant werden sollte beachtet werden, dass sich die Füllmenge überwiegend auf der Niederdruckseite befindet, da diese Anlagen weniger anfällig für Probleme sind. Eine Hochdruckschwimmer-Regelung hat sich dabei seit Jahrzehnten bewährt.

KOHLENDIOXID- CO2

In den vergangenen etwa 10 Jahren hat das Interesse an CO2 Kälteanlagen wieder stetig zugenommen. Nestlé war dabei der erste global agierende Konzern der offiziell verlauten ließ, ausschließlich natürliche Kältemittel einzusetzen, wann immer dies möglich ist. Nestlé hat die Entwicklung von NH3/CO2 Kaskaden Systemen vorangetrieben und mit vielen großen Industrieanlagen z.B. in UK, Frankreich, USA, und Japan bewiesen, dass der Betrieb zuverlässig und energiesparend ist. Andere Firmen und Länder folgten diesem Beispiel und so wurden viele große NH3/CO2 Kaskaden Anlagen in den Niederlanden installiert. Gefördert wurde dieser Trend sicher auch durch Steuererleichterungen in den Niederlanden. Einen ähnlichen Erfolg hat die skandinavische Besteuerung der synthetischen Kältemittel. Skandinavien hat sich so zum Vorreiter von Kälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln entwickelt. In Deutschland sollen in den kommenden 2 Jahren Anlagen mit CO2 staatlich gefördert werden, so dass auch hier mit steigendem Interesse an CO2 Kälteanlagen zu rechnen ist.

 

Kohlenwasserstoff hat eine 5 bis 8 fache volumetrische Kälteleistung im Vergleich zu sonst üblichen Kältemitteln. Daher können Komponenten kleiner ausfallen und Rohrleitungen mit geringerem Durchmesser gewählt werden. Aufgrund der exzellenten Wärmeübertragung können Wärmetauscher kleiner gebaut, bzw. kleinere Temperaturdifferenzen bei gleicher Übertragungsfläche gewählt werden. Die niedrige Viskosität ergibt geringe Druckverluste und deshalb sinkt die erforderliche Pumpenergie. 

 

Auf der anderen Seite ist der Betriebsdruck 7 bis 10 fach höher als bei üblichen Kältemitteln und die Verdichterendtemperatur liegt höher als üblich. Da am sogenannten Triplepunkt, bei –56°C, Trockeneis gebildet wird, sind Tiefkühlanwendungen unterhalb – 55°C nicht möglich. Oberhalb von 31°C arbeitet ein CO2 Kältesystem im überkritischen Bereich.

 

Die überkritische, oder auch transkritische Verdichtung, ist eine der Betriebsweisen in einem System das vollständig mit CO2 arbeitet. Während kühlerer Temperaturen arbeitet CO2 als bekanntes unterkritisches, verflüssigendes Kältemittel. Erst bei heißem Wetter (typischerweise oberhalb 29°C Lufttemperatur im Verflüssiger) wird der überkritische Zustand erreicht.  Der Energieverbrauch ist abhängig vom Druckverhältnis und es existiert ein optimaler Druck im Gaskühler, bei dem der Energieverbrauch am geringsten ist. Weicht man nur wenig von diesem optimalen Druck nach oben oder unten ab, steigt der Energieverbrauch unproportional zur erzeugten Kälteleistung. Dies ist sicherlich ungewohnt zumal der optimale Druck für verschiedene Temperaturen unterschiedlich ist. Daher sollte man bei Energievergleichen immer kritisch prüfen, ob der optimale Druck im Gaskühler berücksichtigt wurde.

 

ENERGIEEFFIZIENZ VON CO2-KÄLTEANLAGEN

CO2 Systeme arbeiten im überkritischen Bereich weniger effizient als die üblichen Kältemittel. Jedoch werden die meisten Systeme, speziell in gemäßigten Breiten, die meiste Zeit des Jahres im unterkritischen Bereich betrieben. CO2 Systeme sind effizienter als konventionelle Systeme mit synthetischen Kältemitteln wenn sie unterkritische betrieben werden (CO2 Temperatur < 31,2°C). Über das gesamte Jahr gesehen sind CO2 Kälteanlagen daher häufig energie-effizienter als solche mit synthetischen Kältemitteln. Besonders geeignet ist CO2 auch für die Wärmerückgewinnung oder für Wärmepumpenanwendungen.

 

VORBEHALTE

Vorbehalte gegen CO2 sind vor allem im höheren Betriebsdruck begründet, der stabilere Komponenten erfordert. Häufig wird die robustere Bauweise jedoch durch die kleinere mögliche Baugröße kompensiert.

 

Aufgrund der geringen Nachfrage waren Preise für CO2 Komponenten häufig noch ca. 10 bis 30% teurer. Die steigende Nachfrage hat sich bereits bemerkbar gemacht und so ist zu beobachten, dass die Preise vergleichbar werden mit üblichen Systemen. Auch Steuerungssysteme werden häufig kompliziert ausgeführt, obwohl

dies in den meisten Fällen gar nicht erforderlich wäre.

 

Das geruchlose CO2 macht eine Leckerkennung schwierig. Allerdings gilt dies auch für alle synthetischen Kältemittel. Fehlendes Fachwissen und Ignoranz stellen häufig die größte Hürde für den Einsatz von Kohlendioxid Kälteanlagen dar.

ANFORDERUNGEN

Natürlich gibt es auch bei CO2 Kälteanlagen einiges zu beachten:

 

Nur trockenes CO2 kann als Kältemittel verwendet werden (<10 ppm Feuchte), da sonst Eis und Hydrate gebildet werden können und Öl unter Feuchtigkeit Säuren bildet.

 

Das System muss sauber sein, da CO2 ein exzellentes Lösungsmittel ist und innerhalb der ersten Wochen Schmutz und Korrosionsschutzflüssigkeit aus der Anlage gespült wird.

 

Die erforderlichen Befüll- bzw. Entleerungsanforderungen müssen beachtet werden, damit Trockeneis nicht die Leitungen verstopfen kann.

POTENTIALE

CO2/NH3 Kaskaden sind heute schon in der Industrie Standard. Auch für Supermarktanwendungen sind Systeme mit synthetischen Kältemitteln auf der Hochdruckseite und CO2 für den Tieftemperaturbereich bereits üblich.

 

Ammoniak oder R717 auf der Hochdruckseite, in Kombination mit  einem Kälteträger für die Mitteltemperatur und Kohlendioxid für die Tieftemperaturseite, stellt häufig die bessere Alternative dar.

 

Wärmepumpenanwendungen mit Kohlendioxid sind in Asien bereits sehr beliebt und es ist abzusehen dass andere Länder folgen werden.

 

In „gemäßigten Breiten“ (z.B. bei einer Durchschnittstemperatur unter +15°C) oder bei hoher Luftfeuchtigkeit werden sich auch überkritische Systeme durchsetzen.

 

Welche Anlage sinnvoll eingesetzt werden kann sollte jedoch von Fall zu Fall geprüft werden.

KOHLENWASSERSTOFFE

Kohlenwasserstoffe eignen sich hervorragend als Kältemittel. Sie sind gut mit gängigen Kälteölen mischbar und die kritische Temperatur liegt relativ hoch. Als Kältemittel kommen hier vor allem Butan, Propan und Propen in Betracht.

 

BUTAN – R600A

Butan hat gute thermodynamische Eigenschaften und einen niedrigen Druck (bei 40°C hat Butan 5 bar, R134a bereits 10 bar und R404 schon 18 bar). Aufgrund des niedrigen Massenstroms kommt es zu geringen Druckverlusten und hoher Effizienz der Kompressoren, weshalb kleinere Kompressoren mit hohem COP eingesetzte werden können. Insgesamt zeichnet sich Butan durch ein besseres Betriebsverhalten verglichen mit konventionellen Kältemitteln aus und hat dabei eine geringere Kältemittelfüllung.

 

Den größten Erfolg als Kältemittel hat Butan in den mehr als 300 Mio. Haushaltskühlschränken, die im Einsatz sind. Dabei hat sich herausgestellt, dass Kühlschränke mit Butan sicher betrieben werden können. Nennenswerte Vorfälle sind nicht bekannt. Und dabei funktionieren moderne Kühlschränke heute effizienter wie nie und sind dabei auch noch leise.

 

Zunehmend wird Butan in kleineren kommerziellen Kälteanlagen eingesetzt. So ließ Pepsi z.B. verlauten, dass Kohlenwasserstoffe aufgrund der besseren Energieeffizienz im Vergleich zu den bisher verwendeten synthetischen Kältemitteln, bevorzugt in Getränkekühlern mit Füllmengen bis 150g eingesetzt werden sollen. In größeren Kühlern und in Ländern, in denen brennbare Kältemittel nicht zugelassen sind, soll CO2 als Kältemittel eingesetzt werden. Die Umweltbehörde der USA, EPA (Environmental Protection Agency), die wegen der Produkthaftungsgesetze dafür bekannt ist besonders kritisch gegenüber sicherheitsgefährdenden Stoffen zu handeln, hat zum ersten Mal einen Feldversuch mit bis zu 2000 Kühltruhen, die mit brennbaren Kältemitteln gefüllt sind, zugelassen. Dies könnte als Durchbruch in der westlichen Welt gewertet werden.

 

PROPAN –  R290

Propan hat sehr ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie R22 und daher können die bekannten R22 Systeme verwendet werden. Die Verträglichkeit von Materialien und Wärmetauschern ist gegeben, bei elektrischen Komponenten muss auf einen erforderlichen Ex-Schutz geachtet werden.

 

Im Vergleich zu R22 ergibt sich ein besseres Betriebsverhalten bei hohen Umgebungstemperaturen. Im Vergleich zu R134 ist das Betriebsverhalten ähnlich und es ist besser als R404a, obwohl die Betriebsfüllung deutlich geringer ist. Seit 2000 bieten bekannte Hersteller Verdichter für Propan an.

 

Grundsätzlich könnte Propan überall dort eingesetzt werden wo heute noch R22 verwendet wird. In einigen Ländern, speziell im asiatischen Raum, wird Propan als Drop-in verwendet. In zentralen Klimaanlagen, z.B. in Malaysia, Thailand, Philippinen, Indonesien und Singapur, wurde mit Erfolg R22 gegen Propan ausgetauscht.

 

Bei der Umstellung von R22 auf Propan wurde berichtet, dass nur kleinere Anpassungen erforderlich waren, weil z.B. das Öl in Tieftemperaturanwendungen gegen höher viskoses Öl getauscht werden musste. Dabei wurde beobachtet, dass Propananlagen bei niedrigerem Saugdruck betrieben werden und deutlich schneller heruntergekühlt werden können. In allen Fällen wurden Energieeinsparungen beobachtet, die zwischen 10 und 30% lagen.

 

In Industriezweigen, die den Umgang mit brennbaren Stoffen gewohnt sind, wurde Propan und Propen immer schon als Kältemittel genutzt, häufig mit einigen Tonnen Füllmenge. Erst in letzter Zeit entscheiden sich immer mehr global agierende Konzerne für Propan als Kältemittel in gewerblichen Anlagen.

 

In einem Feldversuch, der von Unilever während der Olympischen Spiele in Australien durchgeführt wurde, konnte eine durchschnittliche Energieeinsparung von 9% gegenüber den gleichen Systemen mit R134a beobachtet werden.

 

VORBEHALTE

Aufgrund der Brennbarkeit sind hermetisch dichte Systeme erforderlich. Dies gilt aber auch für synthetische Kältemittel, wenn keine Leckagen zugelassen werden. Zum Schutz vor Explosionen ist ein Ex-Schutz für elektrische Komponenten vorgeschrieben. Komponenten dafür werden aber von den großen Herstellern angeboten.  Die Kältemittelfüllung ist gemäß einigen Regelwerken begrenzt. Z.B. schreibt die EN 378 eine Füllmengenbegrenzung von max. 150 g für Kohlenwasserstoffe vor. Allerdings fehlt die technische Grundlage für diese Begrenzung. Sinnvoller wäre sicherlich eine Füllmengenbegrenzung, die an die Gegebenheiten, wie z.B. Aufstellungsort oder Größe des Maschinenraums, angepasst wird.

 

Das es möglich ist, mit brennbaren und explosionsgefährdeten Stoffen sicher umzugehen, beweisen tausende Tankstellen in Europa jeden Tag. Heutzutage wäre es wahrscheinlich undenkbar dafür eine Zulassung zu erhalten, zumal die Bedienung von ungeschultem Personal erfolgt. Der Gedanke an wenige Gramm Propan in einer Autoklimaanlage lässt viele von uns erschauern. Einen Gedanken an brennbares Gas im Tankraum, mit einem Fassungsvermögen von 50 bis 70 l, verschwendet kaum jemand.

 

Warum also massive Vorbehalte gegen Kohlenwasserstoffe als Kältemittel bestehen, obwohl hier doch überwiegend geschultes und sachkundiges Personal mit den Anlagen umgeht, ist nicht einfach nach zu vollziehen.

 

Bei guter Planung und Betreuung der Anlagen durch Fachpersonal stellen Kohlenwasserstoffe eine gute Alternative dar.

ANFORDERUNGEN

Bei der Konzeption einer Kälteanlage mit Kohlenwasserstoffen ist es wichtig, dass mögliche Zündquellen frühzeitig identifiziert und schon während der Planung eliminiert werden (z.B. Ex- geschützte Verdichter).

 

Die Konstruktion und Herstellung der Anlage sollte mögliche Leckagen verhindert (z.B. durch Reduzieren von Verb

indungsstellen und gutem Korrosionsschutz).

 

Durch geeignete Aufstellung kann gewährleistet werden, dass sich Gas verflüchtigen kann, wenn es doch zu einer Leckage kommt (geeignete Belüftung, Dachinstallation).

 

Besonders wichtig ist eine eindeutige Kennzeichnung der Komponenten, die Kohlenwasserstoffe enthalten, damit Servicetechniker die notwendigen Vorkehrungen treffen.

 

Am wichtigsten ist aber sicher die Schulung von Servicetechnikern und Betriebspersonal mit exzellentem Schulungsmaterial, denn der unsachgemäße Umgang

stellt das höchste Risiko dar.

 

 

POTENTIALE

Hermetisch dichte, vorgefertigte Flüssigkeitskühlsätze reduzieren die Wahrscheinlichkeit einer Leckage nahezu vollständig. So gesehen können auch synthetische Kältemittel verwendet werden.

 

Da sich aber gezeigt hat, dass Kohlenwasserstoffe zu deutlichen Energieeinsparungen führen, wäre es unverantwortlich diese Möglichkeit nicht in Betracht zu ziehen!

 

Nicht umsonst haben einige Konzerne bereits angekündigt neue Kälteanlagen mit Kohlenwasserstoffen betreiben zu wollen.

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