Halogenfreie (natürliche) Kältemittel

NH₃ (Ammoniak) als Alternativ-Kältemittel

Das Kältemittel NH3 wird seit über einem Jahrhundert in Industrie- und Großkälteanlagen eingesetzt. Es hat kein Ozonabbaupotenzial und keinen direkten Treibhauseffekt. Die Wirtschaftlichkeit ist mindestens so gut wie mit R22, in Teilbereichen sogar günstiger; damit ist auch der Beitrag zum indirekten Treibhauseffekt gering. Außerdem ist NH3 konkurrenzlos billig. Zusammengefasst also ein ideales Kältemittel und ein optimaler Ersatz für R22 oder eine Alternative für HFKWs!?
In der Tat hat NH3 recht positive Eigenschaften, die in Großkälteanlagen auch weitgehend nutzbar sind.

Leider gibt es auch negative Aspekte, die eine breite Verwendung im Gewerbebereich wesentlich einschränken oder kostspielige, teilweise neu zu entwickelnde technische Lösungen erfordern.

Nachteilig bei NH3 ist zunächst der hohe Adiabatenexponent (NH3 = 1,31 / R22 = 1,19 / R134a = 1,1), der eine noch deutlich höhere Druckgastemperatur zur Folge hat als bei R22. Einstufige Verdichtung unterliegt dadurch schon unterhalb etwa -10°C Verdampfungstemperatur gewissen Einschränkungen.

Auch die Frage nach geeigneten Schmierstoffen für kleinere Anlagen ist noch nicht für alle Anwendungsbedingungen abschließend gelöst. Die bisher meist verwendeten Mineralöle und Poly-Alpha-Olefine sind mit dem Kältemittel nicht löslich. Sie müssen mit aufwändiger Technik abgeschieden werden und schränken auch den Einsatz „trockener Verdampfer“ – wegen Beeinträchtigung der Wärmeübertragung – wesentlich ein.

Bedingt durch die hohen Druckgastemperaturen sind auch besondere Anforderungen an die thermische Stabilität der Schmierstoffe zu stellen. Dies gilt besonders unter dem Gesichtspunkt eines automatischen Betriebs, bei dem das Öl jahrelang im Kreislauf verbleiben soll und dabei keinesfalls an Stabilität verlieren darf. NH3 hat eine außerordentlich hohe Enthalpiedifferenz und damit einen vergleichsweise geringen umlaufenden Massenstrom (ca. 13 bis 15% im Vergleich zu R22). Diese für Großanlagen günstige Eigenschaft erschwert die Einspritzregelung bei kleinen Leistungen.

Als weiteres Kriterium ist die korrosive Wirkung gegenüber Kupferwerkstoffen anzusehen; Rohrleitungen müssen deshalb in Stahl ausgeführt werden. Außerdem ist damit auch die Entwicklung NH3-beständiger Motorwicklungen, als Basis für eine halbhermetische Bauweise, wesentlich behindert. Erschwerend hinzu kommt dabei noch die elektrische Leitfähigkeit des Kältemittels bei höherem Feuchtigkeitsanteil.

Zu den weiteren Eigenschaften gehören Toxizität und Brennbarkeit, die besondere Sicherheitsvorschriften für Bau und Betrieb solcher Anlagen erfordern.

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Bezogen auf den bisherigen „Stand der Technik“ erfordern industrielle NH3-Systeme eine – im Vergleich zu üblichen Gewerbesystemen – völlig andere Anlagentechnik.

Wegen der Unlöslichkeit mit dem Schmieröl und den spezifischen Eigenschaften des Kältemittels sind hoch effiziente Ölabscheider sowie überflutete Verdampfer mit Schwerkraftumlauf oder Pumpensystem üblich. Wegen möglicher Gefahren für Menschen und Kühlgut kann der Verdampfer auch häufig nicht direkt an der Wärmequelle angeordnet werden. Der Wärmetransport muss dann über einen Sekundärkreislauf erfolgen.

Auf Grund des ungünstigen thermischen Verhaltens müssen schon bei mittleren Druckverhältnissen zweistufige Verdichter oder – bei Schraubenverdichtern – reichlich dimensionierte Ölkühler eingesetzt werden.

Kältemittelleitungen, Wärmeübertrager und Armaturen sind in Stahl auszuführen – Schweißverbindungen bei Rohrleitungen größerer Dimension unterliegen außerdem einer Prüfpflicht durch Sachverständige.

In Abhängigkeit von Anlagengröße und Kältemittelfüllmenge sind entsprechende Sicherheitseinrichtungen sowie spezielle Maschinenräume vorzusehen.

Der Kältemittelverdichter wird üblicherweise in „offener Bauart“ ausgeführt, der Antriebsmotor ist ein separates Bauteil.

Diese Maßnahmen erhöhen den Aufwand für NH3-Anlagen, insbesondere im Bereich mittlerer und kleinerer Leistungen, ganz beträchtlich. Es werden deshalb weltweit Anstrengungen unternommen, um einfachere Systeme zu entwickeln, die sich auch im Gewerbebereich einsetzen lassen.

Ein Teil dieser Entwicklungsprogramme befasst sich mit teillöslichen Schmierstoffen zur verbesserten Ölzirkulation im System. Alternativ hierzu werden auch vereinfachte Methoden für eine automatische Rückführung unlöslicher Öle untersucht.

BITZER Erfahrungen mit NH₃:
BITZER ist in diesen Projekten stark engagiert und hat eine größere Anzahl von Verdichtern im Einsatz. Die bisherigen Erfahrungen zeigen aber, dass Anlagen mit teillöslichen Ölen technisch nur schwer zu beherrschen sind. Der Feuchtigkeitsgehalt im System hat einen wesentlichen Einfluss auf die chemische Stabilität des Kreislaufs und das Verschleißverhalten des Verdichters. Bei hoher Kältemitteleinlagerung im Öl (Nassbetrieb, unzureichende Öltemperatur) führt die enorme Volumenveränderung von verdampfendem NH3 außerdem zu starkem Verschleiß an Lagerstellen und Gleitringdichtung. Die Entwicklungen werden weitergeführt; Schwerpunkte sind dabei auch Alternativlösungen mit unlöslichen Schmierstoffen.

Außerdem haben verschiedene Apparatehersteller spezielle Wärmeübertrager entwickelt, mit denen sich die Kältemittelfüllung beträchtlich reduzieren lässt. Es gibt einen starken Trend zu sog. „Low Charge“ Systemen, u.a. mit Blick auf Sicherheitsanforderungen, die auch wesentlich von der Kältemittelfüllmenge bestimmt sind.

Darüber hinaus gibt es auch Lösungen für eine „Hermetisierung“ von NH3-Anlagen. Es handelt sich dabei um kompakte Flüssigkeitskühler mit Füllmengen unter 50 kg, die in einem geschlossenen Container – teilweise mit integrierter Wasservorlage zur Bindung von NH3 im Leckagefall – installiert sind.

Derartige Kompaktsätze können auch in Bereichen aufgestellt werden, die bisher wegen der Sicherheitsvorschriften nur Anlagen mit Kältemitteln der Sicherheitsgruppe A1 vorbehalten waren. Eine Beurteilung über den Einsatz von NH3-Kompakt-Systemen – anstelle von Anlagen mit HFKW-Kältemitteln und konventioneller Technik – ist nur auf individueller Basis unter Berücksichtigung der jeweiligen Anwendung möglich. Aus rein technischer Sicht und unter der Voraussetzung eines akzeptablen Kostenniveaus, wird eine breitere Angebotspalette in absehbarer Zeit zu erwarten sein.

BITZER Produkte für NH₃

Das Produktionsprogramm von BITZER umfasst heute ein erweitertes Angebot an optimierten NH3-Verdichtern:

  • Einstufige, offene Hubkolbenverdichter (Hubvolumen 19 bis 152 m3/h bei 1450 min-1) für Klima-, Normalkühlung und Booster-Einsatz
  • Offene Schraubenverdichter (Fördervolumen 84 bis 1015 m3/h – im Parallelbetrieb bis 4060 m3/h – bei 2900 min-1) für Klima-, Normal und Tiefkühlung.

    Optionen für Tiefkühlung:
  • einstufige Betriebsweise
  • Economiser-Betrieb
  • Booster-Einsatz

Umstellung bestehender Anlagen

Das Kältemittel NH3 eignet sich nicht für die Umstellung bestehender (H)FCKW- oder HFKW-Anlagen; sie müssten mit allen Komponenten völlig neu erstellt werden.

Ergänzende BITZER-Informationen zur Anwendung von NH₃

(auch unter https://www.bitzer.de)

  • Technische Information KT-640 „Einsatz von Ammoniak (NH3) als Alternativ-Kältemittel“

R723 (NH₃/DME) als Alternative zu NH₃

Die zuvor beschriebenen Erfahrungen beim Einsatz von NH3 in gewerblichen Kälteanlagen mit Direktverdampfung waren Anlass für weitergehende Untersuchungen auf Basis von NH3 unter Zusatz einer öllöslichen Kältemittelkomponente. Wesentliche Ziele dabei waren eine Verbesserung des Öltransportverhaltens und der Wärmeübertragung mit konventionellen Schmierstoffen sowie eine reduzierte Druckgastemperatur für den erweiterten Anwendungsbereich mit einstufigen Verdichtern.

Das Resultat dieses Forschungsprojekts ist ein Kältemittelgemisch aus NH3 (60%) und Dimethylether „DME“ (40%), das vom Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden (ILK) entwickelt wurde und inzwischen in einer Reihe von realen Anlagen eingesetzt wird. Als überwiegend anorganisches Kältemittel erhielt es entsprechend der üblichen Kältemittelnomenklatur wegen seiner mittleren Molmasse von 23 kg/kmol die Bezeichnung R723.

DME wurde auf Grund seines guten Löslichkeitsvermögens und der hohen Eigenstabilität als Zusatzkomponente ausgewählt. Es hat einen Siedepunkt von -26°C, einen relativ niedrigen Adiabatenexponenten, ist nicht toxisch und steht technisch in hoher Reinheit zur Verfügung. NH3 und DME bilden in der genannten Konzentration ein azeotropes Gemisch mit einem leichten Druckanstieg gegenüber reinem NH3. Der Siedepunkt liegt bei -36,5°C (NH3 -33,4°C), 26 bar (abs.) Verflüssigungsdruck entsprechend 58,2°C (NH3 59,7°C).

Die Druckgastemperatur im Klima- und Normalkühlbereich reduziert sich um etwa 10 bis 25 K (Vergleich von Druckgastemperaturen) und ermöglicht dadurch eine Erweiterung des Anwendungsbereichs hin zu höheren Druckverhältnissen. Auf Basis thermodynamischer Berechnungen ergibt sich in der Kälteleistung ein Anstieg im einstelligen Prozentbereich gegenüber NH3. Die Leistungszahl liegt ähnlich und ist – experimentell bestätigt – bei hohen Druckverhältnissen sogar günstiger. Auf Grund des geringeren Temperaturniveaus bei der Verdichtung ist zumindest bei Hubkolbenverdichtern mit zunehmendem Druckverhältnis auch ein verbesserter Liefer- und Gütegrad zu erwarten.

Bedingt durch das höhere Molekulargewicht von DME steigen Massenstrom und Dampfdichte gegenüber NH3 um nahezu 50% an, was aber bei gewerblichen Anlagen, zumal in Kurzkreislaufen, weniger von Belang ist. In klassischen Großkälteanlagen ist dies jedoch ein wesentliches Kriterium, u.a. mit Blick auf Druckabfälle und Kältemittelzirkulation. Auch unter diesen Gesichtspunkten wird deutlich, dass R723 bei gewerblichen Anwendungen und insbesondere im Bereich von Flüssigkeitskühlsätzen seinen bevorzugten Einsatzbereich hat.

Die Materialverträglichkeit ist mit NH3 gleich zu setzen. Obwohl unter der Voraussetzung eines minimalen Wassergehalts (< 1000 PPM) im System auch Buntmetalle (z.B. CuNi- Legierungen, Bronzen, Hartlote) potenziell einsetzbar sind, empfiehlt sich dennoch eine Systemausführung entsprechend typischer Ammoniak-Praxis.

Als Schmierstoffe können Mineralöle oder (bevorzugt) Polyalpha-Olefine zum Einsatz kommen. Wie zuvor erwähnt, bewirkt der DME-Anteil eine verbesserte Öllöslichkeit und partielle Mischbarkeit. Von positivem Einfluss auf die Ölzirkulation ist außerdem die relativ niedrige Flüssigkeitsdichte und eine erhöhte Konzentration von DME im zirkulierenden Öl. PAG-Öle wären mit R723 zwar im üblichen Anwendungsbereich voll oder weitgehend mischbar, sind aber aus Gründen der chemischen Stabilität und hohen Löslichkeit im Ölsumpf des Verdichters (starke Dampfentwicklung in Lagern) nicht zu empfehlen.

In Tests wurde auch nachgewiesen, dass die Wärmeübergangskoeffizienten bei Verdampfung und hohen Wärmestromdichten mit R723/Mineralöl-Systemen deutlich höher liegen als mit NH3 und Mineralöl.

Zu den weiteren Eigenschaften gehören Toxizität und Brennbarkeit. Durch den DME Anteil verringert sich die Zündgrenze in Luft von 15 auf 6%. Dennoch ist das Azeotrop in der Sicherheitsgruppe B2 eingestuft, könnte jedoch bei einer Neubewertung eine Änderung erfahren.

Resultierende Auslegungskriterien

In der Anlagentechnik kann auf die Erfahrungen mit den zuvor beschriebenen NH3- Kompaktanlagen zurückgegriffen werden. Allerdings sind Anpassungen in der Komponentenauslegung unter Berücksichtigung des höheren Massenstroms erforderlich. Dabei ist durch geeignete Auslegung des Verdampfers und des Expansionsventils eine sehr stabile Überhitzungsregelung sicherzustellen. Bedingt durch die verbesserte Öllöslichkeit kann sich „Nassbetrieb“ deutlich negativer auswirken als bei NH3-Systemen mit unlöslichem Öl.

Für Installation und Betrieb gelten hinsichtlich Sicherheitsvorschriften die gleichen Kriterien wie bei NH3-Anlagen.

Als Verdichter eignen sich spezielle NH3-Ausführungen, die jedoch ggf. an die Massenstrombedingungen und den kontinuierlich zirkulierenden Ölumlauf angepasst werden müssen. Ein Ölabscheider ist bei Hubkolbenverdichtern meist nicht erforderlich.

BITZER Produkte für R723

BITZER NH3-Hubkolbenverdichter sind prinzipiell für R723 geeignet. Eine individuelle Auslegung von spezifisch angepassten Verdichtern ist auf Anfrage möglich.

R290 (Propan) als Alternativ-Kältemittel

R290 (Propan) ist eine organische Verbindung (Kohlenwasserstoff) und hat weder Ozonabbaupotenzial noch nennenswerten direkten Treibhauseffekt. Zu berücksichtigen ist jedoch ein gewisser Beitrag zum Sommer- Smog.

Drucklagen und Kälteleistung sind ähnlich wie bei R22 und das Temperaturverhalten so günstig wie mit R134a.

Es gibt keine besonderen Materialprobleme. Im Gegensatz zu NH3 eignen sich auch Kupferwerkstoffe, wodurch der Einsatz von halbhermetischen und hermetischen Verdichtern möglich ist. Als Schmierstoffe lassen sich in einem weiten Anwendungsbereich die in HFCKW-Systemen üblichen Mineralöle verwenden. Noch günstigere Eigenschaften bieten Polyol-Ester (POE) und Polyalpha-Olefine (PAO).

Kälteanlagen mit R290 sind weltweit seit vielen Jahren, vornehmlich im industriellen Bereich, in Betrieb – es handelt sich um ein „erprobtes“ Kältemittel. Inzwischen wird R290 auch in kleineren Kompaktsystemen (Klimageräte, Wärmepumpen) mit geringerer Kältemittelfüllung verwendet. Es besteht außerdem ein steigender Trend zum Einsatz in gewerblichen Kälteanlagen und Flüssigkeitskühlsätzen.

Propan wird auch im Gemisch mit Isobutan (R600a) oder Ethan (R170) angeboten. Damit soll eine im Leistungsverhalten gute Übereinstimmung mit halogenierten Kältemitteln erreicht werden. Reines Isobutan wird überwiegend als Ersatz für R12 in Kleinanlagen vorgesehen (u.a. in Kühlschränken).

Der Nachteil von Kohlenwasserstoffen besteht darin, dass sie leicht entflammbar und damit in Sicherheitsgruppe A3 eingestuft sind. Bei den in gewerblichen Systemen üblichen Kältemittel-Füllmengen bedeutet dies eine Ausführung und Risikoanalyse des Systems entsprechend Explosionsschutz-Bestimmungen.

Der Einsatz halbhermetischer Verdichter in sog. „dauerhaft geschlossenen“ Systemen unterliegt in diesem Fall den Bedingungen für die Gefährdungszone 2 (nur seltene und kurzzeitige Gefährdung). Zu den sicherheitstechnischen Anforderungen gehören dabei u. a. spezielle Schutzeinrichtungen gegen Drucküberschreitung sowie Besonderheiten in Ausführung und Anordnung elektrischer Betriebsmittel. Außerdem sind Maßnahmen zu treffen, die im Falle eines Kältemittelaustritts eine gefahrlose Entlüftung gewährleisten, damit in keinem Fall ein zündfähiges Gasgemisch entstehen kann.

Die Ausführungsbestimmungen sind in Normen festgelegt (z.B. EN 378). Außerdem kann eine Bewertung entsprechend EU Rahmenrichtlinie 94/9/EG (ATEX) erforderlich werden. Bei offenen Verdichtern hat dies ggf. eine Zuordnung in Zone 1 zur Folge. Zone 1 bedingt allerdings elektrische Betriebsmittel in spezieller Ex-Ausführung.

Resultierende Auslegungskriterien

Abgesehen von den zuvor beschriebenen Maßnahmen erfordern Propananlagen im Normal- und Tiefkühlbereich nahezu keine Besonderheiten gegenüber üblichen (H)FCKW- und HFKW-Systemen. Bei der Dimensionierung der Komponenten ist jedoch der relativ niedrige Massenstrom zu berücksichtigen (ca. 55 bis 60% im Vergleich zu R22). Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch die Möglichkeit zu wesentlich reduzierter Kältemittelfüllung. Aus thermodynamischer Sicht ist ein innerer Wärmeübertrager zwischen Saug- und Flüssigkeitsleitung zu empfehlen; Kälteleistung und Leistungszahl werden dadurch verbessert.

Auf Grund der besonders hohen Löslichkeit von R290 (und R1270) in herkömmlichen Schmierstoffen werden die BITZER R290/R1270-Verdichter mit einem speziellen Öl befüllt, das einen hohen Viskositätsindex und besonders gute tribologische Eigenschaften aufweist. Auch in diesem Zusammenhang ist ein innerer Wärmeübertrager von Vorteil. Er führt zu höheren Betriebstemperaturen, damit zu geringerer Löslichkeit mit der Folge verbesserter Ölviskosität.

Auf Grund des äußerst günstigen Temperaturverhaltens (Vergleich von Druckgastemperaturen) sind einstufige Verdichter bis etwa -40°C Verdampfungstemperatur einsetzbar. Damit wäre R290 auch als Alternative zu einigen HFKW-Gemischen anzusehen.

BITZER Produkte für R290

Für R290 steht eine Palette an ECOLINE Verdichtern sowie CS. Kompakt-Schraubenverdichtern zur Verfügung. Wegen der besonderen Anforderungen ist jedoch eine spezielle Verdichterausführung erforderlich. Bei Anfragen und Bestellungen ist ein deutlicher Hinweis auf R290 erforderlich. Die Auftragsabwicklung schließt außerdem eine individuelle Vereinbarung zwischen den Vertragspartnern ein. Offene Hubkolbenverdichter sind ebenfalls für R290 lieferbar. Dazu gehört ein umfassendes Programm an eventuell erforderlichen ex-geschützten Zusatzkomponenten.

Umstellung bestehender Anlagen mit R22 oder HFKW auf R290

Bedingt durch die besonderen Sicherheitsmaßnahmen bei Einsatz von R290 erscheint eine Umstellung bestehender Anlagen nur in Ausnahmefällen möglich. Sie beschränkt sich auf Systeme, die mit vertretbarem Aufwand den entsprechenden Sicherheitsvorschriften angepasst werden können.

Ergänzende BITZER Informationen zur Anwendung von R290

(auch unter https://www.bitzer.de)

  • Technische Information KT-660 „Einsatz von Propan (R290) und Propen (R1270) mit halbhermetischen Verdichtern“

Propylen (R1270) als Alternative zu Propan

Seit einiger Zeit wird auch zunehmend der Einsatz von Propylen (Propen) als R22- oder HFKW-Substitut in Erwägung gezogen. Durch die – gegenüber R290 – höhere volumetrische Kälteleistung und eine tiefere Siedetemperatur ist die Anwendung in Normal- und Tieftemperaturanlagen (z.B. in Flüssigkeitskühlsätzen) von besonderem Interesse. Allerdings sind höhere Drucklagen (>20%) und Druckgastemperaturen zu berücksichtigen, die den Einsatzbereich wiederum einschränken.

Die Materialverträglichkeit ist mit Propan vergleichbar, gleiches gilt auch für die Schmierstoffauswahl. Propylen ist ebenfalls leicht entflammbar und gehört zur Sicherheitsgruppe A3. Es gelten deshalb die gleichen Sicherheitsbestimmungen wie für Propan (R290 (Propan) als Alternativ-Kältemittel).

Wegen der chemischen Doppelbindung ist Propylen relativ reaktionsfreudig, bei hoher Druck- und Temperaturbelastung besteht deshalb die Gefahr von Polymerisation. Untersuchungen bei Herstellern von Kohlenwasserstoffen und Stabilitätstests in realen Kreisläufen belegen jedoch, dass die Reaktivität in Kälteanlagen praktisch nicht vorhanden ist. Verschiedentlich wurden in der Literatur auch Bedenken hinsichtlich der karzinogenen Wirkung von Propylen geäußert. Durch entsprechende Studien konnte diese Annahme jedoch ausgeräumt werden.

Resultierende Auslegungskriterien

Für die Anlagentechnik lassen sich die Erfahrungen von Propan weitgehend übertragen. Wegen der höheren volumetrischen Kälteleistung (R290/R1270/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters) ist jedoch eine korrigierte Dimensionierung der Komponenten erforderlich. Das Fördervolumen des Verdichters wird entsprechend kleiner und damit auch der saug- und hochdruckseitige Volumenstrom. Durch die höhere Dampfdichte ist der Massenstrom jedoch nahezu identisch mit R290. Wegen annähernd gleicher Flüssigkeitsdichte gilt dies ebenfalls für das zirkulierende Flüssigkeitsvolumen.

Wie bei R290 ist auch der Einsatz eines inneren Wärmeübertragers zwischen Saug- und Flüssigkeitsleitung vorteilhaft. Auf Grund der höheren Druckgastemperatur von R1270 sind jedoch bei hohen Druckverhältnissen teilweise Einschränkungen notwendig.

BITZER Produkte für R1270

Für R1270 steht eine Palette an ECOLINE Verdichtern und CS. Kompakt-Schraubenverdichtern zur Verfügung. Wegen der besonderen Anforderungen ist jedoch eine spezielle Verdichterausführung erforderlich. Bei Anfragen und Bestellungen ist ein deutlicher Hinweis auf R1270 erforderlich.

Die Auftragsabwicklung schließt außerdem eine individuelle Vereinbarung zwischen den Vertragspartnern ein. Offene Hubkolbenverdichter sind ebenfalls für R1270 lieferbar. Dazu gehört ein umfassendes Programm an eventuell erforderlichen ex-geschützten Zusatzkomponenten.

Ergänzende BITZER Informationen zur Anwendung von R1270

(auch unter https://www.bitzer.de)

  • Technische Information KT-660 „Einsatz von Propan (R290) und Propen (R1270) mit halbhermetischen Verdichtern“

Kohlendioxid R744 (CO₂) als Alternativ-Kältemittel und Sekundär-Fluid

CO2 hat eine lange Tradition in der Kältetechnik, die bis weit ins vorletzte Jahrhundert reicht. Es hat kein Ozonabbaupotenzial, einen vernachlässigbaren direkten Treibhauseffekt (GWP = 1), ist chemisch inaktiv, nicht brennbar und im klassischen Sinne nicht toxisch. CO2 unterliegt deshalb auch nicht den stringenten Anforderungen hinsichtlich Anlagendichtheit wie z.B. HFKWs (F-Gase Verordnung) und brennbare oder toxische Kältemittel. Zu berücksichtigen ist jedoch der im Vergleich zu HFKWs geringere Grenzwert in Luft. In geschlossenen Räumen können entsprechende Sicherheits- und Überwachungseinrichtungen erforderlich werden.

CO2 ist auch kostengünstig und es gibt keine Notwendigkeit zur Rückgewinnung und Entsorgung. Hinzu kommt eine sehr hohe volumetrische Kälteleistung, die je nach Betriebsbedingungen etwa dem 5- bis 8- fachen von R22 und NH3 entspricht.

Vor allem die sicherheitsrelevanten Eigenschaften waren ein wesentlicher Grund für den anfangs weit verbreiteten Einsatz. Schwerpunkt in der Anwendung waren z. B. Schiffs-Kälteanlagen. Mit Einführung der „(H)FCKW-Sicherheitskältemittel“ wurde CO2 zurückgedrängt und war seit den 1950er- Jahren nahezu vom Markt verschwunden.

Wesentliche Ursachen sind die für übliche Anwendungen in der Kälte- und Klimatechnik relativ ungünstigen thermodynamischen Eigenschaften.

Die Drucklage von CO2 ist extrem hoch und die kritische Temperatur mit 31°C (74 bar) sehr niedrig. Je nach Wärmeträgertemperatur auf der Hochdruckseite erfordert dies eine transkritische Betriebsweise mit Drücken bis weit über 100 bar. Unter diesen Bedingungen ist die Wirtschaftlichkeit gegenüber einem klassischen Kaltdampfprozess (mit Verflüssigung) meist geringer und damit der indirekte Treibhauseffekt entsprechend höher.

Dennoch gibt es eine Reihe von Anwendungen, bei denen CO2 sehr wirtschaftlich und mit günstiger Öko-Effizienz eingesetzt werden kann. Dazu gehören z.B. subkritisch betriebene Kaskadenanlagen, aber auch transkritische Systeme, bei denen der Temperaturgleit auf der Hochdruckseite vorteilhaft nutzbar ist oder die Systembedingungen über lange Betriebsperioden einen subkritischen Betrieb erlauben. In diesem Zusammenhang ist auch anzumerken, dass die Wärmeübergangswerte von CO2 wesentlich höher sind als bei anderen Kältemitteln – mit dem Potential sehr geringer Temperaturdifferenzen in Verdampfern, Verflüssigern und Gaskühlern. Außerdem sind die erforderlichen Rohrleitungsquerschnitte sehr klein und der Einfluss des Druckabfalls vergleichsweise gering. Bei Einsatz als Sekundärfluid ist zudem der Energiebedarf für Umwälzpumpen äußerst niedrig.

In den folgenden Ausführungen werden zunächst einige Beispiele für subkritische Systeme und die resultierenden Auslegungskriterien behandelt. In einem zusätzlichen Abschnitt folgen noch Erläuterungen zu transkritischen Anwendungen.

Subkritische CO₂-Anwendungen

Eine auch aus energetischer Sicht und hinsichtlich Drucklagen sehr vorteilhafte Anwendung bietet sich für industrielle und größere gewerbliche Kälteanlagen an. Hierfür kann CO2 als Sekundärfluid in einem Kaskadensystem verwendet werden – bei Bedarf in Kombination mit einer weiteren Verdichtungsstufe für tiefere Verdampfungstemperaturen (Kaskadensystem mit CO₂ für industrielle Anwendung). Die Betriebsweise ist jeweils subkritisch und damit auch eine gute Wirtschaftlichkeit gewährleistet. Im dafür günstigen Anwendungsbereich (ca. -10 bis -50°C) sind auch die Drucklagen noch auf einem Niveau, für das bereits verfügbare oder in Entwicklung befindliche Komponenten (z.B. für R410A) mit vertretbarem Aufwand angepasst werden können.

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Für die Hochtemperaturstufe einer solchen Kaskade lässt sich ein kompakter Kühlsatz verwenden, dessen Verdampfer auf der Sekundärseite als Verflüssiger für CO2 dient. Als Kältemittel eignen sich chlorfreie Stoffe (NH3, KW oder auch HFKW, HFO und HFO/HFKW-Gemische).

Bei NH3 sollte der Kaskadenkühler so ausgeführt werden, dass die gefürchtete Bildung von Hirschhornsalz im Falle einer Leckage verhindert wird. In Brauereien wird diese Technik seit langem eingesetzt.

In Großkälteanlagen entspricht der Sekundärkreis für CO2 in seinem prinzipiellen Aufbau weitgehend einem Niederdruck-Pumpensystem, wie es häufig bei NH3-Systemen ausgeführt wird. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Verflüssigung des CO2 im Kaskadenkühler erfolgt und der Sammelbehälter (Abscheider) nur als Vorratsbehälter dient.

Die äußerst hohe volumetrische Kälteleistung von CO2 (latente Wärme durch Phasenwechsel) führt dabei zu einem sehr geringen Massenstrom und ermöglicht kleine Rohrquerschnitte und minimalen Energiebedarf für die Umwälzpumpen.

Bei der Kombination mit einer weiteren Verdichtungsstufe (z.B. für Tiefkühlung) gibt es verschiedene Lösungen.

Die Abbildung (Kaskadensystem mit CO₂ für industrielle Anwendung) zeigt eine Variante mit zusätzlichem Sammler, der von einem oder mehreren Booster-Verdichtern auf den erforderlichen Verdampfungsdruck abgesaugt wird. Das Druckgas wird ebenfalls in den Kaskadenkühler eingespeist, verflüssigt und in den nachgeschalteten Sammler abgeleitet. Von dort aus erfolgt die Einspeisung in den Niederdruckabscheider (TK) über eine Schwimmereinrichtung.

An Stelle klassischer Pumpenzirkulation kann die Booster-Stufe auch als sog. LPR-System (Low Pressure Receiver) ausgeführt sein. Dadurch erübrigen sich Umwälzpumpen, wobei aber die Anzahl der Verdampfer mit Rücksicht auf eine gleichmäßige Einspritzverteilung des CO2 stärker eingeschränkt ist.

Für den Fall eines längeren Anlagenausfalls mit starkem Druckanstieg kann das CO2 über Sicherheitsventile an die Atmosphäre abgelassen werden. Alternativ hierzu werden auch zusätzliche Kühlsätze zur CO2 Verflüssigung verwendet, mit denen längere Abschaltperioden ohne kritische Druckerhöhung überbrückt werden können.

Für Systeme in gewerblichen Anwendungen ist auch eine Ausführung mit Direkt-Expansion möglich.

Hierfür bieten Supermarktanlagen mit ihrem üblicherweise weit verzweigten Rohrnetz und Schockfroster ein besonders gutes Potenzial. Das Normalkühlsystem wird dann konventionell oder mittels Sekundärkreislauf ausgeführt und für die Tiefkühlung mit einem CO2-Kaskadensystem (für subkritische Betriebsweise) kombiniert. Ein Systembeispiel ist in der folgenden Abbildung dargestellt (Konventionelle Kälteanlage kombiniert mit CO₂-Tiefkühlkaskade).

Für eine allgemeine Anwendung sind allerdings derzeit noch nicht alle Voraussetzungen erfüllt. Es gilt zu berücksichtigen, dass eine in vielfacher Hinsicht veränderte Anlagentechnik und auch speziell abgestimmte Komponenten erforderlich werden.

So müssen z.B. die Verdichter wegen des hohen Dampfdichte- und Druckniveaus (insbesondere auf der Saugseite) speziell ausgelegt werden. Besondere Anforderungen bestehen auch hinsichtlich der Werkstoffe; außerdem darf nur hochgradig getrocknetes CO2 zum Einsatz kommen.

Auch die Schmierstoffe sind sehr hohen Anforderungen ausgesetzt. Konventionelle Öle sind meist nicht mischbar und erfordern deshalb aufwändige Maßnahmen für die Rückführung aus dem System. Andererseits ist beim Einsatz mischbarer bzw. gut löslicher POE eine starke Viskositätsminderung zu berücksichtigen. Weitere Informationen dazu unter Schmierstoffe für Verdichter.

BITZER Produkte für subkritische CO₂-Anwendungen

Für subkritische CO2-Anwendungen bietet BITZER zwei Baureihen spezieller Verdichter an.

Ergänzende BITZER-Information zur Verdichterauswahl für subkritische CO₂-Systeme

(auch unter https://www.bitzer.de)

  • Prospekt KP-120
    Halbhermetische Hubkolbenverdichter für subkritische CO2-Anwendungen (Stillstandsdrücke ND/HD bis 30/53 bar)
  • Prospekt KP-122
    Halbhermetische Hubkolbenverdichter für subkritische CO2-Anwendungen (Stillstandsdrücke HD/ND bis 100 bar)
  • Weitere Publikationen auf Anfrage

Transkritische CO₂-Anwendungen

Der transkritische Prozess ist u.a. dadurch charakterisiert, dass die Wärmeabfuhr auf der Hochdruckseite isobar, aber nicht isotherm verläuft. Im Gegensatz zum Verflüssigungsvorgang bei subkritischem Betrieb erfolgt hierbei eine Gaskühlung (Enthitzung) mit entsprechendem Temperaturgleit. Der Wärmeübertrager wird deshalb als Gaskühler bezeichnet. Solange der Betrieb oberhalb des kritischen Drucks (74 bar) erfolgt, wird nur Dampf hoher Dichte gefördert. Eine Verflüssigung stellt sich erst nach Expansion auf ein niedrigeres Druckniveau ein – z.B. durch Zwischenentspannung in einen Mitteldrucksammler. Je nach Temperaturverlauf der Wärmesenke kann ein für transkritischen Betrieb ausgelegtes System auch subkritisch und unter diesen Bedingungen mit verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden. In diesem Fall wird der Gaskühler zum Verflüssiger.

Eine weitere Besonderheit des transkritischen Betriebs ist die notwendige Regelung des Hochdrucks auf ein definiertes Niveau. Dieser „optimale Druck“ wird in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Gaskühlers durch Bilanzierung zwischen größt möglicher Enthalpiedifferenz bei gleichzeitig minimaler Verdichtungsarbeit ermittelt. Er muss durch eine intelligente Steuerung modulierend an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden (Systembeispiel Beispiel für transkritisches CO2-Booster-System).

Wie zuvor beschrieben, erscheint die transkritische Betriebsweise bei rein thermodynamischer Betrachtung hinsichtlich Energie-Effizienz eher ungünstig. Dies trifft auch tatsächlich auf Systeme mit einem relativ hohen Temperaturniveau der Wärmesenke auf der Hochdruckseite zu. Allerdings können dabei zur Effizienzverbesserung zusätzliche Maßnahmen getroffen werden wie z. B. der Einsatz von Parallelverdichtung (Economiser-System) und/oder Injektoren sowie Expander zur Rückgewinnung der Drosselverluste bei der Expansion des Kältemittels.

Abgesehen davon gibt es Einsatzgebiete, bei denen der transkritische Prozess energetisch generell vorteilhaft ist. Dazu gehören z.B. Wärmepumpen für Brauchwasser- Erwärmung oder Trocknungsprozesse. Bei den üblicherweise sehr hohen Temperaturgradienten zwischen Druckgaseintritt in den Gaskühler und Eintrittstemperatur der Wärmesenke kann eine sehr niedrige Gasaustrittstemperatur erreicht werden. Begünstigt wird dies durch den Verlauf des Temperaturgleit und die relativ hohe mittlere Temperaturdifferenz zwischen CO2-Dampf und Wärmeträger-Fluid. Die niedrige Gasaustrittstemperatur führt zu einer besonders hohen Enthalpiedifferenz und damit zu einer hohen System-Leistungszahl.

Brauchwasser-Wärmepumpen kleinerer Leistung werden bereits in hohen Stückzahlen produziert und eingesetzt. Anlagen für mittlere bis größere Leistungen (z.B. Hotels, Schwimmbäder, Trocknungssysteme) müssen individuell geplant und ausgeführt werden. Deren Anzahl ist deshalb noch begrenzt, jedoch bei gutem Aufwärtstrend. Neben diesen spezifischen Anwendungen gibt es auch eine Reihe von Entwicklungen für die klassischen Bereiche der Kälte- und Klimatechnik. Hierzu gehören z.B. Supermarkt-Kälteanlagen. Inzwischen werden Anlagen mit Verdichtern im Parallelverbund bereits in größerem Umfang eingesetzt. Es handelt sich dabei überwiegend um sog. Booster-Systeme, bei denen der Normal-und Tiefkühlkreislauf direkt (ohne Wärmeübertrager) miteinander verbunden ist. Die Betriebserfahrungen und dort ermittelten Energiekosten zeigen vielversprechende Ergebnisse. Allerdings liegen die Investitionskosten noch über klassischen Anlagen mit HFKWs und Direktverdampfung.

Gründe für die günstigen Energiekosten liegen einerseits an den bereits weitgehend optimierten Komponenten und der Systemsteuerung sowie den zuvor beschriebenen Vorteilen hinsichtlich Wärmeübertragung und Druckabfall. Andererseits werden diese Anlagen bevorzugt in Klimazonen eingesetzt, die auf Grund des jahreszeitlichen Temperaturprofils sehr hohe Laufzeiten bei subkritischer Betriebsweise erlauben.

Zur weiteren Steigerung der Effizienz von CO2-Supermarktsystemen und bei deren Einsatz in wärmeren Klimazonen kommen auch zunehmend die zuvor beschriebenen Technologien mit Parallelverdichtung und/oder Injektoren zur Anwendung.

Insofern, aber auch mit Blick auf die sehr anspruchsvolle Technik und die hohen Anforderungen an die Qualifikation von Planern und Service-Fachleuten, kann die CO2-Technologie nicht pauschal als Ersatz für Anlagen mit HFKW-Kältemitteln angesehen werden.

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Detaillierte Informationen hierzu würden den Rahmen dieser Informationsschrift sprengen. Jedenfalls unterscheiden sich Systemtechnik und -steuerung wesentlich von üblichen Anlagen. Bereits mit Blick auf Drucklagen, Volumen- und Massenstromverhältnisse müssen speziell entwickelte Komponenten, Regelgeräte und Sicherheitseinrichtungen sowie entsprechend ausgelegte Rohrleitungen verwendet werden.

Besonders anspruchsvoll ist die Verdichtertechnik. Die besonderen Anforderungen bedingen eine vollkommen eigenständige Konstruktion. Dies betrifft u.a. Design, Materialien (Berstsicherheit), Fördervolumen, Triebwerk, Auslegung der Arbeitsventile, Schmiersystem sowie Verdichter- und Motorkühlung. Die hohe thermische Belastung schränkt dabei den Einsatzbereich für einstufige Verdichtung stark ein. Tiefkühlung erfordert zweistufige Betriebsweise, wobei eine Aufteilung in getrennte Hoch- und Niederdruckverdichter bei Verbundsystemen besonders vorteilhaft ist. Für die Schmierstoffe gelten in noch stärkerem Maße die zuvor im Zusammenhang mit subrkritischen Systemen beschriebenen Kriterien. Weitere Informationen dazu unter Schmierstoffe für Verdichter.

In verschiedenen Bereichen ist noch Entwicklungsaufwand erforderlich, transkritische CO2-Technologie kann noch nicht generell als Stand der Technik bezeichnet werden.

BITZER Produkte für transkritische CO₂-Anwendungen

Für transkritische CO2-Anwendungen bietet BITZER eine weitreichende Palette spezieller Verdichter an. Der Einsatz ist auf bestimmte Anwendungen ausgerichtet, individuelle Prüfung und Bewertung sind deshalb erforderlich.

Ergänzende BITZER-Information zur Verdichterauswahl für transkritische CO₂-Systeme

(auch unter https://www.bitzer.de)

  • Prospekt KP-130
    Halbhermetische Hubkolbenverdichter für transkritische CO2-Anwendungen
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CO₂ in Kfz-Klimaanlagen

Im Rahmen der bereits seit längerem diskutierten Maßnahmen zur Reduzierung von direkten Kältemittel-Emissionen und dem in der EU bestehenden Verwendungsverbot von R134a in PKW-Klimaanlagen, wird bereits seit Jahren die Entwicklung von CO2-Systemen sehr intensiv betrieben.

Auf den ersten Blick erscheinen Effizienz und damit indirekte Emissionen von CO2-Systemen bei den typischen Umgebungsbedingungen vergleichsweise ungünstig. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die aktuellen R134a-Systeme geringere Wirkungsgrade aufweisen als leistungsgleiche stationäre Anlagen. Gründe dafür liegen in den spezifischen Einbauverhältnissen und den relativ hohen Druckverlusten in Rohrleitungen und Wärmeübertragern. Bei CO2 hat der Druckabfall einen wesentlich geringeren Einfluss. Außerdem wird der Systemwirkungsgrad noch zusätzlich durch die hohen Wärmeübergangswerte in den Wärmeübertragern begünstigt.

Aus diesem Grund können mit optimierten CO2-Klimaanlagen in etwa vergleichbare Wirkungsgrade erreicht werden wie mit R134a. Mit Blick auf die üblichen Leckraten solcher Systeme ergibt sich dabei eine günstigere Bilanz hinsichtlich des TEWI.

Aus heutiger Sicht ist keine Prognose darüber möglich, ob sich die CO2-Technologie in dieser Anwendung auf längere Sicht durchsetzen kann. Dies ist sicherlich auch von den Erfahrungen mit den von der Automobil-Industrie inzwischen eingeführten "Low GWP" Kältemitteln ("Low GWP" HFO-Kältemittel R1234yf) abhängig. Dabei werden u.a. Betriebssicherheit, Kosten und die weltweite Logistik eine gewichtige Rolle spielen.