HFKW Kältemittel

R134a als Ersatzstoff für R12 und R22

R134a war das erste in breiterem Umfang erprobte (chlorfreie / ODP = 0) HFKW-Kältemittel. Es wird inzwischen weltweit in vielen Kälte- und Klimaanlagen mit guten Betriebserfahrungen eingesetzt. Neben der Verwendung als Reinstoff kommt R134a auch in einer Reihe von Gemischen als Komponente zum Einsatz.

R134a hat ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie R12

Kälteleistung, Energiebedarf, Temperaturverhalten und Drucklagen sind zumindest im Klima- und Normalkühlbereich vergleichbar. Damit lässt sich dieses Kältemittel für die meisten ehemaligen R12-Anwendungen als Alternative verwenden.

Für verschiedene Anwendungsfälle wird R134a sogar als R22-Substitut bevorzugt; ein wesentlicher Grund sind die Beschränkungen des Einsatzes von R22 in Neuanlagen und im Service. Allerdings bedingt die geringere volumetrische Kälteleistung von R134a im Vergleich zu R22 (R134a/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters) ein größeres Fördervolumen. Außerdem sind Einschränkungen in der Anwendung bei tieferen Verdampfungstemperaturen zu berücksichtigen. Durch umfangreiche Messungen konnte jedoch belegt werden, dass die Leistungswerte von R134a in weiten Bereichen höher sind als die von der Theorie gestützten Voraussagen erwarten ließen. Zudem sind die Betriebstemperaturen (Druckgas, Öl) der Kältemittelverdichter sogar niedriger als mit R12 und liegen wesentlich unterhalb der R22-Werte. Damit ergeben sich besonders weitreichende Anwendungsmöglichkeiten bei Klima- und Normalkühlanlagen sowie Wärmepumpen. Gute Wärmeübertragungswerte – im Gegensatz zu zeotropen Gemischen – in Verdampfern und Verflüssigern begünstigen dabei einen besonders wirtschaftlichen Einsatz.

R134a zeichnet sich außerdem durch einen vergleichsweise niedrigen GWP (1430) aus. Mit Blick auf die künftigen Verwendungsbeschränkungen (z.B. EU F-Gase Verordnung) ist deshalb der Einsatz dieses Kältemittels noch für einige Zeit möglich. Bei Bedarf können Anlagen später auch relativ einfach auf nicht brennbare (A1) HFO/HFKW-Alternativen mit GWP ca. 600 umgestellt werden ("Low GWP" Alternativen für HFKW-Kältemittel (Stand 09.2018)).

Schmierstoffe für R134a

Bisher übliche Mineral- und Synthetiköle sind mit R134a (und den anderen im Folgenden behandelten HFKWs) nicht mischbar/löslich und werden deshalb im Kältekreislauf nur unzureichend transportiert. Nicht mischbare Öle können sich in den Wärmeübertragern ablagern und den Wärmeübergang so stark behindern, dass ein Betrieb der Anlage nicht mehr möglich ist. Neue Schmierstoffe mit entsprechender Löslichkeit wurden entwickelt und sind schon seit vielen Jahren im praktischen Einsatz. Es handelt sich um Schmierstoffe auf der Basis von Polyol-Ester (POE) und Poly-Alkylen-Glykol (PAG).

Weitere Erläuterungen zu Schmierstoffen: Schmierstoffe für Verdichter.

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Für R134a sind entsprechend geeignete Verdichter – mit spezieller Ölfüllung – und Anlagenkomponenten erforderlich. Mit Esterölen haben sich die in FCKW-Anlagen üblichen Metallwerkstoffe ebenfalls bewährt; Elastomere müssen teilweise den geänderten Verhältnissen angepasst werden. Dies gilt insbesondere auch bei Einsatz von Schlauchleitungen, die äußerst hohe Anforderungen hinsichtlich Restfeuchte und Permeabilität erfüllen müssen.

Die Anlagen sind besonders sorgfältig zu trocknen, und das Befüllen oder der Wechsel des Schmieröls muss ebenfalls mit äußerster Sorgfalt erfolgen. Zudem sind vergleichsweise große Trocknerkapazitäten vorzusehen, die auch auf die geringere Molekülgröße von R134a abgestimmt sein müssen.

BITZER Produkte für R134a

Inzwischen liegen langjährige sehr positive Erfahrungen mit R134a und Esterölen vor. BITZER bietet für dieses Kältemittel ein unvergleichlich breites Programm von Hubkolben-, Schrauben- und Scrollverdichtern an.

Umstellung bestehender R12-Anlagen auf R134a

Dieses Thema wurde anfangs sehr kontrovers diskutiert, verschiedene Umrüstmethoden wurden propagiert und angewandt. Heute besteht weitgehende Einigkeit über technisch und auch wirtschaftlich vertretbare Lösungen. Hierbei erweisen sich auch die Eigenschaften von Esterölen als vorteilhaft. Sie können unter gewissen Voraussetzungen mit (H)FCKW-Kältemitteln betrieben werden, sind mit Mineralölen mischbar und tolerieren in R134a-Anlagen auch Anteile an Chlor bis zu einigen hundert ppm.

Allerdings ist dabei die Restfeuchte von enormem Einfluss. Es besteht deshalb die grundsätzliche Forderung nach hochgradigem Evakuieren (Absaugen von Restchlor und Trocknung) und Einsatz groß dimensionierter Trockner. Zweifelhafte Erfahrungen gibt es mit Systemen, deren chemische Stabilität bereits bei R12-Betrieb ungenügend ist (schlechte Wartung, geringe Trocknerkapazität, hohe thermische Belastung). Hier kommt es vielfach zu verstärkter Ablagerung chlorhaltiger Ölzersetzungsprodukte, die dann unter Einwirkung der hochpolaren Mischung aus Esteröl und R134a abgelöst werden und in Verdichter und Regelgeräte gelangen. Schon deshalb sollte eine Umrüstung auf Systeme beschränkt bleiben, die sich in gutem Zustand befinden.

Beschränkungen von R134a in Kfz-Klimaanlagen (MAC)

Eine EU-Richtlinie zu „Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen“ (2006/40/EG) sieht ein Verwendungsverbot von R134a in Neuanlagen vor. Verschiedene Alternativ-Technologien sind bereits in der praktischen Anwendung. Erläuterungen hierzu "Low GWP" HFO-Kältemittel R1234yf und CO₂ in Kfz-Klimaanlagen.

Ergänzende BITZER-Information zum Einsatz von R134a

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

  • Technische Information KT-620
    „HFKW-Kältemittel R134a“
  • Technische Information KT-510
    „Polyolester-Öle für Hubkolbenverdichter“
  • Sonderausgabe
    „Eine neue Generation optimierter Kompakt-Schraubenverdichter für R134a“

 

Alternativen zu R134a

Bei Kfz-Klimaanlagen mit offenen Verdichtern und Schlauchverbindungen im Kältekreislauf ist das Leckagerisiko ungleich höher als bei stationären Systemen. Mit Blick auf die Reduzierung direkter Emissionen in diesem Anwendungsbereich wurde deshalb eine EU-Richtlinie (2006/40/EG) verabschiedet. Darin werden u.a. im Rahmen von Typgenehmigungen neuer Fahrzeuge seit 2011 nur noch Kältemittel mit einem GWP < 150 zugelassen. Damit scheidet das in diesen Anlagen bisher verwendete R134a (GWP = 1430) aus.

Inzwischen wurden Alternativ-Kältemittel sowie neue Technologien entwickelt und erprobt. In diesem Zusammenhang wurde auch der Einsatz von R152a näher untersucht.

Seit einiger Zeit hat sich jedoch die Automobil-Industrie auf Systemlösungen mit sog. "Low GWP" Kältemitteln geeinigt. Letztere werden im Folgenden behandelt.

Die lange Zeit für diese Anwendung favorisierte CO2-Technologie wurde bisher aus verschiedenen Gründen nicht in breitem Umfang eingeführt ("Low GWP" HFO-Kältemittel R1234yf und CO₂ in Kfz-Klimaanlagen).

R152a – eine Alternative zu R134a (?)

R152a ist im Vergleich zu R134a hinsichtlich volumetrischer Kälteleistung (ca. -5%), Drucklagen (ca. -10%) und Energie-Effizienz sehr ähnlich. Massenstrom, Dampfdichte und damit auch der Druckabfall sind sogar günstiger (ca. -40%).

R152a wird seit vielen Jahren als Komponente in Gemischen, aber bisher nicht als Einstoff-Kältemittel eingesetzt. Besonders vorteilhaft ist das äußerst geringe Treibhauspotenzial (GWP = 124).

R152a ist jedoch brennbar – bedingt durch den geringen Fluor-Anteil – und in Sicherheitsgruppe A2 eingestuft. Damit gelten erhöhte Sicherheitsanforderungen, die individuelle konstruktive Lösungen und Absicherungsmaßnahmen sowie entsprechende Risikoanalysen erfordern.

Aus diesem Grund ist der Einsatz von R152a in Fahrzeug-Klimaanlagen bisher nicht erfolgt.

"Low GWP" HFO-Kältemittel R1234yf

Das Verwendungsverbot von R134a in Kfz-Klimaanlagen innerhalb der EU hat eine Reihe von Forschungsprojekten initiiert. Neben CO2-Technologie (CO₂ in Kfz-Klimaanlagen) wurden inzwischen Kältemittel mit sehr geringen GWP-Werten und ähnlichen thermodynamischen Eigenschaften wie R134a entwickelt.

Anfang 2006 wurden zunächst zwei Kältemittel-Gemische unter den Bezeichnungen „Blend H“ (Honeywell) und „DP-1“ (DuPont) vorgestellt. INEOS Fluor folgte mit einer weiteren Variante unter dem Handelsnamen AC-1. Bei allen Kältemitteln handelte es sich im weitesten Sinne um Gemische aus verschiedenen fluorierten Molekülen.

Während der Entwicklungs- und Testphase wurde offensichtlich, dass nicht alle Akzeptanzkriterien erfüllt werden konnten. Weitere Untersuchungen mit diesen Gemischen wurden deshalb eingestellt. DuPont (inzwischen Chemours) und Honeywell bündelten daraufhin ihre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in einem Joint Venture mit Fokus auf 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (CF3CF=CH2). Dieses Kältemittel mit der Bezeichnung R1234yf gehört zur Gruppe der Hydro-Fluor-Olefine (HFO). Es handelt sich dabei um ungesättigte HFKW mit chemischer Doppelbindung.

Das Treibhauspotenzial ist außerordentlich gering (GWP = 4). Bei Freisetzung in die Atmosphäre erfolgt ein rascher Zerfall des Moleküls innerhalb weniger Tage mit der Folge eines sehr geringen GWP. Hieraus ergeben sich allerdings gewisse Bedenken hinsichtlich der Langzeitstabilität im Kältekreislauf unter realen Bedingungen. Umfangreiche Tests haben jedoch gezeigt, dass die für Kfz-Klimaanlagen geforderte Stabilität erreicht wird.

Basierend auf Messungen nach ASTM 681 ist R1234yf schwach brennbar, dabei liegt die erforderliche Zündenergie wesentlich höher als z.B. bei R152a. Wegen seiner geringen Flammgeschwindigkeit und der hohen Zündenergie erfolgte eine Einstufung unter der neuen Sicherheitsgruppe „A2L“ nach ISO 817. In umfangreichen Testreihen konnte inzwischen ermittelt werden, dass bei Kfz-Klimaanlagen die potenziell erhöhte Gefährdung durch Entflammbarkeit des Kältemittels mit entsprechenden konstruktiven Maßnahmen vermieden werden kann. Allerdings gibt es auch Untersuchungen (z.B. von Daimler), bei denen ein erhöhtes Risiko festgestellt wurde. Verschiedene Hersteller haben deshalb die Entwicklung alternativer Technologien wieder intensiviert.

Toxizitätsuntersuchungen zeigen sehr positive Ergebnisse. Gleiches gilt für Verträglichkeitstests mit den im Kältekreislauf verwendeten Kunststoff- und Elastomermaterialien. Bei Schmierstoffen zeigt sich teilweise eine erhöhte chemische Reaktivität, die jedoch durch entsprechende Formulierung und/oder Zusatz von „Stabilisatoren“ unterdrückt werden kann.

Die bisher in Labor- und Feldversuchen gewonnenen Betriebserfahrungen geben Anlass für eine positive Bewertung, insbesondere mit Blick auf das Leistungs- und Effizienzverhalten. Kälteleistung und Leistungszahl (COP) liegen bei den üblichen Anwendungsbereichen des Kfz-Klimabetriebs innerhalb einer Bandbreite von etwa 5% im Vergleich zu R134a. Bei entsprechender Anpassung des Systems kann deshalb dieselbe Leistung und Effizienz wie mit R134a erreicht werden.

Kritische Temperatur und Drucklagen sind ebenfalls ähnlich, Dampfdichten und Massenstrom etwa 20% höher. Die Druckgastemperatur ist bei dieser Anwendung bis zu 10 K niedriger.

Mit Blick auf die relativ einfache Umstellung von Kfz-Klimaanlagen hat sich bisher diese Technologie gegenüber den im Wettbewerb stehenden CO2-Systemen durchgesetzt.

Wie zuvor bereits erläutert, rücken jedoch auf Grund der Brennbarkeit von R1234yf weitere technische Lösungen in den Fokus. Dazu gehören aktive Löscheinrichtungen (z.B. mit Argon), aber auch die Weiterentwicklung von CO2-Systemen.

Ausführliche Informationen zu Eigenschaften und Anwendung von „Low GWP“ HFOs sowie HFO/HFKW Gemischen "Low GWP" HFOs und HFO/HFKW-Gemische als Alternativen zu HFKWs.