Berichte aus Energie- und Umweltforschung 15/2001
Umweltverträgliche Kältemittel

Im Jahr 1987 wurde das Montreal Protocol an Substances that Deplete the Ozone Layer betreffend den Ausstieg aus den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW), den weltweit eingesetzten Kältemitteln in den Bereichen Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik, beschlossen. Dieser Ausstieg wurde in den Nachfolgekonferenzen beschleunigt und auf die teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW) ausgedehnt. Neue Kältemittel kamen auf den Markt, aber auch die alten "natürlichen" Kältemittel wurden wieder aktuell.

Annex 18 "Thermodynamic Properties of the Environmentally Acceptable Refrigerants" ist ein Projekt über die Stoffeigenschaften umweltfreundlicher Kältemittel, das im Rahmen des IEA Implementing Agreement an Advanced Heat Pumping Technologies (IEA Heat Pump Programme) in den Jahren 1990 bis 1999 durchgeführt wurde. An dem Projekt haben 7 Länder einschließlich Österreich teilgenommen, Operating Agent waren die USA. Annex 18 wurde zweimal verlängert und im Jahr 2000 abgeschlossen.

In Phase 1 wurden international anerkannte Formulierungen für die thermodynamischen Stoffwerte und die Transportgrößen für R-134a (als Ersatz für R-12) und R-123 (als Ersatz für R-11 und R-114) erarbeitet. Phase 2 beschäftigte sich mit Formulierungen für R-32 und R-125 sowie die Gemische R-32/R-125, R-32/R-134a und R-32/R-125/R-134a. Außerdem wurde mit dem Aufbau einer Kältemittel-Datenbank begonnen. In Phase 3 wurden R-143a sowie Gemische mit diesem Reinstoff untersucht; darüber hinaus wurden die Formulierungen für die Kältemittel R-717 (Ammoniak), R-290 (Propan), R-600a (iso-Butan) und R-744 (CO2) überprüft.

Österreich hat am Annex 18 während der Phase 1 teilgenommen und das Projekt während der Phasen 2 und 3 zwar genau verfolgt, jedoch nicht mehr daran teilgenommen. Während dieser Zeit wurden in Österreich auf Grund der immer schärferen Ausstiegsszenarien technisch vertretbare Alternativen untersucht, Anlagen modifiziert und Komponenten getestet.

Die ARGE Wärmetechnik hat während der Phase 1 auf Basis der eigenen Kältemittel-Datenbank CYFRIG Kreisläufe mit Reinstoffen untersucht und während der Phase 2 mit der Kältemitteldatenbank REFPROP des National Institute of Standards and Technology (NIST), USA, die Datenbank CYMIX entwickelt und Kreislaufuntersuchungen und Messungen von Verdichtern mit Kältemittelgemischen und vor allem mit natürlichen Kältemitteln durchgeführt. Weiters wurde die Datenbank CO2REF für CO2 entwickelt.

Die Arbeiten zeigten, dass die von der chemischen Industrie angebotenen teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) nicht unproblematisch sind: R-134a ist im Normalkühlbereich und im Mitteltemperaturbereich (bis 80°C) ein guter Ersatz für R-12, für den Tieftemperaturbereich ist es kaum geeignet. Die anderen neu entwickelten Reinstoffe sind für den Einsatz als "Sicherheitskältemittel" nicht geeignet, R-32 und R-143a sind brennbar, und R-125 hat zu schlechte thermodynamische Eigenschaften; der Ausweg waren also zumeist nicht-azeotrope Gemische. R-404A und R-507 sind Ersatzstoffe für R-502; R-407C ist auf Grund seiner großen Temperaturgleitung nur bedingt als Ersatzstoff für R-22 geeignet; der Hoffnungsträger ist R-41 0A, dessen Druckniveau allerdings über die derzeitige 30-bar-Technologie hinausgeht.

Alle diese chlorfreien Kältemittel erforderten neue Schmierstoffe und Änderungen an den bisher eingesetzten Komponenten. Das eigentliche Problem ist allerdings, dass sie auf Grund ihres relativ großen GWP (Global Warming Potential, Treibhausgaspotential) Bestandteil der im Kyoto-Protokoll aufgelisteten Treibhausgase sind; damit ist die nächste Umweltdiskussion bereits vorprogrammiert.

Die natürlichen Alternativen sind zwar für viele Anwendungen die besseren Kältemittel, sie sind auch in Bezug auf die Umwelt unbedenklich, aber sie sind entweder brennbar (R-290, R-1270, R-600a), giftig und brennbar (R-717) und erfordern eine andere Technologie, sie erfordern Hochdruckkomponenten (R-744) oder Verdichter für extreme Druckverhältnisse (R-718). Die derzeit gültigen Vorschriften erschweren zusätzlich ihre Anwendung. Trotzdem werden die "natürlichen" Kältemittel in den nächsten Jahren zunehmend an Bedeutung gewinnen.