Trends bei Kältemitteln

Wenn es um Kältemittel geht, werden Kaltwassersätze im Allgemeinen in zwei Kategorien eingeteilt: Nieder-/Mitteldruck und Mittel-/Hochdruck. Bei Nieder-/Mitteldruck-Kaltwassersätzen ist die Verwendung von reinen HFO (R1233zd und R1234ze) nützlich, die zu einem Treibhauspotenzial von fast null führen. Die Nachteile in Bezug auf die Entflammbarkeit sind relativ gering und überschaubar, vor allem wenn die Systeme im Freien oder in Maschinenräumen aufgestellt werden. Es ist zu erwarten, dass diese Systeme kurz- bis mittelfristig für Kältemittel mit sehr niedrigem Treibhauspotenzial modifiziert werden. Der obere Treibhauspotenzial-Grenzwert für große Mittel-/Hochdruck-Kaltwassersätze könnte bis zu 630 betragen, was dem Treibhauspotenzial des HFO-Gemisches R513A entspricht, das im Juli 2015 in der SNAP-Richtlinie der EPA auf die Liste der zugelassenen Kältemittel gesetzt wurde. Die Verwendung von R134a wird jedoch ab 2024 schrittweise verboten.

Bei Mittel-/Hochdruck-Kaltwassersätzen weisen die Alternativen mit 125 bis 750 ein mittleres Treibhauspotenzial auf – vorausgesetzt, Nutzer akzeptieren ein Kältemittel der Sicherheitsgruppe A2L (schwer entflammbar). Diese Alternativen sollten ebenfalls für Systeme akzeptabel sein, die im Freien oder in Maschinenräumen aufgestellt werden. Der Markt wird wahrscheinlich auf die Alternativen umsteigen, die das beste Verhältnis zwischen niedrigen Systemkosten und hoher Systemleistung bieten. Wir gehen davon aus, dass Kältemittel mit hoher Dichte/hohem Druck dazu gehören werden (Treibhauspotenzial beträgt etwa 500 bis 750).

In VRF-Systemen werden im Vergleich zu Systemen mit Luftkanälen relativ hohe Kältemittelmengen verwendet. Dies liegt an den dezentralisierten Verdampfern und den langen und verzweigten Rohrleitungsstrecken. Für eine Reduzierung der Rohrleitungsgröße sind Kältemittel mit mittlerer bis hoher Dichte erforderlich. Für R410A stellen A2L-Kältemittel wie R32 oder DR55 die einzigen Alternativen dar.

Bei der Verwendung von A2L-Kältemitteln spielen Sicherheitsnormen wie die EN 378 und ISO 5149 eine wichtige Rolle. In den aktuellen Versionen wurde die zulässige Menge von A2L-Kältemitteln erheblich erhöht. Die Arbeitsgruppe um die ASHRAE 15-Norm beschäftigt sich ebenfalls mit dem zukünftigen Bedarf an Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial. Obwohl diese Sicherheitsnormen zwingend eingehalten werden sollten, sind sie allein als Schutzmaßnahme noch nicht ausreichend. Viele lokale Brandschutzbestimmungen schränken die Verwendung von A2L-Kältemittel erheblich ein. Innovative alternative Fluide zur Umwälzung werden fortwährend weiterentwickelt. Eine offensichtliche Wahl für Zirkulationssysteme stellt Wasser dar – und selbst CO2 wurde vorgeschlagen. Die jüngsten Maßnahmen des Montreal-Protokolls für die schrittweise Reduktion von FKW rücken Möglichkeiten und Risiken in den Vordergrund, die sich in Verbindung mit der Verwendung von A2L-Kältemitteln ergeben. Die nächsten Jahre werden wahrscheinlich eine weitaus deutlichere Richtung bei der Kältemittelauswahl für VRF-Systeme vorgeben.

Auf den ersten Blick scheint es in der Industriekälte in Bezug auf Kältemittel mit geringerem Treibhauspotenzial keine Probleme zu geben, jedoch sehen wir immer noch mögliche Fallstricke und Raum für Innovationen. Das Kältemittel Ammoniak (NH3) ist aufgrund seines hohen realisierbaren Wirkungsgrads seit langem die erste Wahl für Anwendungen der Industriekältetechnik und wird weiterhin eingesetzt, da der Bedarf an nachhaltigen Kältemitteln steigt. Sicherheitsbedenken könnten den Erfolg von NH3 jedoch möglicherweise einschränken, da es giftig ist; in den letzten zehn Jahren gab es einige schwere Unfälle, aus denen wir als Branche einige wichtige Lehren wie die Vermeidung großer Füllmengen und die sorgfältige Planung des Standorts größerer Anlagen gezogen haben. Dies hat dazu geführt, dass in der Industriekälte neue, innovative Wege zur Reduzierung der Füllmengen gefunden wurden. Eine Möglichkeit, die Füllmenge zu verringern und gleichzeitig die Effizienz zu erhöhen, ist die Kombination von NH3 mit CO2: CO2 kommt die Rolle des Wärmeträgers zu und es wird in den größeren Speichern zirkuliert.

Anwendungen für Gewerbekälte und Lebensmitteleinzelhandel sind in Bezug auf die Systemtypen und die verwendeten Kältemittel sehr verschieden. Dazu gehören Kühlräume, Kühlregale und -theken, sowohl als zentralisierte als auch als Plug-in-Ausführungen – in hermetischen oder autonomen Kühlkreisen mit Verflüssigungssätzen. 

Anwendungen für Gewerbekälte und Lebensmitteleinzelhandel lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen. 

Hermetisch dichte Anwendungen eignen sich für die Verwendung von Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial, die dank geringer Füllmengen sicher sind. In vielen dieser Systeme kommen bereits Kohlenwasserstoffe wie R600a und R290 zum Einsatz. Für die schrittweise Reduktion von Treibhausgasemissionen in der EU sind seit 2016 nur Stoffe mit einem Treibhauspotenzial von unter 150 erlaubt.

Verflüssigungssätze verfügen in der Regel über eine Kältemittelfüllmenge zwischen 5 und 20 kg. Für sie sind bestimmte Sicherheitsvorschriften notwendig, da sie brennbare Kältemittel enthalten und viele dieser Systeme öffentlich zugänglich sind.

Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial wie R404A werden seit vielen Jahren eingesetzt, jedoch weisen neue Alternativen – A1-klassifizierte FKW – ein im Vergleich zu R404A 60 % geringeres Treibhauspotenzial auf. Die Auswirkungen von höheren Verdichter-Heißgastemperaturen auf den Betriebsbereich sowie die Folgen des Kältemittelgleits auf die Kälteleistung stellen jedoch neue Herausforderungen dar. Wir sind davon überzeugt, dass der Markt schnell auf ein Kältemittel mit mittlerem Treibhauspotenzial (von etwa 1.500) umsteigen wird, bevor allmählich weitere Lösungen mit geringerem Treibhauspotenzial (CO₂, R290 (Kohlenwasserstoffe) oder HFO-Gemische) ins Spiel kommen werden.

Zentralisierte Direktexpansionssysteme verbrauchen mit Abstand am meisten Kältemittel. Dies liegt an den großen Kältemittelfüllmengen und den hohen Leckageraten. Es wird geschätzt, dass sie eine Kältemittelmenge nutzen, die mehr als 40 % des Ausgangsniveaus beträgt, das im Rahmen der schrittweisen Reduktion von Treibhausgasemissionen in der EU empfohlen wird. In den letzten zehn Jahren hat sich CO₂ zu einem alternativen Kältemittel entwickelt und kann in verschiedenen Anlagenkonfigurationen eingesetzt werden:

Transkritische Systeme, bei denen CO2 in allen Kreisläufen (MT und LT) verwendet wird. Transkritische CO₂-Anlagen haben auch die Entwicklung integrierter Heiz- und Kühlsysteme vorangetrieben und die Wahl des Kältemittels mit der Art des Systems verknüpft.
Indirekte Systeme, bei denen ein kaltwassersatzähnlicher Verbund mit FKW, KW oder NH3 das CO2 in einem Sammler kühlt, der dann im MT-Kreis zirkuliert und den MT-Kreis kühlt. TK ist ebenfalls mit CO₂ abgedeckt und kondensiert entweder direkt zur Kältemaschine auf der Oberseite oder zum CO₂-MT-Kreis. 
Kaskadenanlagen, bei denen CO₂ nur im TK-Kreislauf eingesetzt und in den NK-Kreislauf mit FKW kaskadiert wird. Diese Art von System nutzt trotzdem noch etwa 80 % der in einem herkömmlichen System verwendeten FKW-Kältemittelmenge
Die Umgebungstemperatur und damit der geografische Aufstellungsort beeinflussen die Energieeffizienz eines Systems. Transkritische CO₂-Systeme sind bekannt dafür, dass sie sehr empfindlich auf eine Veränderung der Außentemperatur reagieren. Allerdings haben die neuesten Lösungen mit Einspritztechnologie den Gesamtwirkungsgrad von CO₂-Systemen deutlich erhöht – das gilt auch für sehr warme Klimazonen. Wir erwarten, dass ihr Marktdurchbruch in den nächsten Jahren stattfinden wird.