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Kohlendioxid (CO₂)

Allgemeine Eigenschaften

Wenn man nur von seinen thermodynamischen Eigenschaften ausgeht, ist CO₂ als Kältemittel nicht sehr gut geeignet. CO₂ hat jedoch einige einzigartige thermophysikalische Eigenschaften:

  • Sehr guter Wärmeübergangskoeffizient
  • Relativ unempfindlich gegenüber Druckverlusten
  • Sehr geringe Viskosität

In der Praxis liefern die CO₂-Systeme sehr hohe Leistungen, vor allem wegen des besseren Wärmeaustausches, der sehr geringen Pumpleistung beim Einsatz von CO₂ als Sekundärflüssigkeit und der Möglichkeit, im Winter mit einem sehr niedrigen Verflüssigungsdruck zu arbeiten.

Die Effizienz von Systemen mit CO₂ hängt mehr von der Anwendung und dem Klima ab als bei anderen Kältemitteln. Bei allen Kältemitteln sinkt der Wirkungsgrad des Systems mit steigender Verflüssigungstemperatur, CO₂ gehört jedoch zu den Kältemitteln mit dem stärksten Abfall. Die guten thermophysikalischen Eigenschaften von CO₂ können dies teilweise kompensieren, aber es gibt eine Grenze.

CO₂ hat einen hohen Energiegehalt bei höheren Temperaturen, und wenn diese Wärme zur Erwärmung von Sanitärwasser oder ähnlichen Anwendungen genutzt werden kann, steigt der Wirkungsgrad des Gesamtsystems sehr stark.

Umweltverträglichkeit

Aus ökologischer Sicht ist CO₂ ein sehr attraktives Kältemittel mit einem Ozonabbaupotential von 0 und einem Treibhauspotential von 1. Es ist eine natürlich vorkommende Substanz und kommt reichlich in der Atmosphäre vor.

Druck und Temperatur

CO₂ ist ein Hochdruckkältemittel, bei dem hohe Betriebsüberdrücke für einen effizienten Betrieb erforderlich sind. Während eines Stillstands kann die Umgebungstemperatur die kritische Temperatur erreichen und übersteigen und der Druck kann den kritischen Druck übersteigen. Folglich werden diese Systeme ausgelegt, um einem Druck von bis zu 90 bar standzuhalten, oder sie werden mit einem kleinen Verflüssigungssatz für den Stillstand ausgestattet, um eine niedrige Temperatur zu gewährleisten.

Gleichzeitig hat CO₂ ein niedriges Verdichtungs-Druck-Verhältnis (20 bis 50 % geringer als FKW und Ammoniak), was den volumetrischen Wirkungsgrad verbessert. Bei Verdampfungstemperaturen im Bereich von –55 bis 0 °C beträgt die volumetrische Leistung von CO₂ bspw. das 4- bis 12-Fache der volumetrischen Leistung von Ammoniak. Das wiederum ermöglicht den Einsatz von Verdichtern mit kleinerem Hubvolumen.

Der Tripelpunkt und der kritische Punkt von CO₂ liegen sehr nahe am Betriebsbereich. Der kritische Punkt kann während des normalen Betriebs des Systems erreicht werden. Während der Wartung des Systems kann der Tripelpunkt erreicht werden. Dies zeigt sich durch die Bildung von Trockeneis, wenn Teile des Systems, die Flüssigkeit enthalten, dem Umgebungsdruck ausgesetzt werden. Besondere Verfahren sind erforderlich, um bei der Wartung die Bildung von Trockeneis während des Entlüftens zu verhindern.

Wechselwirkungen mit Werkstoffen

CO₂ reagiert nicht mit herkömmlichen Metallen oder mit Teflon®-, PEEK- oder Neopren-Komponenten. Es diffundiert jedoch in Elastomeren und kann so zu Schwellungen von Butylkautschuk (IIR), Akrylkautschuk (NBR) und Ethylen-Propylen-Dien-Werkstoffen (EPDM) führen.

Die Dichte von flüssigem CO₂ ist etwa 1,5-mal höher als die von Ammoniak, was zu einer höheren Massefüllung in Verdampfern, wie z. B. großen Plattenkühlern in großen Industrieanlagen, führt. Eine höhere Dichte ist gleichbedeutend mit einer höheren Ölzirkulation. Daher sind für Industrieanlagen effektive Ölabscheider erforderlich.

Kosteneffizienz

CO₂ ist ein Nebenprodukt diverser Industrien, weshalb der Preis von CO₂ sehr niedrig ist. Allerdings sind CO₂-Systeme aufgrund höherer Drücke (in transkritischen Systemen) oder höherer Komplexität (sowohl in transkritischen als auch in unterkritischen Systemen) tendenziell teurer als herkömmliche Systeme. Die Komplexität der Systeme scheint mit der Einführung von Booster-Systemen zu sinken, und da die Zahl der CO₂-Installationen zugenommen hat, hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass sich die Kosten den Kosten der Referenzsysteme mit FKW annähern.

Große Systeme mit CO₂ auf der Sekundärseite lassen sich vor allem in Industriekälteanwendungen kostengünstiger bauen als Systeme mit Glykol, was sich in niedrigeren Anschaffungs- und Lebenszykluskosten niederschlägt.

Anwendungen

Im Gegensatz zu anderen Kältemitteln kommt CO₂ in der Praxis in drei unterschiedlichen Kältezyklen zum Einsatz – und zwar sind dies:

  • Subkritische Zyklen (Kaskadenanlagen) 
  • Transkritische (Systeme nur mit CO₂)
  • Sekundärflüssigkeit (CO₂ als flüchtige Sole) 

Die verwendete Technik ist von der jeweiligen Anwendung sowie vom Standort der Anlage abhängig. Es gibt einige Anwendungsbereiche, für die CO₂ schon heute attraktiv ist und in großem Umfang eingesetzt wird. 

  • Industriekälte. CO₂ wird im Allgemeinen im Zusammenspiel mit Ammoniak verwendet – entweder in Kaskadenanlagen oder als flüchtige Sole 
  • Kältetechnik im Lebensmitteleinzelhandel
  • Wärmepumpen
  • Transportkühlung

Danfoss glaubt, dass CO₂ das wichtigste Kältemittel in Mehrkomponenten-Kälteanlagen sein wird. Die F-Gas-Verordnung ist ein klarer Schritt in diese Richtung. 

CO₂-Systeme können auch auf die Wärmerückgewinnung erweitert werden. In vielen Fällen ist die Höhe der zusätzlichen Investition zur Gewinnung der Abwärme vernachlässigbar, was sich in mehreren Fällen gezeigt hat.

CO₂-Anwendungen im Lebensmitteleinzelhandel und in der Industriekälte

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CO₂-Anwendungen im Lebensmitteleinzelhandel

CO₂-Anwendungen in der Industriekälte

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