05.12.2024

Verbannung von FCKW Kältemitteln aus Temperiergeräten

Haron Sekkai , Ingenieurbüro Haron Sekkai

Der Fachartikel bietet einen kurzen Überblick über die Entwicklungen von Kältemitteln in Temperiergeräten der letzten 40 Jahre, insbesondere hinsichtlich ihrer klimatischen Auswirkungen. Dabei werden zwei zentrale Kenngrößen vorgestellt, die zur Bewertung der Klimaschädlichkeit von Kältemitteln dienen.

Der Artikel thematisiert die Fortschritte in der Kältetechnologie und die Bemühungen um umweltfreundlichere Alternativen, um den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren.

Rückblick

In den 1980er Jahren wuchs das Umweltbewusstsein in der Bevölkerung, geprägt durch Berichte über Umweltprobleme wie das durch sauren Regen verursachte Waldsterben und das sich vergrößernde Ozonloch in der Antarktis. Diese Themen waren omnipräsent in Medien und führten zu einem Bewusstsein auch für die Gefahren der globalen Umweltbelastung.

Ozon (O₃) z.B. wirkt in der Stratosphäre als Schutzschild gegen UV-Strahlung. Der Abbau des Ozons hat dramatische Folgen, darunter Sonnenbrände bei Menschen und Meeresbewohnern wie Walen und Pinguinen sowie eine höhere Wahrscheinlichkeit von Erblindungen bei Menschen und Tieren. Eine erhöhte UV-Strahlung steigert auch das Risiko für Hautkrebs bei Menschen.

Entdeckung der Ursachen, die zum Ozonabbau und zur globalen Klimaerwärmung führten

Bild 1: Ozonloch über der Antarktis;
Quelle: DLR [CC-BY]

Bereits in den 1970er Jahren erforschten Wissenschaftler das Ozonloch, unter ihnen der Atmosphärenchemiker und Nobelpreisträger Paul Jozef Crutzen. Er identifizierte die Mechanismen des Ozonabbaus und stellte fest, dass neben Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) auch Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW), insbesondere Chlor-Verbindungen, schädlich für die Ozonschicht sind. Zuvor wurde schon Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Hauptverursacher der globalen Klimaerwärmung (Treibhauseffekt) erkannt.

Seit der Industrialisierung im 19. Jahrhundert steigt der CO₂-Ausstoß kontinuierlich, was dazu führt, dass z.B. die natürlichen Prozesse der biologischen Fotosynthese nicht mehr ausreichen, um das Gas zu binden. Hinzu kommen sogenannte Treibhausgase, die wie Kohlenstoffdioxid ebenfalls in die Atmosphäre gelangen und wie eine Decke die Wärmeenergie in der Atmosphäre halten. Dies führte und führt zu steigenden globalen Temperaturen mit extremen Wetterereignissen wie Dürren und Starkregen, die heute immer wieder in den Nachrichten thematisiert werden.

FCKW in Temperiergeräten

Bild 2: Strukturformel
Dichlordifluormethan

In den 1980er Jahren wurden FCKW wie Dichlordifluormethan (Bild 2), bekannt als R-12 oder Freon-12, ein Standard-Kältemittel in Temperiergeräten. Das Molekül besteht aus einem Kohlenstoffatom, zwei Fluoratomen und zwei Chloratomen. R-12 wurde nicht nur als Kältemittel, sondern z.B. auch als Treibmittel in Spraydosen eingesetzt. Die weitverbreitete Verwendung solcher Stoffe trug erheblich zur Schädigung der Ozonschicht bei und führte schließlich zu einer globalen Reaktion gegen FCKW.

Verbannung von FCKW Kältemitteln in Temperiergeräten

Bereits Mitte der 1980er Jahre war klar, dass FCKW - nicht nur - in der Kältetechnik nicht mehr tragbar waren. 1989 wurde beschlossen, schädliche FCKW zu verbannen, und am 1. August 1991 trat in der Bundesrepublik Deutschland die FCKW-Halon-Verbots-Verordnung in Kraft.

Seit 2000 ist der Einsatz von FCKW und H-FCKW in neuen Temperiergeräten verboten. Im Laufe der Zeit kamen weitere Einschränkungen hinzu. Es wurde das Ozonabbaupotential (ODP, Ozone Depletion Potential) definiert, welches Stoffe in Hinblick auf ihr Potenzial die Ozonschicht zu schädigen vergleichbar macht. Bei R-12 beispielsweise liegt der ODP-Wert bei 1. Stoffe mit einem ODP-Wert von 0,01 oder niedriger gelten als Ozon-unschädlich, da sie nur einen minimalen Einfluss auf die Ozonschicht haben.

Ebenso wurde der GWP-Wert (Global Warming Potential) eingeführt, der als Parameter für die Klimaerwärmung zu sehen ist. Der GWP-Wert gibt an, wie viel Wärme ein Treibhausgas im Vergleich zu Kohlenstoffdioxid über einen bestimmten Zeitraum (meist 100 Jahre) in der Atmosphäre speichern kann. ODP und GWP ermöglichen jetzt eine vergleichende Bewertung von Kältemitteln in Temperiergeräten in Bezug auf ihre Umweltauswirkungen. Je kleiner der ODP-Wert ist (ODP < 0,01) desto besser für die Erholung der Ozonschicht, während niedrigere GWP-Werte ebenfalls auf umweltfreundlichere Kältemittel hinweisen. Weitere Details zu ODP und GWP werden im Artikel noch behandelt.

Umsetzung des FCKW und H-FCKW Verbots

Bild 3 links: Paul Crutzen Wikimedia,
Biswarup Ganguly [CC BY-SA]
rechts: Peter Huber,
Peter Huber Kältemaschinenbau SE

Paul Jozef Crutzen führte seine Forschungen zur Ozonschicht und zum Ozonabbau in der Stratosphäre in Höhenlagen von etwa 10 bis 50 km und bei Temperaturen von -60°C und darunter durch. Für seine Laborversuche und Simulationen nutzte er unter anderem den Unistat 420w-HT von Huber Kältemaschinenbau, ein Temperiergerät mit einem Temperaturbereich von -120 °C bis 300 °C. Die tiefen Temperaturen und hohen Kälteleistungen waren entscheidend für seine Experimente.

Der Firmengründer Peter Huber interessierte sich stark für diese Forschungsergebnisse und setzte alles daran, Temperiergeräte zu entwickeln, die schnellstmöglich frei von FCKW und H-FCKW sein sollten. Bereits 1993 und 1994 - sieben Jahre vor dem offiziellen Ausstieg - brachte Huber eine Produktpalette auf den Markt, die FCKW-frei und H-FCKW-frei (sechs Jahre vor dem Ausstieg) war. Bild 4 zeigt ein solches Temperiergerät, das bereits 1993 mit umweltfreundlichen Kältemitteln ausgestattet war.

Weiterentwicklungen bei Temperiergeräten in Bezug auf ODP und GWP

Bild 4: Unistat Tango mit
umweltfreundlicherem Kältemittel

Nicht nur Hersteller von Temperiergeräten, sondern auch Unternehmen aus der Chemie- und Pharmabranche suchten nach umweltfreundlichen Lösungen. Ein Beispiel ist die Hoffmann-La Roche AG, die sich verpflichtet hat, ihre K6-Direktive umzusetzen. Diese Vorgabe sieht z.B. vor, ausschließlich Temperiergeräte zu verwenden, die keine klimaschädlichen Kältemittel enthalten.

Peter Huber und seine Nachfolger haben eine Entwicklung initiiert, die heute nahezu ausschließlich Temperiergeräte in NR-Technik (Natural Refrigerant) hervorbringt, also Geräte mit natürlichen Kältemitteln. Natürliche Kältemittel sind vorteilhaft, da ihr Beitrag zur globalen Klimaerwärmung und Umweltbelastung sehr gering ist.

Bezüglich NR-Kältemittel gibt es zwei Varianten:

1. Einsatz von natürlichen Kältemitteln wie Propan (C₃H₈).
   
2. Einsatz des natürlichen Kältemittels Kohlenstoffdioxid (CO₂).

Beide Varianten tragen dazu bei, die Klimabilanz von Temperiergeräten weiter zu verbessern.

Bild 5: Strukturformel Propan

Variante 1: NR-Kältemittel (organische Kohlenstoffverbindungen)

Hier ist z.B. Propan (C₃H₈) zu nennen (auch unter dem Handelnamen R-290 bekannt). Bild 5 zeigt die Strukturformel von Propan. Das Propan-Molekül besteht aus drei Kohlenstoffatomen und acht Wasserstoffatomen, was es zu einem umweltfreundlichen Kältemittel macht, da die Verbindung keine Halogene enthält.

Propan hat einen sehr niedrigen GWP-Wert von 0,02 und Temperiergeräte, die mit Propan betrieben werden, benötigen nur eine geringe Füllmenge an Kältemittel. Zum Beispiel weniger als 100 Gramm, wie im Modell in Bild 6 gezeigt.

Bild 6: Temperiergerät mit
NR (Propan) als Kältemittel mit
einem GWP-Wert von 0,02
und einem ODP-Wert von 0

Im Vergleich zu anderen Herstellern, die ähnliche Produkte mit ähnlichen Kälteleistungen bieten, jedoch keine natürlichen Kältemittel verwenden und GWP-Werte von weit über 1000 aufweisen, zeigt Propan deutliche Vorteile als umweltfreundliche Alternative in der Temperiertechnologie.

Variante 2: CO₂ als Kältemittel

Die unter dem Handelsnamen R-744 vertriebene anorganische gasförmige Kohlenstoff-Sauerstoffverbindung Kohlenstoffdioxid (CO₂, Bild 7), wird ebenfalls als natürliches Kältemittel verwendet. Mit CO₂ betriebene Temperiergeräte, die beispielsweise eine Kälteleistung von 5 kW bei 20 °C bieten, weisen einen GWP-Wert von nur 1 auf.

Im Vergleich dazu hat ein ähnliches Modell, das z.B. mit dem Kältemittel R452A arbeitet einen GWP-Wert von über 2.000. R452A ist ein Gemisch aus Difluormethan (R 32), Pentafluorethan (R 125) und 2,3,3,3-Tetrafluorprop-1-en (R 1234yf). Da die Erderwärmung ja nicht nur durch CO₂, sondern auch durch die Treibhausgase mit hohem GWP verursacht wird, ist CO₂ also in der Temperiertechnologie eine umweltfreundliche Wahl, da es deutlich weniger zur globalen Erwärmung beiträgt als Kältemittel nicht natürlichen Ursprungs.

Bild 7: Strukturformel
Kohlenstoffdioxid

Da natürliche Kältemittel wie Propan und Kohlenstoffdioxid keine Halogene wie Fluor oder Chlor enthalten, ist außerdem ihr ODP-Wert (Ozone Depletion Potential) gleich 0. Das bedeutet, dass diese Kältemittel nicht zum Ozonabbau beitragen. Folglich sind natürliche Kältemittel eine umweltfreundliche Wahl, da sie die Ozonschicht nicht schädigen und somit eine wichtige Rolle im Klimaschutz spielen.

Fazit:

In den letzten 40 Jahren hat sich viel in Bezug auf Kältemittel in Temperiergeräten verändert. Für diejenigen, die im Labor, Kilolabor oder Technikum klimaverträglich arbeiten und Wert auf Umweltschutz legen, ist es heute wichtig, nicht nur die allgemeinen Leistungsdaten wie Kälteleistung und Pumpenleistung zu berücksichtigen, sondern auch die Parameter ODP (Ozone Depletion Potential) und GWP (Global Warming Potential) zu vergleichen. Diese Kennwerte helfen dabei, umweltfreundliche Entscheidungen zu treffen und die Auswirkungen auf das Klima zu minimieren.

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