Kältemittel - Ein Überblick: Thermo-dynamische, sicherheits- und umwelt-relevante Herausforderungen
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KÄLTEMITTEL
Kältemittel – Ein Überblick: Thermo-
dynamische, sicherheits- und umwelt-
relevante Herausforderungen
Autor
Dipl.-Ing. Edgar Timm, ETSuS UG, Kulmbach
Kältemittel . Alternativen . F-Gase . low-GWP . brennbar . Re- Refrigerants – an overview: Thermodynamical, safe-
gularien ty and environmental challenges
Zum Erreichen der Klimaziele ist der Einsatz von Kältemitteln Refrigerants . alternatives . F-Gases . flammable . low-GWP . regula-
mit geringem Treibhauspotenzial notwendig. Alternative Käl- tions
temittel verfügen über Eigenschaften, wie die Brennbarkeit,
die bei der Anwendung zu berücksichtigen sind. Dieser Artikel The use of low-GWP refrigerants is key to achieve the climate tar-
fasst die aktuelle Situation zusammen. gets. The new alternatives have properties – like flammability. These
properties must be considered as a new refrigerant is selected and
used. This paper summarise the currents status.
Einleitung rium. Der Einsatz der etablierten Kälte- gen, (600er-Reihe; Kohlenwasserstoffe
Die Kältetechnik ist eine Basistechnolo- mittel wird dadurch eingeschränkt, wie Butan, Isobutan (R600a), sauerstoff-
gie, die für unser tägliches Leben von gleichzeitig werden Alternativen neu haltige, schwefelhaltige und stickstoff-
herausragender Bedeutung ist (in der eingeführt, die in den meisten Fällen je- haltige organische Verbindungen)
derzeitigen Situation ist sie sicher als doch hinsichtlich der sicherheitsrelevan- ■■ Anorganische Stoffe (700er- und
„systemrelevant“ einzustufen). Die An- ten Eigenschaften neu bewertet werden 7000er-Reihe, dazu gehören auch Am-
wendungsgebiete reichen von der Kryo- müssen. Dieser Artikel gibt einen Über- moniak (R717), Kohlendioxid (R744),
technologie im Temperaturbereich von blick über die derzeitige Situation. Wasser (R718) und Distickstoffoxid
weit unter -100°C bis zu Hochtempera- (R744A)).
tur-Wärmepumpen mit Anwendungs- Kältemittel – Nomenklatur und Klassi-
temperauren von weit über 100°C. Die fizierung Reinstoffe – Ungesättigte organische Ver-
Leistungen reichen von wenigen Watt im Die Bezeichnung der Kältemittel ist im bindungen:
Bereich medizinischer Anwendungen bis international anerkannten ANSI/ASH- ■■ 1000er-Reihe; dazu gehören u.a. Pro-
zu mehreren Megawatt in der Energie- REA Standard 34 [ASHRAE1] geregelt. pylen und die HFO (Hydro-Fluor Olefi-
versorgung oder Prozesstechnik. Trotz Die Norm klassifiziert die Kältemittel in ne).
der Bandbreite der Leistungsbedarfe und verschiedenen Gruppen nach Art des
Anwendungen ist die mechanische Käl- Ausgangsstoffes: Kältemittelgemische:
teerzeugung mittels Kaltdampf-Kom- ■■ Zeotrope Gemische; 400er-Reihe (Ge-
pressionskältemaschinen die mit wei- Reinstoffe – Gesättigte Verbindungen: mische aus mehreren Komponenten,
tem Abstand dominierende Technologie. ■■ Methan-Serie (Methan und holge- die einen Temperaturgleit aufweisen)
Die Gründe für diesen Erfolg sind – trotz nierte Methanverbindungen, z.B. R23, ■■ Azeotrope-Gemische; 500er-Reihe
verfügbarer und bekannter alternativer R32) (Gemische aus mehreren Komponenten,
Technologien – u.a. die Effizienz, Zuver- ■■ Ethan-Serie (Ethan und holgenierte die sich beim Phasenwechsel wie ein
lässigkeit, Anwendungsflexibilität und Ethanverbindungen, z.B. R134a, R170) Reinstoff verhalten)
die Kosteneffizienz. ■■ Ether (nur Dimethylether E170) Das Präfix R (Refrigerant) geht einem
Das verwendete Kältemittel ist dabei ■■ Propan-Serie (Propan und hologe- alphanumerischen Code voran. Als Prä-
von zentraler Bedeutung für die Erfül- nierte Propanverbindungen, z.B. R290) fix kann auch eine Buchstabenkombina-
lung der Anwendungsaufgabe. Neben ■■ Cyclische Kohlenwasserstoffe (bisher tion verwendet werden, die den Grun-
der thermodynamischen Eignung ist die nur C318 Okto-Flour-Cyclobutan) delementen des Moleküls entspricht
Umweltrelevanz ein wesentliches Krite- ■■ Verschieden organische Verbindun- (Bsp. CFC für Chloro-Fluoro-Carbons
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(entspricht im Deutschen den FCKW 1 Beispiele Nomenklatur Kältemittel nach ANSI/ASHRAE 34
(vollhalogenierten) Fluorchlorkohlen-
wasserstoffen). Bsp: R32 entspricht R0032 R152a entspricht R0152a
Z1: Anzahl der Doppelbin- Z1 = 0 keine Doppelbindung Z1 = 0: keine Doppelbindung
Nomenklatur Reinstoffe dungen im Molekül
Die Kombination aus Zahlen und Buch- Z2: Anzahl der Kohlenstoff- Z2 = 0:1 Kohlenstoffatom C Z2 = 1:2 Kohlenstoff-
staben lässt auf die chemische Zusam- atome minus 1 atome C2
mensetzung und Struktur des Kältemit- Z3: Anzahl der Wasserstoff- Z3 = 3:2 Wasserstoffatome H2 Z3 = 4 Wasserstoffatome H4
tels schließen. Dem Präfix folgt der Zah- atome plus 1
lencode, darauf folgt/folgen ein Buchsta- Z4: Anzahl der Fluoratome Z4 = 2:2 Fluoratome F2 Z4 = 2:2 Fluoratome F2
be/mehrere Buchstaben als Suffix je n: Isomer bei Etahn-Derivaten, nm Isomer bei Propan-Derivaten
nach Molekülstruktur. Grundsätzlich ist
Summenformel: R32: CH2F2 R152: C2H4F2
der Zahlencode vierstellig, führende
Strukturformel R32: CH2F2 R152 : CH2F-CH2F
Nullen werden nicht angezeigt, die
Isomer (kein Isomer möglich) n = a (1 mögliches Isomer)
Darstellung in allgemeiner Form ist
R-Z1Z2Z3Z4 nm (N). Die Bedeutung der Strukturformel R152a: CHF2-CH3
einzelnen Elemente ist in Tabelle 1 bei-
spielhaft erklärt.
(N) kennzeichnet die Struktur des Mole- bau der Ozonschicht (ODS: Ozone Deple- CO2 = 1) für einen bestimmten Zeitraum
küls in Relation zur Doppelbindung bei ting Substance). Der Wert ist willkürlich (üblicherweise 100 Jahre) beschreibt.
ungesättigten Verbindungen (Bsp.: als 1 für das Kältemittel R11 festgesetzt. Wie beim ODP sind die Zusammenhän-
R1234ze(E)). Ist im Molekül Jod oder Die Ermittlung der Werte ist komplex ge in der atmosphärischen Chemie äu-
Brom enthalten, so wird der Bezeichnung und von vielen Faktoren abhängig, wie ßerst komplex und von vielen Faktoren
I (für Jod) bzw. B angestellt und mit der etwa der atmosphärischen Lebensdauer abhängig. Die Reduktion auf einen
Anzahl ergänzt (Bsp.: R13B1; R13I1). und der chemischen Zusammensetzung Kennwert erlaubt den einfachen Ver-
Bei Gemischen wird eine Kombination der Verbindung (u.a. Anzahl Cl-, Br-, gleich zwischen den Substanzen trotz
aus Reinstoffen mit einer fortlaufenden I-Atome). der tatsächlichen Komplexität.
Nummer versehen, beginnend mit 4 für Das Montreal Protokoll ist in seiner Aktuelle Regularien wie das Kigali
zeotrope und 5 für azeotrope Gemische. globalen Anwendung ein äußerst erfolg- Amendment zum Montreal Protokoll
Das Suffix in Großbuchstaben kenn- reiches Abkommen und regelt das Ver- oder die Europäische F-Gas-Verordnung
zeichnet eine definierte Zusammenset- wendungsverbot (phase out) der schädli- [FGAS1] verwenden das CO2-Äquivalent
zung. Ein Gemisch aus den Komponen- chen Substanzen. Ursprünglich sind le- (CO2e) von Kälteanlagen zur Bewertung.
ten (R-32 / 125 / 134a) hat die Nummer diglich acht Substanzen geregelt. Es ist Das CO2-Äquivalent ist die Masse an
R407. In der Zusammensetzung (in Mas- das Ziel, keine Substanzen zu verwen- Kältemittel multipliziert mit dem GWP
senprozent) 23% R32, 25% R125 und den, die ein Ozonabbaupotenzial haben des verwendeten Kältemittels (pro Ge-
52 % R143a wird es zu R407C. (ODP = 0). Werden im Zuge der Suche räte-Einheit, System oder über eine be-
nach Ersatzstoffen mit geringem Treib- stimmte Periode). Die Berechnung er-
Kältemittel – Umweltrelevanz hauspotenzial Stoffe vorgeschlagen, die folgt in to- CO2-Äquivalent. (Beispiel:
Kältemittel haben aufgrund ihrer Eigen- nicht als ODS geregelt sind, wird diese Eine gewerbliche Kälteanlage mit 50 kg
schaften einen zum Teil erheblichen Ein- Forderung aufgeweicht. So ist das ODP R404A hat ein CO2-Äquivalent von 50 kg
fluss auf unsere Umwelt. Die Ozon zer- von N2O (R744A) 0,017 [WMO1]. N20 * 3940 (GWP nach [AR5]) CO2e/kg, dies
störende Wirkung der FCKW- und (Lachgas) wird im Bereich von Anwen- entspricht 197 to CO2e. Ziel der Verord-
HFCKW-Kältemittel führte zum erfolg- dungstemperaturen unterhalb von nungen ist die stufenweise Reduzie-
reichsten Umweltabkommen der Verein- -50 °C als Ersatzstoff diskutiert. Auch rung des CO2-Äquivalents in 2036 auf
ten Nationen – dem Montreal Protokoll. andere aktuell diskutierte Stoffe, wie das maximal 15% des Basiswertes (phase
Mit dem Kigali Amendment und dem als A1 eingestufte R466A [ASHRAE2], sol- down).
Paris-Agreement sind weitere Bausteine len über ein geringes ODP verfügen (der-
hinzugekommen, die den umweltschäd- zeit keine Einschränkung der Verwen- Gesamte Emissionen: direkt und indirekt
lichen Einflüssen u.a. der Kältemittel ent- dung geregelt). Bei der Bewertung neuer Neben dem GWP wird mit anderen Kenn-
gegenwirken sollen. Diese Instrumente Kältemittel mit geringem Treibhauspo- zahlen bzw. Konzepten auch der Beitrag
haben vorrangig die Einschränkung von tenzial ist darauf zu achten, dass da- der indirekten Emissionen berücksich-
Emissionen zum Ziel. Der Beitrag der durch keine Verschlechterung eintritt – tigt. Die indirekten Treibhausgas-Emissi-
Kältemittel ist über direkte Emissionen für Aufgabenstellungen, die bereits ge- onen im Bereich der Kälte- und Klima-
(Kältemittel entweicht in die Atmosphä- löst erschienen. technik werden je nach Quelle zwischen
re) und indirekt aus dem Energiever- 63 % bis 75 % der Gesamtemissionen
brauch und dem damit emittierten CO2 Treibhauspotenzial: direkte Emissionen angegeben. Sollten bei unverändertem
der Anlagen gegeben. GWP und CO2-Äquivalent Marktvolumen, gleichbleibender durch-
Das GWP (Global Warming Potential) ist schnittlicher Effizienz und unveränder-
Ozonzerstörungspotenzial ein physikalischer Index, der den Ein- tem Strommix die Ziele des Kigali
Das Ozonzerstörungspotenzial (ODP: fluss einer Substanz im Strahlungs- Amendments erreicht werden, läge
Ozone Depletion Potential) ist ein Maß Haushalt der Erde im Vergleich zur Re- der indirekte Beitrag bei über 90%.
für den Beitrag einer Substanz zum Ab- ferenzsubstanz Kohlendioxid (GWP Dies unterstreicht die Notwendigkeit,
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auch den Energieverbrauch über die
1
Lebensdauer der Anlage zu berücksichti-
gen.
Gesamter äquivalenter Treibhauseffekt
TEWI (Total Equivalent Warming Impact)
Der Vorteil einer einzelnen Kennzahl pro
Substanz als Steuerungsinstrument lässt
sich bei der Kombination direkter und
indirekter Einflüsse nicht mehr aufrecht-
erhalten. Trotz der Vorteile des ganzheit-
lichen Ansatzes wie beim TEWI, ist die
politische Akzeptanz als Steuerungsmit-
tel noch gering. Das Konzept ist zwar in-
formativ in die Sicherheitsnorm EN 378
integriert, fehlt aber in der Umweltge- Das LCCP Konzept
setzgebung.
Der TEWI-Wert ist definiert als Sum-
me aus direktem Treibhauspotenzial 2 Gering Toxisch Erhöht Toxisch
durch Leckagen und Rückgewinnungs- Keine Flammausbreitung A1 B1
verluste und dem indirekten Anteil aus schwer endzündlich A2L B2L
dem Energieverbrauch über die Lebens- endzündlich A2 B2
dauer der Anlage. Der Wert berechnet
hoch endzündlich A3 B3
sich zu
Sicherheitsklassen der Kältemittel nach ISO 817
TEWI = (GWP * (La * n + m)) + (Ea * ß * n)
3a Referenzbedingungen Brennbarkeitsklassen ISO817
mit
■■ GWP: Global Warming Potential in CO2e Klasse Flamm- UEG HC Su
■■ La: jährliche Leckrate des Kältemittels
ausbreitung /Vol. % Verbrennungs- Flamm-
wärme geschwindigkeit
(kg) /KJ/kg /cm/s
■■ m: Rückgewinnungsverluste (kg)
■■ n: Lebensdauer in Jahren Referenz (60 °C; 101,3 kPa) (23 °C; 101,3 kPa) (25 °C; 101,3 kPa) (23 °C; 101,3 kPa)
■■ E a: jährlicher Energieverbrauch Bedingung
(kWh/a)
■■ ß: CO2-Emissionen per kWh 1 Nein NA NA NA
2L Ja > 3,5 < 19.000 < 10
Gesamter äquivalenter Treibhauseffekt 2 Ja > 3,5 < 19.000 > 10
LCCP
3 Ja < 3,5 oder > 19.000 Nicht definiert
Noch umfassender ist eine Betrachtung
nach dem Konzept der LCCP (Life Cycle
Climate Performance). Hierbei werden ergeben sich bestimmte Auflagen bzw. beitsplatzgrenzwert AGW (früher MAK:
auch die Emissionen einbezogen, die bei Anforderungen. Dies kann u.a. den Ein- Maximale Arbeitsplatzkonzentration, die
der Produktion der Materialien und des satz, die Handhabung, den Transport ISO verweist noch auf den MAK-Wert)
Kältemittels entstehen. Energetische oder auch die Entsorgung betreffen. > 400ppm
Aufwendungen beim Recycling des Pro- ■■ B: Höhere chronische Toxizität:
duktes am Ende seiner Lebensdauer wer- ISO 817: Refrigerants – Designation and Maximaler AGW (MAK) < 400ppm
den in diesem Konzept ebenso berück- safety classification Dabei ist zu beachten, dass z.B. der AGW
sichtigt wie der direkte Beitrag der bei Die wesentliche Norm mit Hinblick auf wie der MAK-Wert einen Wert bei regel-
Zersetzung der Kältemittel entstehen- die sicherheitsrelevante Bewertung ver- mäßiger Exposition des Menschen als
den Abbauprodukte [MAK1]. Die Be- schiedener Kältemittel ist die ISO 817 Durchschnittswert über eine Arbeits-
standteile des Konzeptes sind in Abb. 1 [ISO1] mit den Ergänzungen [ISO2, ISO3]. schicht mit in der Regel 8 Stunden und
zusammengefasst. Die Norm bildet die Basis für die Sicher- einer 5-Tage-Woche darstellen. Akute
heitsstandards für Kälteanlagen und Werte liegen in der Regel deutlich höher,
Kältemittel – Einstufung nach Sicher- Wärmepumpen (DIN EN 378 T1-4, sie werden in der ISO 817 u.a. durch den
heitsklassen DIN EN 60335-2-24, -40, -89 etc. und die ATEL-Wert (Acute Toxicity Exposure Li-
Chemische Substanzen werden in ver- ISO 5149) hinsichtlich der Einstufung der mit) beschrieben.
schiedenen Regularien hinsichtlich ihres Kältemittel.
Gefährdungspotenzials eingestuft, dies Einstufung der Brennbarkeit
können sowohl Gesetze, Verordnungen Einstufung der Toxizität ■■ Die Norm unterscheidet vier Klassen:
oder auch Normen sein. Je nach Einstu- Es werden zwei Klassen unterschieden: ■■ 1 : Keine Flammausbreitung (no flame
fung und angewandter Richtlinie/Norm ■■ A: Geringere chronische Toxizität: Ar- propagation)
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3b Klassifizierung Entzündbare Gase nach CLP-Verordnung
Klasse Bezeichnung: Entzünd- UEG Explosions- Su Gefahrenhinweis Piktogramm
Entzündbares Gas bar /Vol. % bereich Flammge-
schwindigkeit
Referenz Grundsätzliche Kriterien (20 °C; 101,3 kPa)
Bedingung
1A Ja < 13 % UEG oder Ex.- NA H220: Extrem
Ber. Mind. 12 % entzündbares Gas
1B Wie 1 A und nicht H221:
selbstentzündlich oder Ja UEG > 6 % oder Su < 0,1 m /s Entzündbares Gas
instabil
2 Nicht 1A oder 1B Ja Ja Kein
■■ 2L: Gering entflammbar (lower flam- 2 ASTM E681 Versuchs-
mability) aufbau zur Ermittlung
■■ 2 : Entflammbar (flammable) der Entflammbarkeit
■■ 3 : Höhere Entflammbarkeit (higher
flammability)
Die Kriterien zur Einordnung der Kälte-
mittel in diese Kategorien sind in Tabelle
3a zusammengefasst. Die Kombination
aus den Einstufungen zur Brennbarkeit
und Toxizität führt zur bekannten Einor-
dung gemäß Tab. 2.
Die Tests zur Entflammbarkeit werden
nach der Norm ASTM E681 [ASTM1]
durchgeführt. Eine schematische Darstel-
lung der Versuchsanordnung ist in Abb. 2
wiedergegeben. Nach Norm ist eine Flam-
mausbreitung dann gegeben, wenn nach
der Entzündung, die Flamme in mindes- Classification, Labelling and Packaging) EN1839 [UBA1]) erfolgt als bei der ISO, ist
tens 2 von 3 Fällen reproduzierbar einen setzt die Anforderungen der GHS-Richtli- z. B. R1234ze zwar ein A2L-Kältemittel, je-
Winkel von mindestens 90° erreicht. Die nie in Europäisches Recht um. Die Einstu- doch nicht als entzündbares Gas gemäß
Bewertung erfolgt visuell. fung erfolgt nach physikalischen Gefah- CLP-Richtlinie eingestuft.
Je nach Methode und Bewertungskri- renklassen (bspw. entzündbare Gase,
terien (Anwendung anderer Standards), Gase unter Druck, etc.), Gesundheitsge- Druckgeräte-Richtlinie
kann die Bewertung hinsichtlich der fahren (bspw. Toxizität, Karzinogenität etc.) Die Druckgeräte-Richtlinie [DGR1] teilt
Brennbarkeit anders ausfallen (siehe u.a. und Umweltgefahren (wassergefährdend, Fluide in zwei Gefährdungskategorien
unten CLP-Verordnung). Brennbarkeit ist die Ozonschicht schädigend) [UBA1]. Diese ein. Gruppe 1 sind Stoffe, die als gefähr-
demnach keine physikalische Eigenschaft, Klassen sind je nach Komplexität wiederum lich eingestuft sind, u.a. entzündbare
Brennbarkeit ist eine Frage der Definition in verschiedene Unterkategorien eingeteilt. Gase. Gruppe 2 sind alle Stoffe, die nicht
und der Messmethodik [TAKIZAWA1]. Da die CLP-Verordnung auf eine wesent- zur Gruppe 1 gehören. Eine Zuordnung
Dies führ unter Umständen zur Unsicher- lich größere Anzahl an Substanzen Anwen- der Kältemittel zu den Gruppen nach
heit und Verwirrung bei Anwendern, dung findet, sind die spezifischen Merkma- Druckgeräterichtlinie erfolgt in der
wenn neben der speziell im Bereich der le wie sie in der ISO 817 dokumentiert sind EN378.
Kältetechnik angewandten Normen wei- A1, (A2, A2L und A3) nur bedingt abbildbar.
tere Regularien zu berücksichtigen sind. Mit der Änderung der CLP-Richtlinie [CLP2] Produktsicherheitsgesetz
wurde die Einordnung der Brennbarkeit in Kälteanlagen mit brennbaren Kältemit-
Sicherheitsanforderungen – weitere regu- Analogie zur ISO 817 ergänzt (d.h. u. a. Be- teln sind nach §2 Produktsicherheitsge-
lative Randbedingungen zur Brennbarkeit rücksichtigung der Flammgeschwindigkeit setz [ProdSG] als überwachungsbedürfti-
als weiteres Kriterium). Hinsichtlich der ge Anlage eingestuft. Die sich daraus er-
CLP-Verordnung und GHS Brennbarkeit („Kriterien für die Kategorisie- gebenden Konsequenzen sind in der Be-
Die globale GHS-Richtline [GHS1] der rung entzündbarer Gase“) gelten für Kälte- triebssicherheitsverordnung (BetrSichV)
Vereinten Nationen wurde mit dem Ziel mittel die in Tabelle 3b auszugsweise darge- und den Technischen Regeln Betriebssi-
eingeführt, chemische Substanzen welt- stellten Kriterien. Da die Bestimmung der cherheit (TRBS) beschrieben. Eine Aus-
weit nach der gleichen Methode zu klas- Entzündbarkeit nach CLP-Verordnung nach wahl verschiedener Kältemittel mit ver-
sifizieren und zu kennzeichnen. Die Euro- anderen Kriterien und bei anderen Bedin- schieden Daten zu Einstufung nach Si-
päische CLP-Verordnung [CLP1] (CLP: gungen (Anwendung ISO10156 oder cherheitsnormen inklusive thermodyna-
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4 Daten ausgewählter Kältemittel
KM ODP GWP NSP/NTP Kritische Kritischer Klasse Klasse CLP UEG / LFL UEG / LFL Hc S u* ATEL /ODL
(AR4/ /°C Temp. /°C Druck ISO 817 DGR Kenn- Kg/m3 Vol % Verbrenn.- Flamm- /kg /m3
wärme geschw.
AR5) /MPa zeichnung /MJ/kg /cm/s
R32 0 675/677 -52 78 5,8 A2L 1 H220/H280 0,307 14,2 9,5 6,7 0,300
R152a 0 124/138 -25 113 4,5 A2 1 H220/H280 0,130 4,7 23 16,3 0,140
R290 0 3/3 -42 97 4,2 A3 1 H220/H280 0,038 2,1 46 46,3 0,090
R454B 0 698/676 -51/-50,2 77 A2L 1 H220/H280 0,354 7,3 5,2 9,9 0,47
R454C 0 148/146 -45,9/-39,9 82 A2L 1 H220/H280 0,289 6,1 0,01 (**) 733 -51,7/-50,2 80,6 5,9 A1 2 - - - - ?
R600a 0 3/3 -12 135 3,6 A3 1 H220/H280 0,043 1,8 41 45,6 0,059
R717 0 0/0 -33 132 11,3 B2L 1 H221/H280/ 0,116 7,2 18,6 18,6 0,00022
H331/H314/
H410
R718 0 0/0 100 374 22,1 A1 2 - - - - - -
R744 0 1/1 -78 31 7,4 A1 2 H280 - - - - 0,072
R1234ze 0 4/1 -19 109 3,4 A2L 2 -/H280 0,303 6,4 1,2 10,7 0,28
R1234yf 0 7/1 -26 95 3,6 A2L 1 H220/H280 0,289 6,1 1,5 10,7 0,47
* ISO 817 Nominale Zusammsetzung oder WCF (Worst Case Formulation); **noch keine offiziellen Daten verfügbar
mischer und umweltrelevanter Daten ist kurven“ der derzeitigen Anwendung im Die Suche nach Alternativen
in Tabelle 4 zu finden. Bereich der traditionellen Kältetechnik Derzeit sind fast 200 Kältemittel (Stand
(ohne Tiefttemperatur- oder Hochtempe- 04.2020) vom ASHRAE offiziell klassifi-
Alternative Kältemittel raturanwendungen). ziert und gelistet. Warum erscheint es so
Thermodynamische Eignung der Kälte- Weitere wünschenswerte thermo- schwer, mehr geeignete Alternativen zu
mittel dynamische Eigenschaften sind von ver- den etablierten Kältemitteln zu finden?
Ein Kältemittel muss primär die Anwen- schiedenen Autoren beschrieben wor- Die Antwort liegt in der Chemie und Phy-
dungsaufgabe erfüllen. Druck und Tem- den. Die chemische Stabilität des Kälte- sik der Verbindungen. Als Bausteine für
peraturlage müssen in Abhängigkeit der mittels (in der Anlage) ist eine der An- Kältemittel kommt nur eine bestimmte
Anwendungstemperaturen der Wärme- forderungen, die am häufigsten genannt Anzahl von Elementen in Frage. Eine ver-
senke und Wärmequelle beherrschbar wird, daneben auch günstige sicher- einfachte Bewertung führt zu folgendem
sein. Aus kommerzieller Sicht muss die heitsrelevante Eigenschaften. Die Um- Ergebnis.
volumetrische Kälteleistung eine wirt- weltrelevanz ist wesentlich und der Von den Elementen der acht chemi-
schaftlich sinnvolle Anlagengröße er- Hauptgrund für die derzeitige Suche schen Hauptgruppen bilden die Metalle
möglichen. nach Alternativen. Verfügbarkeit des keine Gase im interessanten Temperatur-
Die Auswahl des Kältemittels erfolgt Kältemittels und der Preis sind ebenfalls bereich. Die Edelgase gehen keine Ver-
zunächst unter Berücksichtigung des Eigenschaften, die beachtet werden bindungen ein, sie finden nur im Tief-
Normalsiedepunkts und des kritischen müssen. Bei der Suche nach Alternativen temperaturbereich Anwendung. Es blei-
Drucks, sodass idealerweise ein Betrieb müssen diese Anforderungen berück- ben als Grundstoffe die Nichtmetalle: die
im Unterdruckbereich oder mit unübli- sichtiget werden und im Vergleich der Halogene (Fluor, Chlor, Brom und Jod)
chen Systemdrücken vermieden wird. Alternativen wird versucht, ein Opti- sowie Wasserstoff, Kohlenstoff, Stick-
Abb. 3 zeigt die Dampfdruckkurven aus- mum zu finden. Es zeigt sich allerdings, stoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel.
gewählter Kältemittel. R718 als Nieder- dass es nicht ein Kältemittel gibt, das in Die Halogene sind hinsichtlich ihrer Um-
druckkältemittel und R744 als Hoch- allen Kriterien überlegen ist [MCLIN- weltrelevanz kritisch zu bewerten, sei es
druckkältemittel bilden quasi die „Grenz- DEN1]. aufgrund ihres Beitrages zum GWP oder
zum OPD in einer Verbindung. Schwefel-
und Phosphorverbindungen sind ten-
3 Dampfdruckkur-
denziell instabil oder toxisch. Es bleiben
ven ausgewählter
Kältemittel
Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und
Stickstoff.
Kombiniert man diese Nichtmetalle,
so lassen sich Verbindungen mit den ver-
schiedensten Eigenschaften kreieren.
Kettenförmige Moleküle wie Kohlenwas-
serstoffe sind bereits ab 5 C-Atomen
(Pentan) bei Umgebungstemperatur
nicht mehr gasförmig, d. h. der Normal-
siedepunkt liegt zu hoch. Hinzu kommt,
dass die Bindungsenergie zwischen dem
Kohlenstoff und Wasserstoff gering ist,
sodass das Molekül leichter reagiert, d.h.
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4 Das „Kältemit- ser und Kohlendioxid – hier sind die Druck-
teldilemma“ lagen die Herausforderung für die Anlage-
technik. Gemische mit hohem Tempera-
turgleit fordern ebenfalls eine Anpassung
der Anlagentechnik und Regelung. Ein-
schränkung in der Anwendung ergeben
sich vorrangig aus regulativen Randbe-
dingungen hinsichtlich der Sicherheit.
Dies wird eine wesentliche Herausforde-
rung, da sich bestehende Anlagen nur
schwer auf brennbare Kältemittel um-
rüsten lassen. A1-Kältemittel als poten-
zielle Drop-in-Lösungen verfügen aber
über GWP-Werte weit oberhalb von 750.
5 Kältemittel Hier besteht Handlungsbedarf, da die
nach Anwen- Anzahl der Bestandsanlagen wesentlich
dungsbereich höher ist als der, der Neuanlagen.
und GWP
LITERATUR
[AR5]: The fifth Assessment Report (AR5) of the
United Nations Intergovernmental Panel
on Climate Change (IPCC), 2014
[ASHRAE1]: ANSI/ASHRAE Standard 34-2019:
Designation and safety classification of
refrigerants, American Society of Heating,
Refrigerating and Air Conditioning Engi-
neers, Atlanta, 2019
[ASHRAE2]: ANSI/ASHRAE Addendum u to
ANSI/ASHRAE Standard 34-2019: Desig-
es wird brennbar. Stabiler werden die nenten führt zu einer Annäherung der nation and safety classification of refrige-
Strukturen durch den Ersatz des Wasser- gewünschten Eigenschaften an be- rants, American Society of Heating, Refri-
stoffs durch Halogene, z.B. Fluor. Dies stimmte Optima. Daraus resultieren oft gerating and Air Conditioning Engineers,
führt dann zu erhöhter atmosphärischer andere Herausforderungen, wie ein ho- Atlanta, 10-2019
Lebensdauer mit den negativen Einflüs- her Temperaturgleit, die dann regelungs- [ASTM1]: ASTM E681-09: 2015 Standard Test
sen auf das GWP bzw. OPD. Fügt man in technisch oder anlagetechnisch abge- Method for Concentration Limits of Flam-
die halogenhaltigen Verbindungen Dop- fangen werden müssen. Neue A1-Kälte- mability of Chemicals (Vapors and Gases),
pelbindungen ein (bspw. bei den HFOs), mittel wie R470A und B verfügen über ASTM International, West Conshohocken,
so sinkt die atmosphärische Stabilität, einen Temperaturgleit von 30K! Eine 2015
das GWP sinkt, aber die Brennbarkeit Auswahl möglicher Kältemittel je An- [CLP1]: Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 des Euro-
wird erhöht. Geringere atmosphärische wendungsbereich in Abhängigkeit des päischen Parlaments und des Rates vom 16.
Lebensdauer führt praktisch zwangsläu- Treibhauspotenzials ist in Abb. 5 zusam- Dezember 2008 über die Einstufung, Kenn-
fig zur Brennbarkeit. Dieses „Kältemittel- mengefasst. zeichnung und Verpackung von Stoffen und
dilemma“ ist am Beispiel der Methan- Gemischen, zur Änderung und Aufhebung
derivate in der Abb. 4 dargestellt. Zusammenfassung/Ausblick der Richtlinien 67/548/EWG und 1999/45/
Bei verzweigten Molekülen werden Die Auswahl eines Kältemittels für seine EG und zur Änderung der Verordnung (EG)
die Stoffeigenschaften durch die funktio- Anwendungsaufgabe wird von einer Viel- Nr. 1907/2006; (ABl. 353 vom 31.12.2008)
nalen Gruppen beeinflusst. Funktionale zahl von Faktoren beeinflusst. Neben der [CLP2]: Verordnung (EU) 2019/521 der Kommis-
Gruppen sind Unterstrukturen innerhalb grundsätzlichen Eignung hinsichtlich der sion vom 27. März 2019 zur Änderung der
eines Moleküls, Beispiele sind Alkohole, Temperatur und Drucklage sind in der ge- Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 des Euro-
Ether, Aldehyde, Ketone und Amine. Je genwärtigen Situation gesetzliche Vorga- päischen Parlaments und des Rates über
komplexer und größer ein Molekül wird, ben, vor allem das Treibhauspotenzial, we- die Einstufung, Kennzeichnung und Ver-
umso höher liegt der Normalsiedepunkt. sentlich. Die Suche nach low-GWP-Kälte- packung von Stoffen und Gemischen
Lediglich die „kleinsten“ Vertreter der mitteln führt zum Einsatz von neuen Kälte- zwecks Anpassung an den technischen
Ether und Amine sind als Kältemittel ge- mitteln. Durch chemische und und wissenschaftlichen Fortschritt (ABl.
eignet (Dimethylether NSP -23°C und physikalische Randbedingungen werden 86 vom 28.3.2019)
Ammoniak -33°C). Für Reinstoffe erge- low-GWP-Kältemittel entwickelt, die hin- [DGR1]: Richtlinie 2014/68/EU des Europäi-
ben sich somit immer chemische bzw. sichtlich ihrer Eigenschaften neu zu bewer- schen Parlaments und des Rates vom
physikalische Grenzen auf der Suche ten sind (Brennbarkeit, Drucklage und 15. Mai 2014 zur Harmonisierung der
nach dem optimalen Kältemittel. Temperaturgleit). GWP- Werte unter 300 Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten
Die Beeinflussung der Stoffeigen- führen praktisch immer zu Kältemitteln, über die Bereitstellung von Druckgeräten
schaften durch Mischung der Kompo- die brennbar sind. Ausnahmen sind Was- auf dem Markt (ABl. 189 vom 27.6.2014)
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KÄLTEMITTEL
[GHS1]: Globally Harmonized System of Amendment 1, ISO International Organiza- of new refrigerants, Proc. Int. Congr. Refri-
Classification and Labelling of Chemicals tion for Standardization, Geneva, 2017 geration, Montréal, 2019, 14-28
(GHS), 8th revised edition, United Nations, [ISO3]: ISO 817:2014 DAM 2:2019 [E] Refrige- [ProdSG]: Gesetz über die Bereitstellung von
New York – Genf; 2019 rants – Designation and safety classifica- Produkten auf dem Markt (Produktsicher-
[FGAS1]: Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Eu- tion Draft Amendment 2, ISO Internatio- heitsgesetz – ProdSG), (BGBl. I S. 1474
ropäischen Parlaments und des Rates vom nal Organization for Standardization, Ge- vom 31.82015)
16. April 2014 über fluorierte Treibhaus- neva, 2019 [TAKIZAWA1]: Takizawa, K.: Challenges of the
gase und zur Aufhebung der Verordnung [WMO1]: Global Ozone Research and Monito- new Landscape of Flammability, Keynote,
(EG) Nr. 842/2006 (ABl. L 150 vom ring Project -Report 52, World Meteorolo- 1st IIR International Conference on the Ap-
20.5.2014) gical Organization, Genf, 2010 plication of HFO Refrigerants, Birming-
[ISO1]: ISO 817:2014 Refrigerants – Designation [MAK1]: Makhnatch, P.; Khodabandeh, R.: The ham, Sept. 2018
and safety classification, ISO International role of environmental metrics (GWP, TE- [UBA1]: Leitfaden zur Anwendung der CLP-Ver-
Organization for Standardization, Geneva, WI, LCCP) in the selection of low GWP ref- ordnung, Umweltbundesamt, Fachgebiet
2014 rigerant, Proc. The 6th International Con- IV 1.1, Dessau-Roßlau; November 2013
[ISO2]: ISO 817:2014/AMnd:2017[E] Refrigerants ference on Applied Energy, Tape, 2014
– Designation and safety classification [MCLINDEN1]: McLinden, M.: Thermodynamics
SERVICE
Normen und Richtlinien
Prof. Dr.-Ing. Achim Trogisch, HTW Dresden, FB Maschinenbau
Gasbefeuerte Wärmepumpen Nutzwasser (falls installiert), der 10 bar Reinraumtechnik
DIN EN 16905 Bl. 2 nicht überschreitet.
VDI 2083 Bl. 3 (Entwurf)
Inhaltlich werden behandelt: Begriffe, Klas-
Titel: Gasbefeuerte endothermische Mo- sifizierung, Anforderungen an die Gestal- Titel: Reinraumtechnik – Messtechnik
tor-Wärmepumpen – Teil 2: Sicherheit tung, betriebliche Anforderungen, Prüfver- veröffentl.: 02/2020
(deutsche Fassung), veröffentl.: 03/2020 fahren, Risikobewertung, Kennzeichnung Einsprüche bis 31.07.2020
und Anweisungen.
Die Norm legt die Anforderungen, Prüfver- Die normativen Anhänge B bis E beinhalten Der Richtlinienentwurf beschreibt Mess-
fahren und Prüfbedingungen für die Bewer- Aussagen zu: Motorstartprüfverfahren, verfahren für Reinräume und die zugehöri-
tung und Leistungsberechnung von Luftkon- Verfahren zur Prüfung der CO-Konzentrati- gen Reinraumbereiche, die bei der Überga-
ditionierern und Wärmepumpen mit gasbe- on, Verfahren zur Prüfung der NOx-Konzen- be, im Rahmen der Qualifizierung von Neu-
feuerten endothermischen Verdichtern fest, tration, Verfahren zur Prüfung des Ausfalls anlagen, der Routinekontrolle und der lau-
die entweder Luft, Wasser oder Sole als der Energieversorgung. fenden Überwachung eingesetzt werden.
Wärmeübertragungsmedium verwenden Die informativen Anhänge AF und G bein- Die beschriebenen Methoden sind speziell
und zur Heizung, Kühlung und der Kälte- halten Aspekte zu: Berechnung der Um- auf die Erfordernisse von Reinräumen aus-
technik dienen (als GEHP-System bezeich- wandlung von NOx, Kennzeichnungsbei- gerichtet. Er gilt für erstmalige und einma-
net). Sie gilt ausschließlich für GEHP-Syste- spiel, Beispiele für die NOx-Berechnung. lige Messungen sowie die fortlaufende
me mit einer maximalen Wärmebelastung oder periodische Überwachung. Inhaltlich
von 70 kW (bezogen auf den Heizwert). Reinraumtechnik werden behandelt: Begriffe, Mess- und
Sie gilt ausschließlich für GEHP-Systeme mit: Prüfverfahren – Übersicht, Durchführung
■■ endothermischen Gasmotoren, die
VDI 2083 Bl. 13.3. der Messungen und Prüfungen, Dokumen-
durch vollständig automatisierte Regelun- (Änderungsentwurf) tation und Mindestanforderungen an das
gen gesteuert werden, Messprotokoll. Der Anhang beschreibt
■■ geschlossenen Kühlkreislaufsystemen, Titel: Reinraumtechnik – Qualität, Erzeu- Messgeräte und Messunsicherheiten.
in denen das Kühlmittel nicht direkt mit gung und Verteilung von Reinstwasser
der zu kühlenden oder zu erwärmenden veröffentl.: 02/2020 TGA
Flüssigkeit in Berührung kommt, Einsprüche bis 30.04.2020
■■ einer Temperatur des Wärmeübertra-
VDI 6210 Bl. 2
gungsmediums im Heizsystem (Heizungs- Der Änderungsentwurf enthält Änderun- Titel: Abbruch von baulichen und techni-
wasserkreislauf), die im Normalbetrieb gen gegenüber der gültigen VDI 2083 schen Anlagen – Arbeiten an technischen
105 °C nicht überschreitet, Bl. 13.3 von 10/2010 Anlagen, veröffentl.: 03/2020
■■ einem höchsten Betriebsdruck: Betroffen sind die Abschnitte: Die Richtlinie gilt für das Planen, Durchfüh-
1. im Heizungswasserkreislauf (falls instal- Abschnitt 4, S. 7, Liste, Punkt „Wasser…“, ren und Nachbereiten von Abbruch und
liert), der 6 bar nicht überschreitet, Abschnitt 5.6.3, S. 23, Rückbau, für das Ausbauen, Bereitstellen
2. Warmwasserbereitungskreislauf für Abschnitt 5.7, S. 24 : „wichtiger Hinweis“ und Konditionieren sowie für das Umschla-
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gen der dabei anfallenden Materialien und von Schaumlöschanlagen ein Leitfaden für Anwendungsbereich der Prüfergebnisse.
Abfälle. Sie umfasst die Anforderungen, die die Planung verschiedener Schaumlöschan- Der normative Anhang befasst sich mit EOTA
an die anfallenden Materialien für ihre lagen zur Verfügung gestellt, mit denen ein TRO26 – Charakterisierung, Aspekte der
Wiederverwendung und die an Abfälle für wirksamer Schutz bei speziellen Brandge- Dauerhaftigkeit und werkseigene Produkti-
deren Verwertung oder Beseitigung ge- fahren erfüllt wird. onskontrolle bei reaktiven Materialien, Bau-
stellt werden. Inhaltlich werden behandelt: Begriffe, teilen und Produkten.
Sie gilt für die Demontage oder Austausch Schaumlöschanlagen, Vorratstanks für Es wurden 4 redaktionelle Überarbeitungen
einzelner Komponenten der folgenden An- brennbare Flüssigkeiten, Auffangräume vorgenommen.
lagengruppen: und Produktionsbereiche, Schaum-Sprink-
■■ Abwasser-, Wasser- und Gasanlagen, ler- und Schaum-Sprühflutanlagen, Leicht- Energieeffizienz – Dämmung
■■ Wärmeversorgungsanlagen, schaumlöschanlagen, Be- und Entlade-
■■ lufttechnische Anlagen, docks für Seehäfen, Flugzeughangars, VDI 4610 Bl. 3 (Entwurf)
■■ Starkstromanlagen, brennbare Flüssiggase (LNG/LPG), Inbe- Titel: Energieeffizienz betriebstechnischer
■■ Fernmelde- und informationstechni- triebnahme, Prüfungen und regelmäßige Anlagen – Methoden zu Optimierung von
sche Anlagen, Überprüfungen. Dämmsystemen
■■ Förderanlagen, Gegenüber der zu ersetzenden Ausgabe veröffentl.: 08/2019
■■ nutzer-/produktionsspezifische Anlagen, wurden ca. 3 inhaltliche und redaktionelle Einsprüche bis 31.01.2020
■■ Gebäude- und Anlagenautomation. Änderungen vorgenommen.
Inhaltlich werden behandelt: Begriffe, Auf- Der Richtlinienentwurf gilt für den Wärme-
gaben der Beteiligten, Grundlagen und Brandmeldeanlagen und Kälteschutz an betriebstechnischen
Rahmenbedingungen für Abbruch-/De- Anlagen in der Industrie und in der Techni-
montageleistungen an technischen Anla- DIN 14675 Bl. 2 schen Gebäudeausrüstung. Es werden so-
gen, Ausführung der Abbruchleistungen, Titel: Brandmeldeanlagen – Teil 2: Anforde- wohl die notwendigen mathematischen
Dokumentation. Der Anhang enthält Aus- rungen an die Fachfirma Formeln als auch die erforderlichen Ein-
sagen zu: Mindestanforderungen an eine veröffentl.: 02/2020 gangsdaten zur Berechnung von wirt-
Abbruchanweisung bei Arbeiten an bauli- Ersatz für DIN 14675 Bl. 2 von 04/2018 schaftlichen Dämmschichten behandelt.
chen und technischen Anlagen. Inhaltlich werden behandelt: thermische
Die Richtlinie legt die Anforderungen für den Verluste von Anlagen, Gesamtkosten von
TGA – Produktdatenaustausch Nachweis der Verantwortlichkeit und Kom- Dämmungen, Auslegung von Dämmschicht-
petenz für Fachfirmen zur Planung, Projektie- dicken nach wirtschaftlichen Gesichtspunk-
VDI 3805 Bl. 5 rung, Montage, Inbetriebnahme, Abnahme ten, Auslegung von Dämmsystemen nach
Titel: Produktdatenaustausch in der techni- und Instandhaltung von Brandmelde- und wirtschaftlichen Gesichtspunkten, Rohrhal-
schen Gebäudeausrüstung – Luftdurchlässe Sprachalarmierungsanlagen fest. terungen als Beispiel für thermisch opti-
veröffentl.: 03/2020 Inhaltlich werden behandelt: Phasen für den mierte Anlagenteile. Der Anhang enthält
Aufbau und Betrieb von Brandmeldeanlagen, Kenndaten eingesetzter Energieträger.
Die Richtlinie regelt den Produktdatenaus- Nachweis der Fachkompetenz einer Firma,
tausch im rechnergestützten Planungspro- Überprüfungskriterien. PV-Anlagen
zess innerhalb der TGA für den Produktbe-
reich „Luftdurchlässe“ und Zubehör auf der Brandschutz
VDI 2883 Bl. 1
Basis der Richtlinie VDI 3805 Bl. 1. Titel: Instandhaltung von PV-Anlagen –
Inhaltlich werden beschrieben: Begriffe, DIN EN 1366 Bl.12 Grundlagen veröffentl.: 01/2020
Produktstruktur, Datensatzaufbau, Anwen- Titel: Feuerwiderstandsprüfungen für Ins-
dungsbeispiel. tallationen – Teil 12: Nichtmetallische Diese Norm behandelt die Instandhaltung
Brandschutzverschlüsse für Lüftungsleitun- von netzgekoppelten PV-Anlagen. Sie gibt
Brandschutz – gen (deutsche Fassung) Hinweise zu Wartung, Inspektion, Instand-
veröffentl.: 01/2020 setzung, Prüfung, Dokumentation und Er-
Brandbekämpfungsanlagen
Ersatz für DIN EN 1366 Bl. 12 von 12/2014 satzteilhaltung.
DIN EN 13565 Bl. 2 Die Richtlinie gibt vor, welche Instandhal-
Die Norm legt ein Verfahren zur Bestimmung tungsmaßnahmen in Verbindung mit einem
Titel: Ortsfeste Brandbekämpfungsanlagen der Feuerwiderstandsdauer von nichtme- individuell ausgearbeiteten Instandhaltungs-
– Schaumlöschanlagen – Bl. 2: Planung, chanischen Brandschutzverschlüssen fest, konzept ganzheitlich, sicher, wirtschaftlich
Einbau und Wartung (deutsche Fassung) die in feuerwiderstandsfähigen raumab- und effektiv durchgeführt werden sollten.
veröffentl.: 03/2020 schließenden Bauteilen eingebaut sind und Inhaltlich werden behandelt: Begriffe, Vorr-
Ersatz für DIN EN 13565 Bl. 2 von 12/2018 dafür vorgesehen sind, Wärme und dem aussetzungen zur Instandhaltung – Grundla-
Durchtritt von Rauch und Gasen bei hohen gen, Instandhaltung, Fristen zur Wartung
Die Norm legt die Anforderungen an die Temperaturen standzuhalten. und Prüfung, Ersatzteile, Dokumentation der
Planung, den Einbau, die Prüfung und War- Die Norm ist nicht geeignet für die Prüfung Instandhaltung, Personal und Qualifikation.
tung von Schwer-, Mittel- und Leicht- von Brandschutzklappen. Die Anhänge A bis C enthalten: Beispiele für
schaumlöschanlagen fest und beschreibt Behandelt werden: Begriffe, Prüfgeräte, Prüf- Montage- und Installationsfehler, mögliche
die diesbezüglichen Verfahren. bedingungen, Probekörper, Einbau des Pro- Ursachen für Fehlermeldungen, Protokolle-
Mit dieser Norm wird Personen mit Kennt- bekörpers, Anwendung von Messeinrichtun- Beispiele.
nissen und Erfahrungen bei der Auswahl gen, Leistungskriterien, Prüfbericht, direkter
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