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Nachhaltige Kältetechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld
Institut für Kälte-, Klima- und Umweltechnik
Hochschule Karlsruhe
Dienstag, 26. Oktober 2021
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 
Michael Kauffeld
Zeotrope Kältemittelgemische
1986
Zeotrope Kältemittelgemische, Kaltluftprozess
1992
Micro Channel Wärmeübertrager, Flach-Oval-Rohr Verflüssiger,
1994 CO2 PKW-Klimaanlage
Kleine Ammoniak Kälteanlagen, CO2, Eisbrei,
Kohlenwasserstoffe, Wasser und Luft als Kältemittel
Eisbrei, PCMs, Solare Dampfstrahlkältemaschine,
2002
Kältemittelfüllmengenreduzierung, Mini Channel HX, Kaltluftanlage, N2O,
Wärmepumpen und Erdsonden
2008 Intelligente Regelung, Mini Channel HX (6 Monate Forschungssemester)
Andere Tätigkeiten:
InspirING® • DKV Studenten-Gruppe Karlsruhe seit 2004 DKV
Unterbezirksverein KA seit 2007
• IIR President Commission B2 (2011 – 2015)
2018
Technologietransfer • President IIR Ice Slurry Working Group (bis 2005)
• VP IIR Career in Refrigeration WG CaRe (seit 2015)
2020 CO2 Kälteanlagen (6 M Forschungssemester) • Member UNEP RTOC (seit 1997)
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Kältemittel erobern die Welt – von der Stratosphäre bis zum Grundwasser
Wasser R 718 H2 0
Kohlendioxid
Ammoniak
Schwefeldioxid
R 744
R 717
R 764
CO2
NH3
SO2
Nachhaltig ist das nicht CFC + HCFC
CFC + HCFC + HFC
Methyl-Chlorid R 40 CH3Cl HFO
La historia del ozono
Dimethylether E 170 C2H6O
(Diethyl-)Ether R 610 C4H10O
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Globale Erwärmung - Die Herausforderung des 21. Jahrhunderts
Credit: NASA GISS
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Zukünftig mehr emissionsfreier Kälte- und Klimabedarf
© GEA Refrigeration
Gleichzeitig:
Bis 2030 will die EU Treibhausgas-Emissionen um mindestens 55 Prozent unter
den Wert von 1990 senken
Klimaneutralität bis 2050
/Unterhändler des EU-Parlaments und der EU-Staaten 21. April 2021/
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Wie Kälte- und Klimatechnik das Klima schützen kann
1. Indirekte Treibhausgas-Emissionen reduzieren
a) Energieverbrauch senken
b) Verwendung erneuerbarer Energien
2. Energiespeicherung in Form von Kältespeichern
3. Direkte Emissionen von Treibhausgasen reduzieren
a) Dichte Kälteanlagen mit entsprechender Kontrolle
… und Anpassung an Klimawandel
EU F-Gas Verordnung
b) Reduzierte Kältemittelfüllmenge
z. B. Minichannel-Wärmeübertrager oder
indirekte Kälteanlagen
c) Kältemittel mit geringem Treibhauspotential (GWP)
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Indirekte Treibhausgas-Emissionen reduzieren
© OECD/IEA 2016: Energy, Climate Change & Environment.
Reduce energy consumption
2016 Insights. IEA Publishing. Licence: www.iea.org/t&c
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Photovoltaisch angetriebener Kühl-/Tiefkühlraum für Afrika
This project has received funding from the European Union’s
Horizon 2020 research and innovation programme under grant
agreement No 101036836
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Meerwasser-Wärmepumpe mit Wasser als Kältemittel (Århus, DK)
© Johnson Controls International
Ammoniak-Wasser-Kaskade
1070 kW Heizleistung
Heizleistungszahl 3,3
Meerwasser 10 °C 6 °C
Fernwärme 45 °C 65 °C
Wasser 26 °C
Meerwasser 10 °C
Wasser 30 °C Meerwasser 6 °C
© Affald Varme Aarhus © Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 9
Kalte Nahwärme
Pilotanlage in Fischerbach
© innovativSchmid
Saisonaler Eisspeicher PE-Kunststoffrohre nicht isoliert als Wärmenetz Propan Wärmepumpen
350 m³ unterirdischer Speicher Temperaturen von 0 °C bis 35 °C in jedem Haus mit kalter
Nahwärme als Wärmequelle
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 10Supercooling an der Hochschule Karlsruhe 28.10.2021 © Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 11
Eisbahn in Waldbronn bei Karlsruhe - Wärmerückgewinnung
© Eistreff
Ammoniak Kältemaschinen
Kälteleistung = 3 x 300 kW
t0 = -12 °C Direktverdampfung in Eisbahn © EnBW
Wassergekühlte Verflüssiger Plattenwärmeübertrager
Verflüssigungswärme ausschließlich an Freibadwasser
Eistreff Oktober bis März geöffnet
Freibad Mai bis September geöffnet
Grafik Energieverbundzentrale
© Gemeinde Waldbronn
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 12HFO – persönliche Meinung
60 – 30 – 15
• Es hat 60 Jahre (1930 bis 1990) gedauert,
um herauszufinden, dass FCKW die Ozonschicht zerstören
• Es hat 30 Jahre (1990 bis 2020) gedauert, um zu realisieren,
dass HFKW entscheidend zum anthropogenen Treibhauseffekt beitragen
• Es wird 15 Jahre dauern, um zu erkennen,
dass HFO schädlich für die lokale Umgebung sind
(Gesundheit der Kältetechniker + TFA und evtl. R23 als Abbauprodukt)
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 13HFO – ungesättigte HFKW
z.B. R1225ye(Z), R1225ye(E). R1234yf, R1234ze(Z) oder R1234zf oder Gemische aus HFO + HFKW
• Schneller Abbau in der Atmosphäre
Treibhauspotential ungefähr 1 - 5
• 4 – 5-mal mehr TFA bei Zersetzung in der Atmosphäre als R134a
Allein aus PKW-Klimaanlagen bis zu doppelt so hohe TFA-Konzentration in der Atmosphäre als bisher (natürlich + anthropogen)
TFA ist sehr stabil in der Umwelt Anreicherung in stehenden abgeschlossenen Gewässern
• Entflammbar
• Aber Flammausbreitungsgeschwindigkeit niedriger als bei Kohlenwasserstoffen (KW)
(1,5 cm/s anstelle 46 cm/s)
• Zündenergie deutlich über Kohlenwasserstoffen
(5.000 – 10.0000 mJ anstelle 0,25 mJ)
• Verbrennungsenergie 5-mal geringer als KW
• Zündtemperaturen ähnlich KW, d.h. ca. 400 °C
ASHRAE Klasse 2L
• Bildet bei Verbrennung u.a. Flusssäure (HF)
• Wg. hoher Reaktivität in hohen Konzentrationen
z. T. Wirkungen auf Gesundheit
• H-FCKW-Zwischenprodukte bei der Herstellung
• Bisher sehr teuer
• Gemische z. T mit Temperaturgleit
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 14 © Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld
Results are expressed as dry-air mole fractions in
EMPA – Measurements at Jungfraujoch and in Zürich, Switzerland
parts-per-trillion (ppt, pmol mol-1). To expand the y-
axes for better illustration of some of the smaller
scale not shown
mole fractions, the results are omitted above the
largest tick mark labels for each compound.
Maximum value beyond
https://www.empa.ch/documents/56101/190047/HFO+update+Report/fe3b26b5-fcb6-4cd9-a6f6-5c39ac01f20a
15HFOs – recent publications
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld
Scheurer, M.; Nödler, K.; Freeling, F.; Janda, J.; Happel, O.; Riegel, M.; Müller, U.; Storck,
F.R.; Fleig, M.; Lange, F.T.; Brunsch, A.; Brauch, H.-J.: Small, mobile, persistent:
Trifluoroacetate in the water cycle – Overlooked sources, pathways, and consequences for
drinking water supply. Water Research, Vol. 126, 2017, P. 460-471, ISSN 0043-1354,
https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.09.045
16R1234yf
R134a
21 % TFA
100 % TFA
HFO Trifluoracetat (TFA)
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld
Bis zu 250-mal mehr TFA über Europa – 33-mal mehr weltweit
Bei vollständigem Ersatz von R134a durch R1234yf und gleichen Emissionen (210 kt/y)
Holland, R.; Khan, M.A.H.; Driscoll, I.; Chantyal-Pun, R.; Derwent, R.G.; Taatjes, C.A.; Orr-Ewing, A.J.; Carl J. Percival, C.J.;
Shallcross, D.E.: 2021. Investigation of the production of Trifluoroacetic Acid from two Halocarbons, HFC-134a and HFO-1234yf
17
and its fates using a global three-dimensional chemical transport model. ACS Earth Space Chem.HFOs – recent publications
German DVGW in Karlsruhe analyzed 9 selected water samples on behalf of Swiss environmental organisation ohneGift
TFA concentrations in drinking water obtained from Lake Zurich, Lake Biel and Lake Murten correspond to the
concentrations in the respective lake.
The treatment processes of the Swiss lake water works are powerless against TFA. Roman Wiget, drinking water expert
and managing director of Seeländische Wasserversorgung (SWG) warns: "At present, no method is known by which TFA
could be removed from the water cycle by proportionate means, i.e. without very high technical and financial
expenditure. The substance particularly affects those drinking water users who receive treated lake water".
Drinking water of Birrwil, which comes from a groundwater well, is also contaminated with TFA.
The affected population does not receive any information on TFA.
Trifluoracetat – für immer in unserem
TFA in lake TFA in drinking
Place of sample
Trinkwasser? | Naturschutz.ch
water (µg/l) water (µg/l)
Biel 0.41 0.45
Murten 0.91 0.80
Zurich 0.25 0.25
Birrwil 0.54 0.67
Limmat, Schlieren, 2 km after ARA Werdhölzli Zürich 0.33
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 18Photodissociation of HFO-1234ze possibly provides HFC-23 in atmosphere
Hansen, C.; Campbell, J.; Kable, S. et al. Photodissociation of CF3CHO provides a new source of CHF3 (HFC-
23) in the atmosphere: implications for new refrigerants., 05 February 2021, PREPRINT (Version 1)
available at Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-199769/v1]
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 19Es gibt Alternativen zu HFOs
Anzeige in
Ammoniak Amerikanischer
Kältezeitschrift
1943
CO2
Propan
Propen
Iso-Butan
Wasser
N2O Anzeige in
Amerikanischer
Luft Kältezeitschrift
1922
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 20Es gibt keine 5. Kältemittelgeneration
Mark McLinden, NIST: Thermodynamics
of the new refrigerants. IIR ICR 2019,
Montreal
Thermodynamische Analyse von
60 Mio. Chemikalien
Nach den HFO geht
es zurück zu alten
Bekannten
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 21Vision für eine nachhaltige Zukunft
CO2-free
Carbon neutral
Society
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 22Nachhaltige Kältetechnik
• Kaltdampfprozess bleibt dominierende Technologie
• Ammoniak bleibt Nummer 1 in der Industriekälte
• CO2 transkritisch und als untere Stufe einer Kaskadenkälteanlage
• Kohlenwasserstoffe bei kleinen Anlagen (steckerfertige Geräte) und Wasserkühlsätzen eine gute Alternative
• Wasser bei Anwendungen über 0 °C – insbesondere Hochtemperaturwärmepumpen
• Luft oder N2O/CO2 Gemische unter -50 °C
• Häufig ist die Energieeffizienz dieser Anlagen besser als vergleichbare HFKW-Systeme
• Kältemittelfüllmengen lassen sich durch Einsatz moderner Technologien deutlich
reduzieren (z.B. Minichannel-Verflüssiger 90 % 35 % gesamte Anlage)
• Energiesparpotential ausschöpfen – Wärme auf beiden Seiten nutzen !
• Erneuerbare Energien als Antriebsenergie berücksichtigen
• Kältespeicher als Energiespeicher einbinden
• CO2 neutrale Herstellungsprozesse
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 23Fragen?
Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld
Karlsruhe University of Applied Sciences
Mechanical Engineering and Mechatronics
Department
Institute of Refrigeration, Air Conditioning and
Environmental Engineering
Moltkestr. 30
76133 Karlsruhe
Germany
Tel.: +49 721 925 1843
Fax: +49 721 925 1915
E-Mail: michael.kauffeld@h-ka.de
© Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 24Sie können auch lesen
