Natürliche Alternative: Wasser als Kältemittel

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Die Kälteindustrie trägt aktuell mit acht Prozent des globalen CO₂-Ausstoßes maßgeblich zur Klimaerwärmung bei. Aufgrund mangelnder Energieeffizienz werden jährlich über 17 % des weltweiten Energieverbrauchs für Kühlung und Klimaanlagen verwendet. Allein in Deutschland macht der Energieverbrauch für Heizung und Kühlung 50 % des Gesamtenergieverbrauchs aus. Damit ist die Kältebranche ein unscheinbarer, aber gewaltiger Treiber des Klimawandels.

Schrittweise Verknappung der HFKW-Kältemittel bis 2030

Umweltbewusstsein und Nachhaltigkeit sind längst keine Nice-to-Haves mehr. Der Klimawandel mit all seinen Folgen ist in der Mitte der Gesellschaft und im Business-Alltag angekommen. Green Deals haben nichts mit reiner Gewissensberuhigung zu tun, sondern werden zum integralen Bestandteil wirtschaftlicher Entscheidungen. Auch in der Kältebranche zieht die Morgendämmerung auf. Diese auf den ersten Blick unscheinbare Branche trägt erheblich zur Entwicklung des Weltklimas und der Umweltbelastung bei. Geschuldet ist dies vor allem energieintensiven Kälteprozessen, die durch ihren enormen Stromverbrauch viel CO₂ freisetzen. Hinzukommt die Problematik erheblich klimaschädlicher Stoffe, die in Kältemaschinen und Klimageräten als Kältemittel eingesetzt werden. Dass Kältemittel einen deutlichen Anteil und damit einen Hebel in der Entwicklung der Treibhausgase darstellen, ist längst kein Geheimnis mehr. Nach der 1974 gewonnenen Erkenntnis, dass die damaligen Kältemittel einen direkten Einfluss auf die Ozonschicht haben, wurde 1987 das Montrealer Protokoll zum Schutz der Erde beschlossen. Die ab 1990 eingeführten neuen Sicherheitskältemittel waren frei von einem Ozonabbaupotenzial (ODP). Mit zunehmender Erderwärmung und dem steigenden Verbrauch, wurden jedoch die Auswirkungen des Treibhauspotenzials (Global Warming Potential = GWP) dieser teilfluorierten Kohlenwasserstoffe (HFKW) deutlich. In Europa setzt die F-Gase-Verordnung (EU-Verordnung Nr. 517/2014) den Phasedown seit 2015 mit einer schrittweisen Verknappung der CO₂-Äquivalente von HFKWs auf ein Fünftel um. Der Kigali-Beschluss leitet den weltweiten Phasedown klimaschädlicher Kältemittel ein und ist seit Oktober 2016 in Kraft. Die Gesetzgebung ist nicht nur weltweit gültig, sie betrifft auch alle Bereiche, die Kälte beziehungsweise Klimatisierung in Anspruch nehmen. Mit Dezember 2020 hat sich nun auch die USA zu diesem Thema bekannt und will die HFC’s bis 2035 um 85 % gegenüber der Ausgangswerte (2015) reduzieren. Mit Beginn dieses Jahres erfolgte in der EU eine weitere deutliche Einschränkung. Bezogen auf die CO₂-Äquivalente von 2015, wird mit der dritten Stufe der F-Gase-Verordnung die Menge der CO₂-Äquivalente auf 45 % reduziert. Bild 1 zeigt die Phasedown-Treppe mit allen Reduzierungsstufen der F-Gase-Verordnung bis 2030, sowie die mittleren GWP-Werte einer beispielhaften Auswahl von Kältemitteln (Beispiel R410A besitzt einen GWP-Wert_AR4 von 2 088, was wiederum einem CO₂-Äquivalent von 2 088 kg CO₂/kg Kältemittel entspricht).

Bild 1: Phasedown-Treppe der F-Gase-Verordnung. Grafik: Efficient Energy

Die Konsequenzen der Phase-Down-Stufe 2021

Der Bedarf an Kältemitteln für die Instandhaltung und Umstellung auf alternative Kältemittel hängt seit Jahren den gesetzlichen Vorgaben hinterher. Zwar halten sich die offiziellen Inverkehrbringer an ihre, von der EU vergebenen Quoten, jedoch bedient sich der Markt aus einem blühenden illegalen Handel, der im Jahr 2020 einen Anteil von 30 % der legalen CO₂-Äquivalente ausmachte. Laut des Berichts Doors Wide Open der NGO EIA wurden bereits 2018 rund 117,5 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalent an HFKW durch illegale Massenimporte auf den Markt gebracht – das sind 16,3 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalent über der verfügbaren Quote. Damit haben sich die illegalen Einfuhren in zwei Jahren verdoppelt.

Die Gefahr für Betreiber, die diese alten Kältemittel verwenden liegt nicht bei den instabilen Preisen, sondern in der Verfügbarkeit. Sollte der Zoll innerhalb der EU zunehmend erfolgreich sein, wird sich dies unweigerlich auf die Versorgung mit diesen alten Kältemitteln auswirken. Erfolge der Zollfahndung zeigen immer wieder Schmuggelware mit nicht oder falsch gekennzeichneten Kältemitteln. Die Kältemittelbehälter enthalten teilweise Gemische und sogar brennbare Stoffe. Dadurch entsteht zusätzlich die Gefahr, dass brennbare Stoffe unwissentlich in dafür ungeeignete Kälteanlagen eingefüllt werden. Aus diesem Grund wurden die häufig verwendeten Einwegbehälter innerhalb der EU verboten.

Zunehmend stehen neue Kälteanlagen mit alternativen Kältemitteln (Low-GWP) zur Verfügung, sodass vielen Betreibern ein weiterer Kältemittelwechsel bevorsteht. Die Palette dieser neu entwickelten Stoffe ist zunehmend unüberschaubar. Darunter sind auch Kältemittel die einen GWP-Wert größer 400 aufweisen und damit als sogenannte Brückenkältemittel bezeichnet werden. Auch haben diese neuen Kältemittel (HFO und HFC) eine kurze Lebensdauer in der Atmosphäre. Dieser gewollte Vorteil ist in Wahrheit ein Nachteil, da die Zersetzungsprodukte nicht umweltfreundlich sind. Die hohen Fluoranteile können durch Umwelteinflüsse wie Sonnenlicht und Feuchtigkeit je nach Kältemitteltyp bis zu 100 % das Umweltgift TFA (Trifluoracetat oder Triflouressigsäure) erzeugen. Bereits im Jahr 2019 wurde TFA in Deutschland flächendeckend im Grundwasser gemessen. Es stellt sich nun die Frage welcher Grenzwert akzeptabel ist. In NRW wurde die Akzeptanz aus gegebenem Anlass bereits von 3 µgr/l auf 10 µgr/l angehoben. Was aktuell tatsächlich fehlt, ist ein gesetzlich festgeschriebener Grenzwert. Dieser ist laut der deutschen Umwelthilfe speziell in der Trinkwasserverordnung dringend erforderlich. Als sehr bedenklich ist zu betonen, dass TFA persistent ist. Das bedeutet, dass es aus der Umwelt nicht mehr entfernt werden kann, da es nicht filtrierbar ist. Es ist also nicht nur eine Frage des Grenzwertes, sondern viel mehr noch eine Frage der Zeit, ab wann unser Trinkwasser nicht mehr genießbar ist. Nun besteht das Risiko, dass durch die erneute Reduzierung der CO₂-Äquivalente in 2021 auf 45 %, viele Tonnen der HFO- und HFC-Kältemittel in den Markt kommen und uns die nächste Umweltkatastrophe durch eine weiter steigende TFA-Belastung bevorsteht.

Kältemittel Wasser: Energieeffizient und klimaneutral

Die gute Nachricht: Spezialisierte Technologieunternehmen haben den Wandel bereits früh vorhergesehen und entwickeln CleanTech-Lösungen, die nicht nur mit umweltfreundlichen Kältemitteln, sondern auch mit viel geringerem Stromverbrauch funktionieren. Dies führt wiederum zu wesentlich geringeren durch den Stromverbrauch verursachten CO₂-Emissionen bei der Kälteerzeugung. Neben einer stark verbesserten Energiebilanz, funktioniert die Kältetechnologie der nächsten Generation mit natürlichen Kältemitteln. Natürliche Kältemittel wie Ammoniak (NH3), Kohlenwasserstoffe (HC) oder Kohlendioxid (CO₂), zeichnen sich dank ihres sehr geringen Treibhausgaspotenzials vor allem dadurch aus, dass sie selbst bei Entweichen kaum eine Gefahr für das Klima darstellen. Das vielleicht natürlichste Kältemittel Wasser (R718) hat sogar einen GWP von 0, also kein Treibhauspotenzial, und ist zudem weder giftig noch brennbar. Entweicht es aus einer defekten Kälteanlage, stellt das Kältemittel Wasser keinerlei Gefahr dar. Damit ist es als einziges natürliches Kältemittel auch für den Menschen vollkommen ungefährlich. Mit Wasser als Kältemittel wurde auch das bereits erläuterte Problem der Kältemittelverfügbarkeit gelöst. Wasser ist zumindest in unseren Breitengraden uneingeschränkt verfügbar und problemlos zugänglich. Technologie und Kältemaschine können serienmäßig produziert werden und bieten so eine Alternative zu den weitverbreiteten Kältelösungen mit HFKWs und Low GWP’s.

Verschiedene technische Konzepte

Ganz allgemein bestehen Kompressionskälteanlagen mit dem Kältemittel Wasser im Wesentlichen aus den gleichen Komponenten wie herkömmliche Kompressionskälteanlagen: Einem Verdampfer, Verflüssiger, Verdichter und Expansionsorgan. Die Wärmequelle sowie -senke stellen die beiden Schnittstellen der Wärmeübergabe in der Kompressionskälteanlage dar. In dem für Wasser theoretisch geeigneten Temperaturbereich zwischen 0 °C bis 100 °C liegen die Dampfdrücke unterhalb des Normaldrucks. Das setzt, wie oben gezeigt, einen Betrieb im Grobvakuum zwischen etwa 10 und 1 000 mbar voraus. Hinsichtlich der Ausführung der Wärmequellen sowie der Wärmesenken können zwei verschiedene Konzepte unterschieden werden: Konzepte mit internen (Bild 2) und externen (Bild 3) Wärmeübertragern.

Bild 2: Einstufiger Aufbau mit internen Wärmeübertragern. Grafik: Efficient Energy

Beide Konzepte sind vom grundsätzlichen Aufbau her gleich und bestehen aus einem Kältemodul und den benötigten Wärmeübertragern. Das Kältemodul beinhaltet dabei den Verdampfer, den Verdichter, den Verflüssiger und das Drosselorgan.

Bild 3: Einstufiger Aufbau mit externen Wärmeübertragern. Grafik: Efficient Energy

Bei genauer Betrachtung des Konzeptes mit externen Wärmeübertragern ist zu erkennen, dass die Wärmeübergänge zwischen dem Kältemittel und dem Kalt- beziehungsweise dem Kühlwasser außerhalb des Kältemoduls in den beiden Plattenwärmeübertragern in der Flüssigphase stattfinden. Die eigentliche Verdampfung, also der Phasenwechsel, erfolgt im Verdampferbereich des Kältemoduls. Nach der Verdichtung wird das dampfförmige Kältemittel in den Verflüssigerbereich geleitet. Hier strömt der Dampf gemeinsam mit flüssigem Kältemittel durch eine Füllkörperschüttung. Dabei kondensiert das gasförmige Kältemittel an der Grenzfläche zum flüssigen Kältemittel komplett aus. Der Kreislauf wird über das selbstregelnde Drosselorgan geschlossen. Für die Umwälzung des flüssigen Kältemittels im Verdampfer- sowie Verflüssigerkreis wird jeweils eine Umwälzpumpe benötigt.

Das Konzept mit den internen Wärmeübertragern unterscheidet sich in der Position der Wärmeübertrager. Der Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Kalt- und Kühlwasser passiert innerhalb des Kältemoduls. Die in das Kältemodul integrierten Ripprohrwärmeübertrager werden jeweils innen mit dem Kalt- beziehungsweise Kühlwasser durchströmt. Die Verdampfung sowie die Verflüssigung erfolgen an der Außenfläche der jeweiligen Wärmeübertrager. Dadurch kann auf die beiden Umwälzpumpen zwischen Wärmeübergabestelle und Verdampfer beziehungsweise Verflüssiger verzichtet werden. Es wird lediglich eine Kältemittelpumpe für die Benetzung des Verdampfers benötigt.

Fazit

Da es insgesamt leider zu viele Akteure gibt, die an alten Systemen und Strukturen festhalten, verläuft der Wechsel weg von synthetischen Kältemitteln, hin zu den natürlichen Alternativen nur sehr schleppend. Es ist jedoch unstrittig, dass dieser Wechsel stattfinden muss und wird. Die EU und viele große und kleine Unternehmen wollen spätestens 2050 eine CO₂-Neutralität erreichen. Dieses Ziel wird sich nicht ausschließlich mit Kompensations-Investitionen erreichen lassen und das wäre auch der falsche Weg. Daher muss man auf CO₂-neutrale Technologien und Konzepte setzen. Die Menschheit kann es sich nicht mehr leisten, aufgrund von Unwissenheit oder Bequemlichkeit neue Umweltrisiken einzugehen. Vorausschauendes Fahren beginnt mit Rücksicht und den Verzicht auf zweifelhaftes Vorgehen. In der Branche der Kältetechnik für Kühlung, Klimatisierung und Lagerung gibt es bereits vielfach erprobte Techniken mit rein natürlichen Kältemitteln in allen Temperaturbereichen. Somit kann der gesamte Kältebedarf mit natürlichen Kältemitteln abgedeckt werden.

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