Alternativen zum Kältemittel R134a

Alternativen zu R134a

Bei Kfz-Klimaanlagen mit offenen Verdichtern und Schlauchverbindungen im Kältekreislauf ist das Leckagerisiko ungleich höher als bei stationären Systemen. Mit Blick auf die Reduzierung direkter Emissionen in diesem Anwendungsbereich wurde deshalb eine EU-Richtlinie (2006/40/EG) verabschiedet. Darin werden u.a. im Rahmen von Typgenehmigungen neuer Fahrzeuge seit 2011 nur noch Kältemittel mit einem GWP < 150 zugelassen. Damit scheidet das in diesen Anlagen bisher verwendete R134a (GWP = 1430) aus.

Inzwischen wurden Alternativ-Kältemittel sowie neue Technologien entwickelt und erprobt. In diesem Zusammenhang wurde auch der Einsatz von R152a näher untersucht. Seit einiger Zeit hat sich jedoch die Automobil-Industrie auf Systemlösungen mit sog. "Low GWP" Kältemitteln geeinigt. Letztere werden im Folgenden behandelt.

R152a – eine Alternative zu R134a (?)

R152a ist im Vergleich zu R134a hinsichtlich volumetrischer Kälteleistung (ca. -5%), Drucklagen (ca. -10%) und Energie-Effizienz sehr ähnlich. Massenstrom, Dampfdichte und damit auch der Druckabfall sind sogar günstiger (ca. -40%). R152a wird seit vielen Jahren als Komponente in Gemischen, aber bisher nicht als Einstoff-Kältemittel eingesetzt. Besonders vorteilhaft ist das äußerst geringe Treibhauspotenzial (GWP = 124).

R152a ist jedoch brennbar – bedingt durch den geringen Fluor-Anteil – und in Sicherheitsgruppe A2 eingestuft. Damit gelten erhöhte Sicherheitsanforderungen, die individuelle konstruktive Lösungen und Absicherungsmaßnahmen sowie entsprechende Risikoanalysen erfordern. Aus diesem Grund ist der Einsatz von R152a in Fahrzeug-Klimaanlagen eher unwahrscheinlich.

„Low GWP“ HFO-Kältemittel R1234yf und R1234ze(E)

Das Verwendungsverbot von R134a in Kfz- Klimaanlagen innerhalb der EU hat eine Reihe von Forschungsprojekten iniziiert. Neben CO2-Technologie (Seite 35) wurden inzwischen Kältemittel mit sehr geringen GWP-Werten und ähnlichen thermodynamischen Eigenschaften wie R134a entwickelt. Anfang 2006 wurden zunächst zwei Kältemittel-Gemische unter den Bezeichnungen "Blend H" (Honeywell) und "DP-1" (DuPont) vorgestellt. INEOS Fluor folgte mit einer weiteren Variante unter dem Handelsnamen AC-1. Bei allen Kältemitteln handelte es sich im weitesten Sinne um Gemische aus verschiedenen fluorierten Molekülen.

Während der Entwicklungs- und Testphase wurde offensichtlich, dass nicht alle Akzeptanzkriterien erfüllt werden konnten. Weitere Untersuchungen mit diesen Gemischen wurden deshalb eingestellt.

DuPont (inzwischen Chemours) und Honey- well bündelten darauf hin ihre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in einem Joint Venture mit Fokus auf 2,3,3,3-Tetrafluorpro- pen (CF3CF=CH2). Dieses Kältemittel mit der Bezeichnung R1234yf gehört zur Gruppe der Hydro-Fluor-Olefine (HFO). Es handelt sich dabei um ungesättigte HFKW mit chemischer Doppelbindung.

Das Treibhauspotenzial ist außerordentlich gering (GWP 100 = 4). Bei Freisetzung in die Atmosphäre erfolgt ein rascher Zerfall des Moleküls innerhalb weniger Tage mit der Folge eines sehr geringen GWP. Hieraus ergeben sich allerdings gewisse Bedenken hinsichtlich der Langzeitstabilität im Kältekreislauf unter realen Bedingungen. Umfangreiche Tests haben jedoch gezeigt, dass die für Kfz-Klimaanlagen geforderte Stabilität erfüllt wird.

konnte inzwischen ermittelt werden, dass bei Kfz-Klimaanlagen die potenziell erhöhte Gefährdung durch Entflammbarkeit des Kältemittels mit entsprechenden konstruktiven Maßnahmen vermieden werden kann. Allerdings gibt es auch Untersuchungen (z.B. von Daimler-Benz), bei denen ein erhöhtes Risiko festgestellt wurde. Verschiedene Hersteller haben deshalb die Entwicklung alternativer Technologien wieder intensiviert.

Toxizitätsuntersuchungen zeigen sehr positive Ergebnisse. Gleiches gilt für Verträglichkeitstests mit den im Kältekreislauf verwendeten Kunststoff- und Elastomermaterialien. Bei Schmierstoffen zeigt sich teilweise eine erhöhte chemische Reaktivität, die jedoch durch entsprechende Formulierung und/ oder Zusatz von "Stabilisatoren" unterdrückt werden kann.

Die bisher in Labor- und Feldversuchen gewonnenen Betriebserfahrungen geben Anlass für eine positive Bewertung, insbesondere mit Blick auf das Leistungs- und Effizienzverhalten. Kälteleistung und Leistungszahl (COP) liegen bei den üblichen Anwendungsbereichen des Kfz-Klimabetriebs innerhalb einer Bandbreite von etwa 5% im Vergleich zu R134a. Bei entsprechender Anpassung des Systems kann deshalb dieselbe Leistung und Effizienz wie mit R134a erreicht werden.

Kritische Temperatur und Drucklagen sind ebenfalls ähnlich, Dampfdichten und Massenstrom etwa 20% höher. Die Druckgastemperatur ist bei dieser Anwendung bis zu 10 K niedriger.

Mit Blick auf die relativ einfache Umstellung von Kfz-Klimaanlagen hat sich bisher diese Technologie gegenüber den im Wettbewerb stehenden CO2-Systemen durchgesetzt.

Wie zuvor bereits erläutert, rücken jedoch auf Grund der Brennbarkeit von R1234yf weitere technische Lösungen in den Fokus.

Dazu gehören aktive Löscheinrichtungen (z.B. mit Argon), aber auch die Weiterentwicklung von CO2-Systemen.

Weitere Anwendungen für HFO-Kältemittel

Der Einsatz von R1234yf in anderen mobilen Klimaanwendungen wird ebenfalls in Erwägung gezogen, ebenso in stationären Klima- und Wärmepumpensystemen. Zu berücksichtigen sind dabei jedoch die Füllmengenbegrenzungen für A2L Kältemittel (z.B. EN378), die den Einsatz entsprechend einschränken. Hinzu kommen noch Fragen zur Langzeitstabilität im Kältekreislauf bei den üblicherweise sehr langen Lebenszyklen solcher Anlagen.

Für Anwendungen, die den Betrieb mit Kältemitteln der Sicherheitsgruppe A1 (weder brennbar noch toxisch) erfordern, wurden bereits R134a-Alternativen mit geringerem GWP auf Basis von HFO/HFKW-Gemischen entwickelt. Sie werden seit einiger Zeit in realen Anlagen eingesetzt.

R1234yf, wie auch das im Folgenden beschriebene R1234ze(E), werden ebenfalls als Basiskomponenten in HFO/HFKW- Gemischen verwendet. Diese Gemische wurden mit Blick auf gesetzliche Vorgaben zur Reduzierung von F-Gas Emissionen (z.B. EU F-Gase Verordnung) als "Low GWP"-Alternativen zu R134a, R404A/R507A, R22/R407C und R410A entwickelt. Ein Teil dieser Kältemittel wurde bereits im Rahmen des von AHRI initiierten "Alternative Refrigerants Evaluation Program" (AREP) hinsichtlich Kälteleistung und Effizienz getestet und ebenfalls in realen Anlagen eingesetzt.

Aus der Gruppe der Hydro-Fluor-Olefine steht eine weitere Substanz mit der Bezeichnung R1234ze(E) zur Verfügung, die bisher vorwiegend als Treibmittel für PU-Schaum und Aerosol verwendet wurde. R1234ze(E) unterscheidet sich von R1234yf durch eine andere Molekülstruktur. Die thermodynamischen Eigenschaften bieten auch günstige Voraussetzungen zur Verwendung als Kältemittel. Das Treibhauspotenzial ist ebenfalls sehr gering (GWP100 = 7).

Eine gewisse Unsicherheit besteht häufig hinsichtlich Brennbarkeit. In Sicherheitsdatenblättern wird R1234ze(E) als nicht brennbar deklariert. Dies gilt allerdings nur für Transport und Lagerung. Bei Einsatz als Kältemittel gilt eine höhere Bezugstemperatur für Entflammbarkeitstests von 60°C. Bei dieser Temperatur ist R1234ze(E) brennbar und daher wie R1234yf in Sicherheitsgruppe A2L eingestuft.

R1234ze(E) wird teilweise als R134a-Substitut bezeichnet, liegt jedoch in der volumetrischen Kälteleistung um mehr als 20% unterhalb R134a oder R1234yf. Der Siedepunkt (-19°C) schränkt zudem die Anwendung bei tieferen Verdampfungstemperaturen stark ein. Der bevorzugte Einsatz liegt deshalb bei Flüssigkeitskühlsätzen und Hochtemperaturanwendungen. Weitere Informationen hierzu siehe Seite 36, "Sonderanwendungen".

Mit freundlicher Freigabe von Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH 

Quelle: Bitzer Kältemittel Report 19