Comeback für natürliche Kohlenwasserstoffe

Klimaverträglich temperieren im Labor

In der Temperiertechnik erleben natürliche Kohlenwasserstoffe ein Comeback als klimaschonende Kältemittel – jedoch nicht ohne Skepsis der Anwender. Peter Huber Kältemaschinenbau setzt den Vorbehalten etwas entgegen – dank seiner Erfahrung mit natürlichen Kältemitteln.

© Peter Huber Kältemaschinenbau AG

Die Entscheidung für ein Kältemittel in einem Temperiergerät ist oftmals komplex und ein Kompromiss zwischen verschiedenen Faktoren. Je nach Anwendung müssen chemische, thermodynamische, fluiddynamische und physikalische Eigenschaften berücksichtigt werden. Darüber hinaus wird der Umwelteinfluss zunehmend relevanter – und das nicht erst seit Inkrafttreten der EU F-Gas-Verordnung. Eine ausgezeichnete Energieeffizienz bei gleichzeitig bekannter Umweltverträglichkeit bieten natürliche Kältemittel.

In der Vergangenheit wurden in der Kälteindustrie vor allem FKW-Kältemittel wie R134a, R507A und R404A eingesetzt. Diese Kältemittel sind nicht brennbar und weisen gute thermodynamische Eigenschaften im Tieftemperaturbereich bis ca. -50 °C auf. Für diese synthetisch hergestellten fluorierten Gase (F-Gase) wird die Umweltverträglichkeit anhand des Ozonabbaupotenzials ODP (Ozone Depletion Potential) und des Erderwärmungspotenzials GWP (Global Warming Potential) bestimmt.

Bild 1: Der „Phase Down“ definiert die Höchstmengen (in Prozent) für das Inverkehrbringen von teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) in den Jahren 2015 bis 2030. (Quelle: Umweltbundesamt)

EU-weite F-Gas-Verordnung

Während das Montreal-Protokoll von 1987 die Gase mit Ozonabbaupotenzial einschränkte, bezieht sich die aktuelle F-Gas-Verordnung (EU Nr. 517/2014) auf die Gase mit Erderwärmungspotenzial. Die F-Gas-Verordnung hat das Ziel, bis zum Jahr 2030 die Höchstmenge der jährlich in Verkehr gebrachten Kältemittelmengen auf 21% zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Höchstmenge seit 2016 in einem sog. Phase Down-Prozess (Bild 1) schrittweise reduziert. Parallel zum Phase Down werden für verschiedene Anwendungen zusätzliche GWP-Obergrenzen festgelegt. Temperiergeräte werden als ortsfeste Kälteanlagen eingestuft und dürfen ab dem 01.01.2020 einen GWP-Wert von maximal 2 500 aufweisen. Ausgenommen hiervon sind Geräte mit einer Arbeitstemperatur unterhalb von -50 °C.

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Alternative Kältemittel und Sicherheit

Bereits in den frühen 70er Jahren sammelte Unternehmensgründer Peter Huber erste Erfahrungen mit natürlichen Kältemitteln. In den Folgejahren wurden zahlreiche Seriengeräte mit Propan R290 und Propen R1270 entwickelt und international auf den Markt gebracht. Diese Kältemittel besitzen kein Ozonabbaupotenzial und nur ein geringes Treibhauspotenzial (GWP-Wert 2 – 3). Dennoch stehen manche Anwender den natürlichen Kältemitteln noch immer skeptisch gegenüber. Hauptgrund hierfür sind Sicherheitsbedenken aufgrund der Entflammbarkeit. Diesen Bedenken setzt das Unternehmen Huber entgegen, dass ihm bei den bereits tausendfach verkauften Laborgeräten keine Unfälle bekannt sind. Die kompakten Umwälzkühler (Unichiller und Minichiller), Prozessthermostate (Petite Fleur, Tango) und Kältethermostate (KISS, Ministat etc.) werden seit vielen Jahren serienmäßig mit Propan R290 oder Propen R1270 ausgestattet. Die Kältemittelfüllmengen bei diesen Modellen liegen unter 150 g, weshalb in der Regel keine Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind. Auch größere Temperiersysteme, wie z. B. der Unistat 610 mit einer Füllmenge von 2,2 kg, sind auf Kundenwunsch mit natürlichem Kältemittel erhältlich. Hierbei sind jedoch betreiberseitige Maßnahmen zur Einhaltung der Sicherheitsvorschriften notwendig. Je nach Aufstellungsort und Verwendungszweck muss u. a. eine geeignete Belüftung gewährleistet sein und ein Gaswarnsensor installiert werden.

Eine echte Alternative zu natürlichen Kältemitteln gibt es nicht. Es sind derzeit keine nicht brennbaren und nicht giftigen synthetischen Kältemittel mit vergleichbaren physikalischen Eigenschaften bekannt. Das gilt auch für die neue Gruppe der HFO-Kältemittel (Hydrofluorolefine) wie z. B. R1234yf. Diese Kältemittel weisen zwar ein geringes Erderwärmungspotenzial auf, sind jedoch ebenfalls brennbar. Also muss auch hier eine entsprechende Risikobetrachtung erfolgen. Insgesamt ist festzuhalten, dass die Kälteindustrie zunehmend brennbare Kältemittel einsetzt, um die Klimaschutzziele zu erreichen. Der Nachteil der Brennbarkeit betrifft also auch Kältemaschinen mit synthetischen Kältemitteln.

Gegen synthetische HFO-Kältemittel spricht zudem das Zersetzungsprodukt Trifluoressigsäure (TFA). In verschiedenen Studien, die den Eintrag von Trifluoressigsäure aus dem atmosphärischen Abbau von R1234yf untersuchten, wurde eine Erhöhung der TFA-Konzentration in der Umwelt nachgewiesen. TFA ist als stark wassergefährdend eingestuft und schwer abbaubar. Obwohl der Einsatz von R1234yf das Treibhauspotenzial vermindert, ist in der Gesamtbetrachtung eine zusätzliche Umweltbelastung zu befürchten. Hinter der Zukunft von HFO-Kältemitteln steht deshalb ein Fragezeichen.

Bei der Anschaffung eines Temperiergerätes ist es daher angebracht, die langfristige Investitionssicherheit zu prüfen. Dabei kann die Verfügbarkeit von synthetischen Kältemitteln zum Problem werden. Die Marktturbulenzen in jüngster Zeit haben gezeigt, dass Preise über Nacht explodieren können und im ungünstigsten Fall ein Kältemittel gänzlich vom Markt genommen wird. Ob sich die Gesetzeslage in den nächsten Jahren weiter verschärft, ggf. über die heute bekannten Beschränkungen hinaus, ist unklar. Es sollte deshalb genau geprüft werden, ob die Kälteanlage auch in fünf, zehn oder 15 Jahren noch betrieben und gewartet werden darf. Kälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln sind diesbezüglich auf der sicheren Seite.

Kältemittel R290 im Praxiseinsatz

Bild 2: Bei den kompakten Laborgeräten, wie hier dem Petite Fleur, sind natürliche Kältemittel längst Standard. Aufgrund der geringen Füllmenge sind keine betreiberseitigen Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. © Huber

In der Praxis zeigen natürliche Kältemittel gegenüber ihren synthetischen „Verwandten“ erhebliche Vorteile. Das Kältemittel R290 weist sehr gute thermodynamische Eigenschaften auf. Vorteile sind u. a. geringe Druckverluste in Rohrleitungen und Wärmetauschern, der niedrige Energiebedarf bei der Verdichtung, die geringere Menge an benötigtem Kältemittel und eine gute Materialverträglichkeit. Das Betriebsverhalten ist sogar deutlich besser als das von R507A, R404A und dem Ersatzkältemittel R449A. Die Entsorgung von R290 gestaltet sich ebenfalls einfacher als bei synthetischen Stoffen. Da es sich bei Propan um einen natürlichen Stoff handelt, kann dieser kontrolliert in die Atmosphäre entlassen werden.

Bild 3: Die Fallstudie eines Petite Fleur Prozessthermostaten an einem 2-Liter-Glasreaktor zeigt, dass Geräte mit natürlichem Kältemittel keine eingeschränkte Leis­tung zeigen. © Huber

Die Fallstudie eines Petite Fleur-Prozessthermostaten (Bild 2) an einem 2-Liter-Glasreaktor zeigt die Leistung eines Gerätes mit dem natürlichen Kältemittel R290. Der Umwälzthermostat erreicht eine Kälteleistung von 0,48 kW und deckt einen Temperaturbereich von -40 bis +200 °C ab. In der Fallstudie wurden ein Abkühl- und Aufheizvorgang dokumentiert. Die Fallstudie zeigt, dass der kleine Petite Fleur den Mantel innerhalb von 70 Minuten von +100 °C auf -20 °C abkühlt. Die Grafik (Bild 3) belegt die Präzision und Stabilität des Kühlvorgangs.

CO2 als Kältemittel

Mit der Vorstellung der neuen Unichiller CO2-Modellreihe im vergangenen Jahr hat Huber einen weiteren Schritt bei der Entwicklung von umweltverträglichen Temperierlösungen vollzogen. Diese Umwälzkühler arbeiten mit CO2 (Kohlendioxid, auch R744) als Kältemittel. Das farblose, unter Druck verflüssigte Gas besitzt kein Ozonabbaupotenzial und hat mit einem GWP = 1 ein vernachlässigbares Treibhauspotenzial. Ein Nachteil sind die hohen Betriebsdrücke. Die Komponentenpreise sind folglich derzeit noch höher als für herkömmliche Kälteanlagen. Doch der Marktanteil von CO2-Kälteanlagen wächst seit Jahren rapide, wodurch die Komponentenverfügbarkeit steigt und die Preise erfahrungsgemäß sinken. Die thermodynamischen Vorzüge von CO2 sowie die gute Verfügbarkeit und Sicherheit sprechen für sich und punkten bei der zukunftssicheren Planung.

Fazit

Natürlichen Kältemitteln gehört die Zukunft. Ganz gleich was im Labor temperiert bzw. gekühlt werden muss – von der Destillationsapparatur über das Analysegerät bis hin zum Forschungsreaktor – mit natürlichen Kältemitteln wird zu einer positiven Umweltbilanz beigetragen. Einschränkungen bei der Leistungsfähigkeit gibt es nicht, und auch die Sicherheitsbedenken sind bei fachgerechtem Betrieb unbegründet. Bei der Auswahl eines Temperiergerätes sollten Anwender bedenken, dass das Gerät viele Jahre im Einsatz sein wird. In dieser Zeit hat das Kältemittel wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch. Eine auf Nachhaltigkeit ausgelegte Wahl des Kältemittels erspart spätere, aufwändige Umrüstungen.

AUTOR:
Michael Sauer
Peter Huber Kältemaschinenbau AG, Offenburg
info@huber-online.com
www.huber-online.com

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