Seit dem 1. Januar 2016 ist die in der EU zugelassene Gesamtmenge an klimaschädlichen F-Gasen um sieben Prozent gesunken. Experten sehen hohe ökologische und ökonomische Potenziale bei der Gebäudeklimatisierung mit natürlichen Kältemitteln. Bis zum Jahr 2020 will die Europäische Union die Treibhausgasemission um 20 Prozent reduzieren. Eine wichtige Stellschraube dafür sind die so genannten F-Gase. Dabei handelt es sich um teilfluorierte Kohlenwasserstoffe, die unter anderem als Kältemittel zur Gebäudeklimatisierung und zur Erzeugung von Industrie-Kälte eingesetzt werden. Mit der revidierten F-Gase Verordnung wird die europaweit verwendete Menge von klimaschädlichen F-Gasen per Gesetz bis zum Jahr 2030 in sechs Stufen um 79 Prozent reduziert. Als Referenzwert dient der europaweite Durchschnitt aus den Jahren 2009 bis 2012. Der erste Schritt – eine Absenkung um sieben Prozent – erfolgte am 1. Januar 2016. Diese im Rahmen des Phase-Downs kontrollierte Verknappung der F-Gase wird die Kosten für klimaschädliche Kältemittel sukzessiv erhöhen – und damit indirekt die Verwendung natürlicher Kältemittel fördern. Deren Einsatz ist sowohl aus ökologischen als auch ökonomischen Gründen sinnvoll. Aktuell erleben Anlagen mit natürlichen Kältemitteln einen Aufschwung im Bereich der Gebäudeklimatisierung.

Natürliche Kältemittel sind nachhaltig

Einer der Gründe für das schrittweise Verbot der F-Gase besteht in ihrem hohen Beitrag zur Klimaerwärmung. Um den Einfluss eines Gases auf die globale Erwärmung quantifizieren zu können, wurde das Treibhaus-Potenzial GWP (Global Warming Potenzial) als objektive Messgröße eingeführt. Das natürliche Kältemittel CO2 besitzt ein GWP = 1. Das F-Gas R22 hingegen besitzt ein GWP von 1700, das GWP des weit verbreiteten Kältemittels R404a beträgt sogar 3922. Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) können – je nach Kältemittel – sogar ein GWP von über 10 000 erreichen. Hier greift der Gesetzgeber mit der revidierten F-Gase Verordnung ein: Ab 2020 dürfen in stationären Anlagen keine Kältemittel mit einem GWP >2500 mehr eingesetzt werden. Ein weiterer Messwert, der die Nachhaltigkeit eines Stoffes beschreibt, ist das Ozon-Abbau-Potenzial. Das ODP (Ozon Depletion Potenzial) ist ein Mass dafür, wie stark eine Substanz die Ozon-Schicht schädigt. Bereits seit langem dürfen in neuen Anlagen keine Kältemittel mehr eingesetzt werden, die ein ODP>0 besitzen. Natürliche Kältemittel haben durchweg kein Ozon-Abbau-Potenzial, das heisst ODP=0, wohingegen noch immer R22 als Kältemittel im Einsatz ist, das eine ozonschädigende Wirkung hat und daher dringend ersetzt werden müsste.

Leckage-Höchstwerte für synthetische Kältemittel

Um den umweltschädlichen Einfluss der F-Gase zu minimieren, legte bereits die erste Fassung der F-Gase Verordnung im Jahr 2007 Höchstwerte für austretende Kältemittel fest. Abhängig von der Anlagengrösse darf die Leckage synthetischer Kältemittel maximal 1 bis 3 Prozent betragen. Anlagenbetreiber müssen sich seit der F-Gase Reviwsion zudem auf erweiterte Betreiberpflichten einstellen – und unter anderem die Dichtheit ihrer Anlage nachweisen. Werden die geforderten Leckage-Grenzwerte in den kommenden Jahren nachweislich nicht eingehalten, ist mit einer weiteren Verschärfung der Gesetzeslage zu rechnen, bis hin zu einem fortschreitenden Verbot bestimmter Kältemittel. Für Planer und Anlagenbetreiber gewinnen damit hermetisch dichte Systeme auch bei der Planung von Anlagen mit synthetischen Kältemitteln an Bedeutung. Bislang waren Anlagen mit hohen Sicherheitsanforderungen besonders bei der Planung von gesundheitsgefährdenden oder explosiven Kältemitteln gefordert.

Energieeffizienz sticht!

Untersucht man den Beitrag von Kälteanlagen zur globalen Erwärmung, zeigt sich: Lediglich 20 Prozent der klimaschädlichen Wirkung werden durch die Leckage synthetischer Kältemittel verursacht. Die übrigen 80 Prozent entstehen durch den Energieaufwand im Rahmen der Kälteproduktion. Auch hier erweisen sich Systeme mit natürlichen Kältemitteln – sowohl ökologisch als auch ökonomisch – als vorteilhaft. Das liegt unter anderem an den hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften der natürlichen Kältemittel. Mit NH3/CO2 Kaskaden-Anlagen lassen sich im Vergleich zu Anlagen mit teilhalogenierten Fluor-Kohlenwasserstoffen (HFC-Anlagen) beispielsweise Energieeinsparungen von bis zu 35 Prozent erzielen.

Betriebswirtschaftlich ein Gewinn

Eine detaillierte Analyse belegt, dass Anlagen mit natürlichen Kältemitteln auch unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten häufig die beste Wahl sind. Zur Kalkulation der Amortisationszeit müssen alle im Laufe des Lebenszyklus auftretenden Kosten in die Berechnung mit einfliessen. Dazu zählen sämtliche Anschaffungs- und Folgekosten der Anlage: Also Kosten für die Planung und Erstellung der Anlage sowie die Aufwendungen für Energie, Service und Wartung. Hier liefern natürliche Kältemittel überzeugende Werte. Sie stellen zwar im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln höhere Anforderungen an die Anlagensicherheit. Dafür sind die Betriebskosten dank der hohen Energieeffizienz deutlich geringer – und die Anlagen auf eine längere Nutzungsdauer ausgelegt; in der Regel betragen die Laufzeiten bis zu 25 Jahre und mehr. Damit überwiegen bei einer gesamtwirtschaftlichen Betrachtung die Kostenvorteile natürlicher Kältemittel.

Optimale Auslegung der Anlage

Wichtig, damit eine Anlage mit natürlichen Kältemitteln ihre Stärken optimal ausspielt: Der Energieverbrauch einer Kälteanlage wird neben der Auswahl des geeigneten Kältemittels vor allem von der Auslegung der Kälteanlage beeinflusst. So kann der Betrieb eines Schraubenverdichters mit Schieberregelung im unteren Teillastbereich zum Beispiel zu höheren Druckverhältnissen führen, die jenseits des Betriebsoptimums liegen. Die Konsequenz ist eine deutlich verminderte Energieeffizienz des Gesamtsystems. Mit umfangreichem Fachwissen können Planer und Betreiber hier hohe Einsparpotenziale realisieren.

Trend: Ammoniak zur Gebäude-Klimatisierung

Aktuell werden Anlagen mit natürlichen Kältemitteln vermehrt auch in atypischen Einsatzbereichen verwendet. Ammoniak wird längst nicht mehr nur in der Industrie-Kälte bei Kapazitäten von mehr als 500 Kilowatt eingesetzt – das Kältemittel erobert immer mehr auch Bereiche, in denen bislang synthetische Kältemittel vorherrschten, zum Beispiel die Gebäudeklimatisierung. So wurden viele grosse Messehallen in Deutschland mit Ammoniak-Flüssigkeitskühlern zur Klimatisierung ausgestattet. Der Trend zur Gebäudeklimatisierung mit natürlichen Kältemitteln zeigt sich auch bei Systemen, die Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan und Buten als Kältemittel einsetzen. Propan besitzt sehr ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie das synthetische Kältemittel R22. Einige Länder im asiatischen Raum haben deshalb in zentralen Klimaanlagen R22 durch Propan ersetzt und berichten von 10 bis 30 Prozent weniger Energieverbrauch bei nur geringen erforderlichen Änderungen der Anlagen.

Fazit: Natürlich kühlt (meist) am besten

Angestossen durch die F-Gase-Verordnung prüfen Planer und Betreiber vermehrt, wo und wie sich Kälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln sinnvoll betreiben lassen. Das spiegelt sich in deren zunehmenden Verbreitung bei der Gebäudeklimatisierung wider. Gestiegenes Umweltbewusstsein und betriebswirtschaftliche Vorteile sind hiefür verantwortlich.