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Natürliche Kältemittel – natürlich effizient

Natürliche Kältemittel können ihre Vorteile vor allem in industriellen Kälteanlagen ausspielen. Die Investitionen sind innerhalb von zwei bis fünf Jahren amortisiert.

von pd

Michael Elsen, Sales Manager of eurammon member Kreutzträger Kältetechnik GmbH & Co. KG 5 (Bild: zvg)

Ob Energiewende in Deutschland oder Energieeffizienz-Gesetz in Österreich – für Unternehmen in Europa und weltweit wird es aus ökologischer und ökonomischer Sicht je länger je wichtiger, Energie effizient zu nutzen. Im Zuge dessen erkennen immer mehr Planer, Bauer und Betreiber von Kälte- und Klimaanlagen, welches Kostensenkungspotenzial in ihrer Kältetechnik steckt. Wie energie­effizient die Anlagen arbeiten, lässt sich an den Betriebskosten ablesen. Und die hängen auch von der Wahl des Kältemittels ab. Hier können vor allem natürliche Kältemittel punkten: Sie sind unbegrenzt verfügbar und zukunftssicher, darüber hinaus sehr preiswert und können in nahezu jeder Kälteanwendung eingesetzt werden. Mit einem ODP (Ozonabbaupotenzial) von 0 und einem GWP (global warming potential; Treibhauspotenzial) zwischen 0 und 3 sind sie ausserdem besonders umweltfreundlich.

Im nachfolgenden Interview erklärt Eurammon-Mitglied Michael Elsen, Vertriebsleiter der Kreutzträger Kältetechnik GmbH & Co. KG, warum sich der Einsatz natürlicher Kältemittel positiv auf die Energieeffizienz von Kälteanlagen auswirkt.

Eurammon: Das Kältemittel ist das zentrale Arbeits- und Betriebsmittel jeder Kälteanlage und hat damit massgeblichen Anteil an ihrer Leistung. Wie gross ist dabei der Einfluss, den das Kältemittel auf die Energieeffizienz der Anlage hat?
Michael Elsen: Das Kältemittel hat Einfluss auf die Energieeffizienz der Kälteanlage. Die thermodynamischen Eigenschaften bestimmen die Verdichterbaugrösse und damit einhergehende Verlustanteile, die auch einen Anteil am Gesamtleistungsbedarf der Kälteanlagen haben. Der Leistungsbedarf der eingesetzten Nebenantriebe wie etwa Pumpen und die Ventilatoren der Wärmetauscher ist dabei keineswegs zu vernachlässigen. Direkte Kühlsysteme, bei denen das Kältemittel unmittelbar im Verdampfer an der Kühlstelle durch Wärmeaufnahme verdampft, sind gegenüber indirekten Systemen, die einen Kälteträger verwenden, klar im Vorteil, da diese für den Wärmetransport eine zusätzliche Temperaturdifferenz und Pumpenleistung für den Kälteträgertransport benötigen. Modernste Anlagenkonzepte erlauben den Einsatz direkter Kühlsysteme mit natürlichen Kältemitteln bei gleichzeitig minimalen Füllmengen.

Welche physikalischen Eigenschaften natürlicher Kältemittel sorgen dafür, dass Anlagen energieeffizient laufen?
Natürliche Kältemittel zeichnen sich durch eine ganze Reihe physikalischer Eigenschaften besonders im Hinblick auf die Energieeffizienz aus. So besitzt ein effizientes Kältemittel einen möglichst hohen Wert bei der spezifischen Verdampfungsenthalpie. Das ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um ein Kilogramm Kältemittel bei gleichbleibender Temperatur zu verdampfen. Des Weiteren lassen sich aus der volumetrischen Kälteleistung, die von den stofflichen Eigenschaften abhängt, erhebliche Abweichungen in der Kälteleistung ableiten. Die volumetrische Kälteleistung stellt dar, wie viel Kälteleistung mit 1 m³ Kältemittel theoretisch realisiert werden kann. Je grösser dieser Wert ist, umso weniger Kältemittel muss für eine bestimmte Kälteleistung umgewälzt werden. Das heisst wiederum, dass dadurch auch Energieverluste in Anlagenkomponenten sinken. Der Isentropenexponent ist der Quotient aus der spezifischen Wärme bei konstantem Druck durch die spezifische Wärme bei konstantem Volumen. Bei Kältemitteln, die über einen hohen Isentropenexponenten verfügen, treten hohe Verdichtungsendtemperaturen auf, was insbesondere für die Wärmerückgewinnung von Vorteil sein kann. Ein niedriges Druckverhältnis zwischen Saug- und Verflüssigungsdruck beeinflusst vorteilhaft Liefergrad und Energiebedarf.

In welchen Kälte- und Klimaanwendungen ist der Einsatz von natürlichen Kältemitteln besonders energieeffizient und warum?
Insbesondere im Bereich industrieller Kälteanlagen ist die Verwendung von natürlichen Kältemitteln wirtschaftlich darstellbar. Bei Anlagen mit einer Kälteleistung über ca. 100 kW rechtfertigen die Effizienzvorteile den notwendigen erhöhten Investitionsbedarf. Meist amortisieren sich die Kosten innerhalb von zwei bis fünf Jahren gegenüber Anlagen mit synthetischen Kältemitteln. Das Einsatzspektrum für Kälteanlagen mit natürlichem Kältemittel wird ständig erweitert. Selbst bei Anwendungen bei denen man vor Jahren noch auf synthetische Kältemittel zurückgegriffen hätte, sind natürliche Kältemittel wie zum Beispiel. Ammoniak, Kohlendioxyd und Propan heute die erste Wahl. Zurzeit kommen Anlagen mit natürlichen Kältemitteln vor allem in industriellen Kälteanwendungen zum Einsatz. Etwa in der Logistik, bei Tiefkühltunneln und Frostern, in Brauereien und Molkereien oder in Schlachthöfen, Speiseeisfabriken oder Grossbäckereien. Aber auch bei Wärmepumpen und vor allem im Supermarkt schreitet aktuell die Umstellung voran. In Ammoniak-Anlagen zur Wasserkühlung, die mit Verdunstungsverflüssiger oder mit luftgekühltem Verflüssiger ausgerüstet sind, lässt sich die extrem grosse Verdampfungsenthalpie von Ammoniak zur freien Kühlung ausnutzen, das heisst, zur Wärmeabfuhr an die Umgebung ohne Verdichterbetrieb, sobald es die Aussentemperatur ermöglicht.

Ammoniak ist über viele Einsatzbereiche das wirtschaftlichste Kältemittel. Warum ist das so, was macht Ammoniak besonders energieeffizient?
Die hohe spezifische Verdampfungsenthalpie von Ammoniak und die geringen in den Kälteanlagen auftretenden Drücke, die relativ geringe Dichte und der sehr gute Wärmeübergang beeinflussen Leitungsquerschnitte und Abmessung von Wärmeübertragern und Kältemittelverdichtern. Das wirkt sich im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln auf den Gesamtleistungsbedarf der Anlage positiv aus. Aufgrund des hohen Isentropenexponenten des Ammoniaks kann das aus dem Verdichter austretende Druckgas – je nach Auslegung der Anlagenkomponenten – bis zu 150 °C betragen. Dieses Temperaturniveau ist für die Warmwasserbereitung bestens geeignet. So lassen sich Warmwassertemperaturen von ca. 60 °C bei einer Heizleistung von etwa 15 Prozent der Kälteleistung erzielen, ohne dass hierfür zusätzliche Energie aufgewendet werden muss.

In vielen Branchen stehen Kälteanlagenbetreiber vor der Herausforderung, die Treibhausgasemissionen ihrer Gewerbekälteanlagen zu reduzieren. Oder sie sehen sich im Rahmen der Energiewende dazu veranlasst, die Energieeffizienz ihrer Anlagen zu steigern. Für welche Branchen und Gewerbe ist der Wechsel auf natürliche Kältemittel eine besonders effektive Option?
Letztendlich beschränkt sich der Einsatz von natürlichen Kältemitteln nicht auf spezielle Branchen und Kälteanlagen. Vielmehr ergeben sich aus den thermodynamischen Eigenschaften dieser Kältemittel, deren Einsatzgrenzen es in Abhängigkeit der Anwendung zu berücksichtigen gilt, auch zahlreiche Vorteile hinsichtlich Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz. Bei der Wahl des Kältemittels darf die Wirtschaftlichkeit des gesamten Anlagenkonzepts jedoch nicht aus den Augen gelassen werden. Eine Beschränkung auf bestimmte Einsatzfälle wäre grundlegend falsch. So finden wir heute Anlagen mit natürlichen Kältemitteln in nahezu allen Leistungs- und Anwendungsbereichen. Um für den Betreiber die optimale Lösung zu entwickeln, braucht es fachlich qualifizierte und erfahre Unternehmen, die objektiv unter Beachtung ökologischer und wirtschaftlicher Faktoren eine auf die Belange des Betreibers zugeschnittene Lösung erarbeiten.

Eurammon ist eine gemeinsame
Initiative von Unternehmen, Institutionen und Einzelpersonen, die sich für den verstärkten Einsatz von natürlichen Kältemitteln engagieren.