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Natürliche Kältemittel - nachhaltig in die Zukunft

(16.10.2008; Chillventa-Bericht) Natürliche Kältemittel werden bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts für die Kälteerzeugung - vorwiegend bei der Lebensmittelproduktion und -lagerung - eingesetzt. Besonders Ammoniak (NH3) hat sich in der industriellen Kälteerzeugung seit über 130 Jahren bewährt. In den 50er und 60er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde es aber bei Neuanlagen zunehmend durch synthetische Kältemittel ersetzt, die von der chemischen Industrie als leichter zu handhabende Alternative propagiert wurden. Trotzdem gab es immer Unternehmen, die bevorzugt mit Ammoniak arbeiteten.

Kohlendioxid (CO₂) dagegen, ein natürliches Kältemittel mit einer ebenfalls über 100-jährigen Tradition, geriet in Vergessenheit und wurde erst Anfang der 90er Jahre wiederentdeckt, als Forscher und Praktiker erkannten, dass Kohlendioxid für die heutige Energie- und Umweltsituation ein exzellentes Kältemittel sein kann. Zahlreiche CO₂-Anwendungen sind seither in der Kältetechnik entwickelt worden. Den größten Anteil haben bisher Anlagen mit CO₂ als verdampfendem Kälteträger (so genanntes sekundäres Kältemittel), zum Beispiel für Backwarenfroster, Tiefkühlhäuser oder Kunsteisbahnen. In Skandinavien und Luxemburg findet sich CO₂ auch häufig in den Kühlsystemen von Supermärkten. Als äußerst effizient haben sich auch Ammoniak/Kohlendioxid-Kaskadenanlagen erwiesen, wie sie mittlerweile bei der Produktion von Tiefkühlkost und bei der Gefriertrocknung von Kaffee eingesetzt werden. Verstärkt ist CO₂ als klimaschonende Alternative zu den herkömmlichen mit H-FKW ausgestatteten Autoklimaanlagen im Gespräch - entsprechende technologische Lösungen wurden bereits entwickelt.

Neben Ammoniak und Kohlendioxid, die besonders in der Großkälte zum Einsatz kommen, werden auch Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Butan oder Propan in der Praxis eingesetzt. Für Anwendungen oberhalb von 0 Grad Celsius ist Wasser als Kältemittel eine sehr interessante Alternative. Seit Beginn der 90er Jahre wurden umfangreiche Entwicklungsarbeiten durchgeführt und bereits technisch funktionsfähige Anlagen gebaut.

Klimaschutz - mit natürlichen Mitteln

Natürliche Kältemittel werden so bezeichnet, da sie - in Abgrenzung zu den synthetischen Kältemitteln - auch ohne menschliches Wirtschaften in der Natur vorkommen. Ammoniak beispielsweise wird zwar für die Nutzung im Kälteprozess industriell erzeugt, gilt aber als natürliches Kältemittel, da es in den Stoffkreisläufen der Natur vorkommt.

Unter Klimaaspekten ist Ammoniak geradezu ein ideales Kältemittel, denn es trägt weder zum Abbau der Ozonschicht noch zum Treibhauseffekt bei. Von allen derzeit bekannten Kältemitteln weist Ammoniak auf Grund seiner ausgezeichneten thermodynamischen Eigenschaften den geringsten Primärenergieaufwand zur Erzeugung einer bestimmten Kälteleistung auf und besitzt damit das geringste indirekte Treibhauspotenzial. Deshalb fallen auch ganzheitliche ökologische Bewertungen nach der TEWI-(Total Equivalent Warming Impact-)Methode für Ammoniak-Kälteanlagen besonders günstig aus. Bei dieser Methode werden der direkte Treibhauseffekt, resultierend aus Leckage- und Rückgewinnungsverlusten des Kältemittels, und der indirekte Treibhauseffekt, bezogen auf die in der Lebenszeit der Anlage verbrauchte Energie, addiert.

Auch Kohlendioxid ist unter Umweltgesichtspunkten ein hervorragendes Kältemittel. Auf den ersten Blick mag es verwundern, dass ausgerechnet das als Treibhausgas Nr. 1 bekannte CO₂ in der Kältetechnik als besonders klimaschonend gilt. CO₂ als Kältemittel wird prinzipiell aus existierenden, meist natürlichen Quellen hergestellt. Die dafür benötigte Energie und auch die eingesetzten Mengen sind im Vergleich zu den weltweit erzeugten CO₂-Emissionen und industriell genutzten CO₂-Mengen so marginal, dass sie in den Emissionsstatistiken untergehen würden. Im Vergleich zu anderen Treibhausgasen ist der direkte Treibhauseffekt beziehungsweise das Global Warming Potential (GWP) von Kohlendioxid zudem sehr niedrig.

Ozonzerstörungs- und Treibhauspotenzial von Kältemitteln

   Ozone Depletion
Potential, ODP*)
Global Warming
Potential, GWP*)
Ammoniak (NH3) 0 0
Kohlendioxid (CO₂) 0 1
Kohlenwasserstoffe (Propan C3H8, Butan C4H10) 0 3
Wasser (H₂O) 0 0
Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) 1 4.680-10.720
Teilhalogenierte Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (H-FCKW) 0,02-0,06 76-12.100
Per-Fluor-Kohlenwasserstoffe (P-FKW) 0 5.820-12.010
Teilhalogenierte Fluor-Kohlenwasserstoffe (H-FKW) 0 122-14.310
*) siehe auch Kältetechnik-Glossar von Eurammon

Natürliche Kältemittel sind jedoch nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch nachhaltig. Die Kältemittel selbst sind - im Gegensatz zu synthetischen Kältemitteln - preisgünstige und in großen Mengen verfügbare Rohstoffe. Die Preisunterschiede zu synthetischen Kältemitteln machen sich bei der Erstbefüllung einer Anlage, aber vor allem auch bei Leckageverlusten bemerkbar. Fachleute gehen bei industriellen, verzweigten Kälteanlagen von jährlichen Verlusten von 5 bis 30 Prozent aus, je nach Anlagenalter und -zustand. Neben den hohen Kosten stellen die Leckagen natürlich auch eine erhebliche Belastung für das Erdklima dar.

Die Annahme, dass die Investitionskosten für Anlagen mit natürlichen Kältemitteln grundsätzlich 10 bis 20 Prozent höher liegen als bei Anlagen mit synthetischen Kältemitteln, ist falsch und muss relativiert werden - betont man bei Eurammon. Je nach Art und Umfang der Anlage können tatsächlich Mehraufwendungen durch teurere Komponenten, bestimmte Werkstoffe oder Technologien sowie durch sicherheitstechnische Maßnahmen entstehen. Umgekehrt könnten dem aber auch Kostenreduzierungen durch Verkleinerung von Verdichtern und Rohrleitungen entgegenstehen.

Ganz entscheidend ist aber der Aspekt der Betriebskosten - hier sollen Anlagen mit natürlichen Kältemitteln laut Eurammon sehr gut abschneiden. Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung über mehrere Jahre haben sie dann oftmals die Nase vorn. Als Gründe sind neben den geringeren Kosten durch Leckagen der geringere Wartungsaufwand sowie der - insbesondere bei industriellen Anlagen - niedrige Energieverbrauch zu nennen. Natürliche Kältemittel sind sehr effizient (Ammoniak ist das anerkannt effizienteste Kältemittel überhaupt), was zu niedrigen Betriebskosten führt. Hinzu kommt die preisgünstige Entsorgung von natürlichen Kältemitteln am Ende der Laufzeit einer Anlage.

Kommt der H-FKW-Ausstieg?

Das immer größer werdende Ozonloch und der wissenschaftliche Nachweis eines Zusammenhangs zwischen diesem und den Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW) führte Mitte der 80er Jahre zu politischem Handeln: 1985 unterzeichneten die Vereinten Nationen in Wien ein Übereinkommen zum Schutz der Ozonschicht und vereinbarten 1989 im Protokoll von Montreal erste konkrete Maßnahmen: Produktion und Verbrauch von FCKW sollten in einem ersten Schritt bis zum Jahr 2000 auf die Hälfte reduziert werden. In Folgekonferenzen wurden diese Beschlüsse verschärft und schließlich ein Fristenplan für den endgültigen Ausstieg vereinbart: Seit 1996 ist die Verwendung von FCKW in den Industrieländern verboten, seit 2000 dürfen keine Neuanlagen mehr mit H-FCKW betrieben werden.

Doch auch die als Ersatzkältemittel genutzten Substanzen - vorwiegend H-FKW - stehen mittlerweile in der Kritik. Auf Grund ihrer klimaschädigenden Wirkung sehen sie sich einer Verbotsdiskussion ausgesetzt. So wurden 1997 FKW und H-FKW als Treibhausgase in das Protokoll der Klimaschutzkonferenz von Kyoto aufgenommen. Für die Länder der EU wurde eine Reduktion der Emissionen der so genannten Kyoto-Gase bis zum Zeitraum 2008-2012 nach dem Lastenausgleichsverfahren ("burden sharing") beschlossen. Für Deutschland wurde die Reduktion auf 21 Prozent festgelegt. Um diese Emissionsziele zu erreichen, müssen in allen Sektoren, in denen klimarelevante Gase erzeugt werden, Einsparpotenziale realisiert werden.

Seither findet in zahlreichen EU-Mitgliedsstaaten eine Diskussion um Ausstieg und Reduzierung statt. Einige Länder wie Luxemburg, Dänemark und Österreich haben bereits entsprechende Verbote ausgesprochen. In Dänemark wurde eine Besteuerung von H-FKW-Anlagen eingeführt: Seit 2006 dürfen keine Neuanlagen mehr errichtet werden und ab 2007 sind Anlagen mit mehr als 10 Kilogramm Kältemittelfüllung verboten. In weiteren europäischen Ländern stehen Ausstiegsszenarien zur Diskussion.

Um die Emission von Treibhausgasen weiter zu verringern, hat die EU im April 2006 die F-Gase-Verordnung verabschiedet, die im Juli 2007 in Kraft trat. Sie schreibt unter anderem vor, Kälte- und Klimaanlagen regelmäßig durch qualifiziertes Personal zu warten und auf ihre Dichtheit zu überprüfen. Alle Servicearbeiten müssen lückenlos dokumentiert werden und für jeden nachvollziehbar sein.

Auf die Betreiber von Kälteanlagen mit H-FKW könnten also zukünftig erhebliche Umrüstungs- oder Stilllegungskosten zukommen, wenn der Ausstieg beschleunigt oder Verbote ausgesprochen werden. Vor diesem Hintergrund repräsentieren natürliche Kältemittel nicht nur unter ökologischen, sondern auch unter ökonomischen Gesichtspunkten die nachhaltigste Lösung und damit die Zukunft der Kältetechnik.

siehe auch für weitere Informationen:

  • Eurammon
    ... ist einer Vereinigung, die 1996 von europäischen Unternehmen, Institutionen und Experten aus dem Kompetenzbereich Kälte mit dem Ziel gegründet wurde, sich gemeinsam für natürliche Kältemittel zu engagieren.
  • Bitte beachten Sie, dass die Meldung den Stand der Dinge zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung im Oktober 2008 wiedergibt.
  • Kältetechnik-Glossar von Eurammon

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