Wichtige Kältemittel im Überblick

Die HFKW lösten in den 90er Jahren die FCKW mit hohen ODP-Werten ab. Für den Einsatz in Hochtemperatur-Wärmepumpen eignen sich beispielsweise R245fa, R245ca und R365mfc mit ODP-Werten gleich null. Aufgrund der hohen GWP-Werte wird der Einsatz von HFKW schrittweise reduziert.

HFO gelten aufgrund ihrer niedrigen GWP-Werte als umweltfreundliche Alternative zu den HFKW. R1234yf und R1234ze(E) werden dabei als potenzielle Ersatzkältemittel zu R134a gesehen. R1336mmz(Z) und R1234ze(Z) sind attraktive Ersatzstoffe zu R245fa und R365mfc. Dabei eignet letzteres sehr gut für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen bis ca. 250 °C. Ein Ersatz von R123 in Kühlanlagen sowie Hochtemperatur-Wärmepumpen ist durch das synthetische Kältemittel R514a möglich. Das Isomer R1234ze(Z) wird als geeigneter „Drop-In“-Ersatz für R114 in Hochtemperatur-Wärmepumpen und als Alternative zu R245fa gehandelt.

Beispiele für synthetische Hydrochlorfluorolefine sind R1233zd(E) und R1224yd(Z). Sie sind Ersatzstoffe für die HFKW R245fa, R365fmc und werden für den Einsatz in Hochtemperatur-Wärmepumpen empfohlen. Beide Kältemittel zeigen in entsprechenden Tests eine gute thermodynamische Effizienz, Verträglichkeit mit Metallen und Polymeren sowie eine volumetrische Leistung, die nur 7 – 15 % unter der von R245fa liegt. Die beiden HCFO weisen GWP- und ODP-Werte nahe Eins und Null auf, sind schwer entflammbar und gehören daher zur Sicherheitsgruppe A1.

Geeignete natürliche Kältemittel für Hochtemperaturanwendungen sind R718 (Wasser), R744 (Kohlendioxid), R717 (Ammoniak) und Kohlenwasserstoffe. Der Einsatz von Wasser als Kältemittel ist ab 150 °C attraktiv, jedoch sind aufgrund der geringen Dichte von Wasserdampf das Hubvolumen und Druckverhältnis sehr hoch. Um etwa die Wasserdampftemperatur von 50 °C (0,1 bar Absolutdruck) auf 150 °C (5 bar) zu erhöhen, beträgt das Druckverhältnis etwa 50. In der Praxis kommen für die Wasserdampf-Rekompression mehrstufige Kolbenverdichter mit Zwischenkühlung sowie Scroll- oder Turboverdichter zum Einsatz. Die Sicherheits- und Umwelteigenschaften von Wasser als Kältemittel sind tadellos.

Kohlendioxid weist die niedrige kritische Temperatur von 31 °C sowie einen hohen kritischen Druck von 73,6 bar auf. Der Zulauf zum Gaskühler darf bei Hochtemperatur-Wärmepumpen-Anwendungen nicht weit über der kritischen Temperatur des R744 liegen. R744 eignet sich besonders für Anwendungen mit hoher Temperaturspreizung auf der warmen Seite der Wärmepumpe. Ein Beispiel für den Einsatz von Kohlendioxid ist die Warmwasserbereitung: Relativ kaltes Frischwasser wird auf Zieltemperaturen von 90 – 120 °C erwärmt.

Ammoniak ist eines der ältesten Kältemittel in der industriellen Kältetechnik. Neben seinen niedrigen GWP- und OPD-Werten gleich null ist NH3 konkurrenzlos billig. Ammoniak findet in Hochtemperatur-Wärmpumpen aufgrund der technischen Limitierung der Kompressionsdrücke bei etwa 50 bar Anwendung bis „nur“ 90 °C. Ein Beispiel ist die Abwärmenutzung aus Ammoniakkälteanlagen. Das komprimierte Kältemittel (30 °C bei 12 bar) wird in einer zweiten Stufe verdichtet und bei Temperaturen um 90 °C in einem Ammoniak-Wasser-Wärmeübertrager kondensiert. Mittels dieser „Add-On-Wärmepumpe“ lässt sich Abwärme aus der Kälteerzeugung durch Zugabe von elektrischer Energie in wertvolle Warmwasserenergie wandeln. Jedoch: Aufgrund seiner Toxizität und Brennbarkeit ist NH3 in der Sicherheitsklasse B2L eingeordnet; besondere technische und betriebliche Vorkehrungen sind also zu treffen.

Die Kohlenwasserstoffe n-Butan (R600) und Pentan (R601) sind Kältemittel ohne ODP- und mit sehr niedrigen GWP-Werten. R600 eignet sich für die Anwendung in Hochtemperatur-Wärmepumpen bis ca. 120 °C, was die Sattdampferzeugung bei ca. 2 bar ermöglicht. Für viele Industrien mit typischen Prozessdampfdrücken zwischen 3 und 10 bar bietet es sich an, zunächst eine Hochtemperatur-Wärmepumpe für die Niederdruckdampferzeugung einzusetzen und diese mittels nachgeschaltetem Dampfverdichter auf den gewünschten Betriebsdruck zu komprimieren. Als mechanische Dampfverdichter kommen Hubkolbenverdichter mit Zwischenkühlung oder (im Megawatt-Maßstab) Turboverdichter zum Einsatz. Kohlenwasserstoffe sind brennbare Gase – entsprechend sind auch hier besondere technische und betriebliche Vorkehrungen zu treffen.