Kältemittel

Ein Kältemittel wird benötigt, um den Kältekreislauf aufrecht zu erhalten. Die Auswahl bzw. der Einsatz wird nach den spezifischen physikalischen Eigenschaften (Siedetemperatur, kritische Temperatur, kritischer Druck, Dichte usw.) vorgenommen.

Da viele Kältemittel den Ozonabbau und den Treibhauseffekt fördern, muss bei der Auswahl der Produkte das sogenannte Ozonabbau-Potential (ODP) und das Treibhaus-Potential (GWP) berücksichtigt werden. Kältemittel mit hohem ODP und GWP sind nicht mehr erlaubt oder werden verboten. Das betrifft vor allem die Fluorkohlenwasserstoffverbindungen (FCKW), auch als Freon (R11, R12, R13, R13B1, R22, R113, R502) bekannt.

In großen Kälteanlagen wird Ammoniak (NH₃, R717) als Kältemittel eingesetzt. Dabei sind die spezifischen Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten, weil z. B. das Einatmen der Dämpfe die Schleimhäute und die Augen reizt und verätzt.
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Wenn die Wärmeversorgung mit hohen Temperaturen (bis 160 °C) gefahren werden soll, dann brauchen die Großwärmepumpen (HTWP) spezielle Kältemittel. Hier kommt z. B. R245fa (1,1,1,3,3 Pentafluorpropan - Pentafluorpropan) zum Einsatz.

Alternative Kältemittel

R134a
R134a ist mittlerweile nicht nur aus technischer Sicht die langfristige Alternative für R 12. Neben den thermodynamischen Eigenschaften sind insbesondere die Unbrennbarkeit und Ungiftigkeit des Stoffs die Hauptargumente für einen langfristigen Einsatz. Dazu kommen positive praktische Erfahrungen, hohe Verfügbarkeit von Kältemittel und geeigneten Komponenten, günstige Preise und relativ unkomplizierte Handhabung in der Praxis. Dem trägt auch der Gesetzgeber Rechnung, indem R 134a offiziell als Ersatzkältemittel für R 12 benannt wurde. Mit Ausnahme der Kfz-Klimatisierung wird als Schmierstoff ausschließlich Esteröl verwendet.

R 22
R22 wurde neben R134a vom Umweltbundesamt als Ersatzkältemittel für R12 benannt. Eine Umrüstung von Altanlagen auf R22 ist jedoch wenig sinnvoll, wenn auch auf R134a umgestellt werden kann, da - im Gegensatz zu R134a - die Verwendung von R22 bereits durch FCKW-Halon-Verbotsverordnung zeitlich begrenzt ist. Demnach darf R22 nur noch bis 31.12.1999 eingesetzt werden, wenngleich auch hier Übergangsregelungen für bestehende Systeme zu erwarten sind, solange kein Ersatzkältemittel definitiv vom Umweltbundesamt benannt ist. Des Weiteren ist eine Umstellung von R12-Anlagen auf R22 durch die doch stark abweichenden thermodynamischen Eigenschaften selten sinnvoll, da zumeist auch wertmäßig größere Anlagenbauteile wie Verflüssiger, Verdichter etc. getauscht werden müssen. Für den kurz- und mittelfristigen Ersatz von R22 zeichnet sich aus unserer Sicht ein Trend in Richtung R407C und R404A als Substitutionsprodukte ab. Für den langfristigen Ersatz wird sich voraussichtlich R410A durchsetzen.

R290
R290 ist auch als Propan bekannt und hat sehr ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie R22 und einen ebenso weiten Einsatzbereich. Die Verträglichkeit von Materialien und Wärmetauschern ist gegeben, bei elektrischen Komponenten muss auf einen ggf. erforderlichen Ex-Schutz geachtet werden. Grundsätzlich könnte Propan als Kältemittel überall dort eingesetzt werden wo heute noch R22 verwendet wird. In einigen Ländern, speziell im asiatischen Raum, wird Propan als Drop-in verwendet. In zentralen Klimaanlagen, z. B. in Malaysia, Thailand, Philippinen, Indonesien und Singapur, wurde mit Erfolg R22 gegen R290 ausgetauscht.
Neben dem R290 (Propan) gibt es die Kältemittel mit höherer Entflammbarkeit R-600a (Isobutan) oder R-1270 (Propen).

R404A
R404A hat sich neben R507 als Ersatzstoff für R502 durchgesetzt. Die energetischen und thermodynamischen Eigenschaften sind ähnlich denen von R 502. Der geringe Temperaturgleit von ca. 0,5 K ist in der Praxis vernachlässigbar. Als Schmierstoff wird auch hier ausschließlich Esteröl verwendet. Solange vom Umweltbundesamt für R22 kein Ersatzkältemittel benannt ist, wird neben R407C häufig R404A eingesetzt.

R407C
R407C ist ein Gemisch aus R32, R125 und R134a und ist inzwischen relativ umfassend erprobt. Dieses Kältemittel ist in erster Linie ein R22-Substitut für Klimasysteme und - unter Einschränkung - auch für Normalkühlung geeignet. Wegen des relativ hohen R134a-Anteils ergibt sich bei Tiefkühlanwendung eine deutliche Minderung von Kälteleistung und Leistungszahl am Verdichter. Besondere
Beachtung verlangt der hohe Temperaturgleit von ca. 7,4  K bezüglich der Auslegung von Wärmetauschern und Regelgeräten. R407C wird mit Esterölen betrieben.

R408A
R408A ist ein Gemisch aus R22, R143a und R125 und wurde speziell als Drop-in Kältemittel für R502 entwickelt. Der Temperaturgleit ist mit ca. 0,6 K vernachlässigbar gering. R408A ist eine einfache und preiswerte Alternative um R502-Anlagen in Betrieb zu halten, ohne Anlagenteile (außer Trockner) auszutauschen. Langfristig muss jedoch, besonders wegen der R22-haltigkeit, eine Neuanlage mit R404A eingeplant werden. Als Schmiermittel sollte Alkylbenzol, also synthetisches Öl, verwendet werden. Dies macht jedoch in der Regel keine Probleme, da die meisten R502-Anlagen ohnehin mit synthetischem Öl gefüllt sind.

R409A
R409A ist ein Gemisch aus R22, R124 und R142b und wurde speziell als Drop-in-Kältemittel für R12 entwickelt. Der Temperaturgleit beträgt ca. 8 K, das Expansionsventil muss etwas nachjustiert werden. Ein besonderer Vorteil von R409A ist seine Mischbarkeit mit nahezu allen Arten von Kältemaschinenöl. Es muss also in der Regel kein Ölwechsel vorgenommen werden. R409A hat sehr gute thermodynamische Eigenschaften, die bei der Umstellung der Anlage sogar leicht verbesserte Kälteleistungen bei geringerer Stromaufnahme des Verdichters liefern.

R410A
R410A ist ein nah-azeotropes Gemisch aus R32 und R125 mit einem vernachlässigbar kleinen Temperaturgleit von weniger als 0,2 K. Als möglicher Ersatzstoff für R22 weist R410 A eine um fasst 50 % höhere Kälteleistung, jedoch auch eine wesentlich höhere Drucklage, als R22 auf. Das hohe Druckniveau bedeutet eine höhere spezifische Belastung der Anlagenkomponenten, die zur Zeit nur wenige Fabrikate erfüllen können. Maximale zulässige Betriebsüberdrücke von mindestens 40 bar sind eine Voraussetzung für die Verwendbarkeit für dieses Kältemittel. Ein weiteres Kriterium ist die relativ niedrige kritische Temperatur von 73 °C. Unabhängig von der Auslegung hochdruckseitiger Komponenten ist damit die Höhe der Verflüssigungstemperatur deutlich eingeschränkt. Nach heutigem Kenntnisstand ist bis in ca. 3 - 5 Jahren mit einer ausreichenden Verfügbarkeit an R410A-Komponenten und damit mit einem verstärkten Einsatz dieses Kältemittels zu rechnen. R410A wird mit Esterölen betrieben.
Das Kältemittel R410A mit einem GWP von 2088 darf ab 2025 nicht mehr in Split-Geräten mit einer Füllmenge von weniger als 3 kg eingesetzt werden. Es sind dann nur noch Kältemittel mit einem GWP (Global Warming Potential [Treibhauspotenzial]) von maximal 750 erlaubt.
Als Alternative bietet sich R32* (Difluormethan - CH₂F₂) an, das sich bereits als Bestandteil des R410A-Gemischs bewährt hat. R32 hat gegenüber R410A einen etwa um 2/3 niedrigeren GWP, eine etwa 20 % höhere volumetrische Kälteleistung und einen etwa 4,4 % höheren theoretischen COP. Daraus ergeben sich ein niedrigerer Stromverbrauch im Kühl- und Heizbetrieb sowie ein geringerer Mengenbedarf.
* Das Kältemittel R32 ist ein Einstoffkältemittel. Es eignet sich sehr gut für Klimaanwendungen, für den Kühl- und Heizbetrieb. R32 soll u.a. das Kältemittel R410A ersetzen. Der Sättigungsdruck von R32 ist R410A sehr ähnlich. Dadurch kann die Entwicklung einer R32-Anlage auf Grundlage von R410A-Anlage basieren. Dabei hat R32 eine größere spezifische Kälteleistung als R410A.

R413A
R413A ist ein Gemisch aus R134a, R218 und R600a und wurde speziell als Drop-in Kältemittel für R12 entwickelt. R413A ist ein sehr guter Ersatzstoff für R12, da es kein Ozonabbaupontential (ODP) besitzt und einen geringen Beitrag zum Treibhauseffekt (HGWP) mit der Verträglichkeit mit allen gebräuchlichen Ölen verbindet. Besonders die letzte Eigenschaft erweist sich in hermetischen Systemen als großer Vorteil, da ein Wechsel zu anderen Kältemitteln zumeist problematisch, umständlich und aufgrund des mehrfachen Durchspülens mit Ölen kostenaufwendig ist. Der Temperaturgleit beträgt ca. 7 K, das Expansionsventil muss etwas nachjustiert werden. Wie bei allen chlorfreien Kältemitteln muss auch bei R413A ein
Trockner mit einer Porosität von 3A eingesetzt werden. Da R413A kein R22 enthält, ist es neben R134a als Ersatzstoff für R12 in Kfz-Klimaanlagen zugelassen.

R507
R507 ist ein nahazeotropes Gemisch aus R143a und R125 und wurde speziell als Ersatzstoff für R502 entwickelt. Der Temperaturgleit ist praktisch 0K. Ansonsten ist R507 sowohl in der Anwendung als auch thermodynamisch weitestgehend mit R404A vergleichbar und benötigt wie dieses auch Esteröl als Schmiermittel.

R717
R717 Ammoniak [NH₃] ist ein entzündbares Gas., verursacht schwere Verätzungen der Haut sowie schwere Augenschäden und ist beim Einatmen giftig. Es wird zunehmend hauptsächlich in gewerblichen Kühlanlagen eingesetzt.

R718
R718 Wasser [H₂O] ist ungiftig, nicht brennbar, leicht verfügbar und kostengünstig.

R744
R744 (Kohlenstoffdioxid bzw. Klimagas - Kohlendioxid (CO2) wurde schon vor 150 Jahren als Kältemittel verwendet. Es ist ein natürlicher vorkommender Stoff, praktisch unbegrenzt verfügbar, fällt als Nebenprodukt industrieller Prozesse an und ist tausendfach weniger schädlich für die globale Erwärmung als alle heute verwendeten synthetischen Kältemittel. Außerdem ist es nicht giftig und nicht brennbar.
Das R744 hat eine sehr hohe volumetrische Kälteleistung und ist besonders für Wärmepumpen, stationäre und mobile Klimaanlagen (PKW-Klimatisierung) geeignet.

R744A
Distickstoffmonoxid bzw. Lachgas (N₂O) ist ein anorganisches Einstoffkältemittel. Da Distickstoffmonoxid die gleiche Molmasse wie Kohlendioxid (CO₂) aufweist, hat man der kältetechnischen Bezeichnung R744 ein "A" angefügt, um es von Kohlendioxid unterscheiden zu können. Distickstoffmonoxid ist unter Atmosphärenbedingungen ein farbloses Gas, das sich im Temperaturbereich zwischen ca. -90 °C und +36 °C unter entsprechendem Druck verflüssigen lässt. Die Verdampfung kann somit zur Kühlung bis hin zu tiefen Temperaturen genutzt werden.

R1234yf
R1234yf soll in den Autoklimaanlagen ab 2017 in Europa Pflicht sein: Aber Untersuchungen des Umweltbundesamtes und der Bundesanstalt für Materialforschung bestätigen, dass der neue Kühlstoff bei einem Fahrzeugbrand bei 405 °C in Flammen aufgeht und hochgiftige Gase freisetzt. Es entsteht Fluorwasserstoffsäure die bei dem Kontakt mit Wasser zur Flusssäure wird, die schon in geringen Mengen tödlich ist. Die Aufnahme des Giftes kann unbemerkt vor sich gehen. Die Flüssigkeit wird schnell von der Haut und den Schleimhäuten aufgenommen und wirkt stark ätzend. Beim Einatmen kann sie akut zu einem Lungenödem und chronischen Schäden bis hin zum Tod führen.