Natürliche Kältemittel bei Thermostaten: Bedeutung, Auswahl und sicherer Einsatz
Natürliche Kältemittel gewinnen in der Temperiertechnik an Bedeutung. Internationale Regelwerke reduzieren die Verwendung fluorierter Kältemittel mit hohen GWP-Werten. Für Thermostate und Kühlsysteme rücken deshalb insbesondere Propan und Kohlendioxid in den Fokus. Entscheidend ist, das Kältemittel passend zur Anwendung, zum Temperaturbereich und zu den Aufstellbedingungen auszuwählen.
Was sind Kältemittel?
Kältemittel sind Arbeitsstoffe innerhalb eines Kältesystems. Ihre Aufgabe besteht darin, Wärme an einer Stelle aufzunehmen und an einer anderen Stelle wieder abzugeben. Auf diese Weise kann Wärme aus einem zu kühlenden Bereich abgeführt werden. Je nach Anwendung kommen natürliche Kältemittel wie R-290 (Propan) oder R-744 (CO₂) (Kohlendioxid) sowie synthetische Kältemittel zum Einsatz.
Welche Anforderungen ein Kältemittel erfüllen muss, hängt unter anderem vom benötigten Temperaturbereich, der Kälteleistung, der Energieeffizienz, der Aufstellung und den geltenden Sicherheitsanforderungen ab. Deshalb gibt es nicht ein Kältemittel für alle Anwendungen.
Alltagsbeispiel: Wie arbeitet das Kältemittel in einem Kühlschrank?
Ein Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt sie an die Umgebung ab. Das Kältemittel übernimmt dabei den Wärmetransport innerhalb des geschlossenen Kältesystems: Es nimmt Wärme aus dem Innenraum auf und gibt sie ausserhalb des Kühlraums wieder ab. Dadurch sinkt die Temperatur im Kühlschrank beziehungsweise wird auf dem eingestellten Niveau gehalten.
Das Beispiel zeigt vereinfacht die grundlegende Aufgabe eines Kältemittels: Es erzeugt die Kälte nicht als eigenständigen Stoff, sondern ermöglicht, dass Wärme gezielt von einem Bereich in einen anderen transportiert wird.
Anwendungsbeispiel: Was passiert bei einem Thermostat?
Ein Thermostat hält eine Anwendung auf einem definierten Sollwert. Muss die Anwendung gekühlt werden, nimmt das Kältesystem Wärme aus der Anwendung auf und führt sie ab. Muss die Temperatur angehoben werden, übernimmt die Heizung des Thermostats die Wärmezufuhr. So kann das Gerät die Temperatur regeln und auch bei wechselnden Sollwerten stabilisieren.
Bei einem Prozessthermostat kann dies beispielsweise bedeuten, dass ein angeschlossener Prozess Wärme erzeugt. Das Temperiergerät führt diese Wärme kontinuierlich ab, bis der gewünschte Sollwert erreicht ist. Ändert sich die Wärmelast oder der Sollwert, passt das Gerät seine Heiz- beziehungsweise Kälteleistung entsprechend an. Das Kältemittel ist dabei der Arbeitsstoff des Kältesystems, der den erforderlichen Wärmetransport ermöglicht.
Das Thermostat-Beispiel macht zugleich deutlich, warum die Auswahl des Kältemittels an die konkrete Anwendung angepasst werden muss: Temperaturbereich, benötigte Kälteleistung, Energieeffizienz und Aufstellbedingungen bestimmen, welche technische Lösung geeignet ist.
Warum verändert sich die Kältetechnik?
Die F-Gas-Verordnung der Europäischen Union und weitere internationale Regularien sehen eine schrittweise Reduktion fluorierter Kältemittel mit hohen GWP-Äquivalenten vor. Der sogenannte Phase-down begrenzt die kumulierte Menge an CO₂-Äquivalenten, die als F-Gase in Verkehr gebracht werden darf. Kältemittel mit hohem GWP werden dadurch in ihrer Verfügbarkeit eingeschränkt und kontinuierlich verteuert.
Auch das Montreal-Abkommen mit seiner Kigali-Ergänzung verpflichtet Staaten weltweit zur kontinuierlichen Reduktion fluorierter Kältemittel in Herstellung und Verwendung. Die konkrete Umsetzung erfolgt über unterschiedliche Phase-down-Kurven und Zeitpläne.
Was bedeutet der GWP-Wert?
Der GWP-Wert, Global Warming Potential, beschreibt den Beitrag eines Gases zur Erderwärmung als CO₂-Äquivalent. Ein GWP von 5 bedeutet beispielsweise, dass 1 kg des verwendeten Kältemittels einer Emission von 5 kg CO₂ entspricht.
Viele natürliche Kältemittel wie CO₂, Propan oder Ethan weisen GWP-Werte unter 10 auf. Neuartige fluorierte Kältemittel, sogenannte HFOs, liegen deutlich unter den Werten klassischer HFC-Kältemittel und können in bestimmten Anwendungen als Übergangslösung dienen.
Welche natürlichen Kältemittel werden bei Thermostaten eingesetzt?
Der LAUDA Leitfaden stellt insbesondere R-290 (Propan) und R-744 (CO₂) als natürliche Kältemittel für Temperiergeräte und Kühlsysteme vor.
R-290 (Propan): universell einsetzbares Kältemittel
R-290 (Propan) ist die offizielle Bezeichnung für Propan als Kältemittel. Es besitzt kein Ozonabbaupotenzial und einen GWP-Wert von 3. LAUDA beschreibt R-290 (Propan) als wichtiges Kältemittel aufgrund seiner universellen Einsetzbarkeit, hohen Leistungsfähigkeit und Robustheit.
R-290 (Propan) eignet sich für Innen- und Aussenaufstellung sowie für luft- oder wassergekühlte Systeme. Es erreicht auch bei Vorlauftemperaturen über 0 °C eine hohe Energieeffizienz. Der Leitfaden bezeichnet R-290 (Propan) und weitere A3-Kältemittel als annähernden 1-zu-1-Ersatz für fluorierte Kältemittel. Vergleichbare Eigenschaften gelten auch für weitere natürliche Kohlenwasserstoffe wie R-170, Ethan, oder R-1270, Propen.
R-744 (CO₂): Kohlendioxid für hohe Kälteleistung
R-744 (CO₂) ist die offizielle Bezeichnung für Kohlendioxid als Kältemittel. Es ist natürlich vorkommend, nicht brennbar und hat keine schädlichen Auswirkungen auf die Ozonschicht. Sein GWP-Wert beträgt 1.
Aufgrund höherer Betriebsdrücke erfordert R-744 (CO₂) angepasste Komponenten und Sicherheitsmassnahmen. Seine Stärken liegen laut Leitfaden insbesondere bei Anwendungen mit hohem Kälteleistungsbedarf, Innenaufstellung, Vorlauftemperaturen unter 0 °C und der Nutzung einer zentralen Kühlwasserversorgung.
Natürliche und synthetische Kältemittel im Vergleich
Die Wahl des Kältemittels beeinflusst Temperaturbereich, Energieeffizienz, Baugrösse, Sicherheitsanforderungen und Installationsbedingungen. Der folgende Überblick fasst die Angaben des LAUDA Leitfadens zusammen.
Sicherheit bei brennbaren Kältemitteln
R-290 (Propan) gehört zur Sicherheitsklasse A3 und ist brennbar. Für LAUDA Geräte mit mehr als 150 g A3- oder A2L-Kältemittel beschreibt der Leitfaden ein integriertes Sicherheitskonzept. Ein serienmässig integrierter Gaswarnsensor überwacht den Raum im Kältesystem kontinuierlich auf einen möglichen Gasaustritt.
Nur bei unauffälligem Prüfergebnis kann das Gerät eingeschaltet werden. Wird während des Betriebs Kältemittel detektiert, erfolgt abhängig von der Konzentration zunächst eine Warnung. Steigt die Konzentration weiter, werden die Komponenten kontrolliert vom Netz getrennt.
Integral Geräte mit mehr als 150 g R-744 (CO₂)- oder A3-Kältemittel sind zusätzlich mit einem Quickstopp-Schalter und einer Schnittstelle zur Einbindung in ein zentrales Nothalt-System ausgestattet. Laut Leitfaden können die Geräte bei Beachtung der Mindestraumgrösse ohne zusätzliche Nachrüstung genutzt werden.
Welche Anforderungen gelten für den Installationsort?
Geräte mit A3- und A2L-Kältemitteln können aufgrund der integrierten Sicherheitssensorik bei Beachtung der vorgeschriebenen Mindestraumgrösse installiert und genutzt werden. Ab einer Kältemittelfüllmenge von 150 g können Mindestvolumina des Aufstellungsortes sowie gegebenenfalls Gaswarnsensorik und Belüftung erforderlich sein.
Bei Geräten mit CO₂ ist insbesondere bei unterirdischer Aufstellung sowie in oberirdischen Räumen ohne Notausgänge eine spezifische Betrachtung der Aufstellbedingungen und des Lüftungskonzeptes notwendig, um eine Sauerstoffverarmung im Installationsraum zu vermeiden.
Das erforderliche Mindestraumvolumen wird aus dem spezifischen Raumvolumen pro Kilogramm Kältemittel und der eingesetzten Kältemittelmenge berechnet. Die konkreten Werte sind dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen. Werden mehrere Temperiergeräte in einem Raum betrieben, ist laut Leitfaden nur das Gerät mit der höchsten Raumgrössenanforderung zu berücksichtigen; die Werte werden nicht addiert.
Energieeffizienz: Nicht nur das Kältemittel entscheidet
LAUDA weist darauf hin, dass rund 95 % der CO₂-Emissionen über die Lebensdauer eines Gerätes im laufenden Betrieb entstehen. Deshalb werden Kältesysteme, wann immer möglich, mit elektronischer Regelung und drehzahlgeregelter Verdichtertechnik entwickelt.
Der COP, Coefficient of Performance, beschreibt das Verhältnis von Kälteleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung. Er ist für den Vergleich von Kältemaschinen bei einem definierten, statischen Sollwert hilfreich. Prozessthermostate arbeiten jedoch häufig dynamisch mit wechselnden Sollwerten. Für eine belastbare Bewertung muss deshalb das konkrete Anwendungsszenario betrachtet werden.
CO₂-Systeme arbeiten bei niedrigen Umgebungs- und Kühlwassertemperaturen mit hoher Leistung und Effizienz. Überschreitet die Kühlwassertemperatur 20 °C, nimmt die Effizienz laut Leitfaden deutlich ab. A3-Kältemittel wie Propan verhalten sich ähnlich wie konventionelle F-Gase und bleiben auch bei 30 °C Kühlwassertemperatur oder 40 °C Umgebungstemperatur leistungsstark und effizient.
Da Anwendungen und Kühlprozesse einen grossen Teil der Zeit im Teillastbereich arbeiten, bieten drehzahlgeregelte Kompressoren ein hohes Einsparpotenzial. Der Leitfaden nennt für LAUDA Ultracool Energieeinsparungen von bis zu 50 % gegenüber konventioneller Technik ohne Invertertechnologie und Drehzahlregelung sowie für LAUDA Universa bis zu 78 %.
Welche LAUDA Thermostate nutzen natürliche Kältemittel?
Der Leitfaden nennt verschiedene Gerätelinien mit natürlichen Kältemitteln. Je nach Gerät, Kältemittelmenge und Sicherheitsklasse unterscheiden sich Gassensorik und Flugfähigkeit.
- Badthermostate Alpha und Universa: A3-Kältemittel, weniger als 100 g, keine Gassensorik notwendig, flugfähig.
- Umlaufkühler Microcool: A3-Kältemittel, weniger als 100 g, keine Gassensorik notwendig, flugfähig.
- Umlaufkühler Ultracool UC 2 bis UC 100: A3-Kältemittel, mehr als 150 g, Gassensorik vorhanden, nicht flugfähig.
- Prozessthermostate Integral IN 1040, 2540 und 3540 XTW: R-744 (CO₂), mehr als 150 g, keine Gassensorik notwendig, flugfähig.
- Prozessthermostate Integral IN 550, 750, 950 und 1850 XT / XTW: A3-Kältemittel, mehr als 150 g, Gassensorik vorhanden, nicht flugfähig.
- Prozessthermostate PRO: A3-Kältemittel, weniger als 150 g, keine Gassensorik notwendig, nicht flugfähig.
- Variocool VC 1200 und 2000: A3-Kältemittel, weniger als 100 g, keine Gassensorik notwendig, flugfähig.
- Variocool VC 5000 und 10000 in EU-Ausführung mit 50 Hz: A3-Kältemittel, mehr als 150 g, Gassensorik vorhanden, nicht flugfähig.
Transport und Logistik
LAUDA Geräte mit brennbaren Kältemitteln fallen unter die UN-Nummer UN 3358. Der Luftfrachttransport ist in der IATA-Verordnung geregelt. Geräte mit weniger als 100 g Gasfüllung gelten nach der im Leitfaden genannten Sonderbestimmung A103 nicht als Gefahrgut im Sinne der Verordnung.
Für Geräte mit mehr als 100 g brennbarem Kältemittel der Klassen A3 und A2L bietet LAUDA spezielle Logistik- und Serviceprozesse für eilige Luftfrachtlieferungen an. Lokale Vorschriften können strengere Grenzwerte oder zusätzliche Anforderungen vorsehen.
Natürliche Kältemittel ermöglichen eine deutliche Reduktion des Treibhauspotenzials in der Temperiertechnik. R-290 (Propan) bietet eine breite Einsetzbarkeit, hohe Leistungsfähigkeit und Temperaturbereiche bis -100 °C. R-744 (CO₂) ist nicht brennbar und eignet sich insbesondere für hohe Kälteleistungen, niedrige Vorlauftemperaturen und wassergekühlte Innenaufstellungen. Die geeignete Lösung hängt von Anwendung, Temperaturbereich, Leistungsbedarf, Energieeffizienz, Aufstellort und Sicherheitsanforderungen ab.
Für einen sicheren und effizienten Betrieb müssen Kältemittel, Gerätekonfiguration und Installationsbedingungen gemeinsam betrachtet werden.
Sie suchen eine leistungsstarke Temperierlösung mit natürlichen Kältemitteln? Mit LAUDA Universa bietet IGZ Instruments moderne Kältethermostate für präzise, energieeffiziente und zuverlässige Temperieraufgaben – abgestimmt auf Ihre individuellen Anforderungen in Labor, Forschung und Industrie. Melden Sie sich gerne bei uns und wir beraten Sie persönlich.