Ersatzstoffe für R404A/R507A und R410A

Nachdem die zur Verfügung stehenden HFO Moleküle R1234yf und R1234ze(E) eine wesentlich geringere volumetrische Kälteleistung aufweisen als die o.g. HFKW-Kältemittel, müssen für die jeweiligen Alternativen relativ große Anteile an HFKW mit hoher volumetrischer Kälteleistung zugemischt werden. Die potenzielle Kandidatenliste ist dabei ziemlich begrenzt, u.a. gehört dazu R32 mit dem Vorteil eines relativ geringen GWP von 675.

Negativ dabei ist jedoch dessen Brennbarkeit (A2L), wobei durch Zumischung größerer Anteile zur Steigerung der volumetrischen Kälteleistung – bei dennoch günstigem GWP – auch das Gemisch brennbar bleibt.

Andererseits muss bei einer Formulierung als nicht brennbares Gemisch ein relativ großer Anteil an Kältemitteln mit hohem Fluor-Anteil beigemischt werden (z.B. R125), mit dem dann die Brennbarkeit unterdrückt werden kann. Nachteil hierbei ist der hohe GWP dieser Stoffe. Dies führt dazu, dass nicht brennbare Alternativen für R22/R407C GWP-Werte oberhalb ca. 900 und Optionen für R404A/R507A GWP-Werte oberhalb ca. 1300 aufweisen. Gegenüber R404A/R507A bedeutet dies aber immerhin eine Reduzierung auf etwa ein Drittel.

Die künftige drastische Mengenbegrenzung ("Phase-Down") von F-Gasen, z.B. im Rahmen der EU F-Gase Verordnung, führt bereits heute zur Forderung nach R404A/R507A Substituten mit GWP-Werten deutlich unterhalb 500. Bei entsprechender Gemischzusammensetzung (hohe Anteile an HFO, R152a, ggf. auch Kohlenwasserstoffe) ist dies zwar möglich, jedoch mit dem Nachteil der Brennbarkeit (Sicherheitsgruppen A2L oder A2). Die Anwendung bedingt dann erhöhte Sicherheitsanforderungen und entsprechend angepasste Anlagentechnik.

Für R410A stehen derzeit keine nicht brennbaren Alternativen für eine breite kommerzielle Anwendungen zur Verfügung. Hierfür können entweder R32 (R32 als Ersatzstoff für R22) als Reinstoff oder Gemische von R32 und HFO eingesetzt werden. Wegen der hohen volumetrischen Kälteleistung wird jedoch ein sehr hoher R32-Anteil erforderlich, weshalb nur GWP-Werte im Bereich von ca. 400 bis 500 erreicht werden können. Bei höherem HFO-Anteil kann der GWP noch weiter reduziert werden, allerdings mit dem Nachteil einer deutlich reduzierten Kälteleistung.

Alle zuvor beschriebenen Gemisch-Optionen mit R1234yf und R1234ze(E) weisen auf Grund der Siedepunktunterschiede der einzelnen Komponenten einen mehr oder weniger ausgeprägten Temperaturgleit auf. Hier gelten dann ebenfalls die im Zusammenhang mit R407C beschriebenen Kriterien.

Darüber hinaus liegt die Druckgastemperatur bei den meisten R404A/R507A-Alternativen deutlich höher als bei diesen beiden HFKW-Gemischen.

Dies kann bei einstufigen Tiefkühlsystemen zu Einschränkungen im Anwendungsbereich der Verdichter führen oder besondere Maßnahmen zur Zusatzkühlung erfordern. Bei Fahrzeugkühlung oder auch bei Tiefkühlsystemen mit kleineren Verflüssigungssätzen, können die dabei eingesetzten Verdichter die geforderten Einsatzbereiche auf Grund der hohen Druckgastemperaturen oftmals nicht abdecken. Deshalb wurden ebenfalls Kältemittelgemische auf Basis von R32 und HFO, mit einem entsprechend hohen Anteil an R125, entwickelt. Der GWP liegt dabei etwas oberhalb von 2000, jedoch unterhalb des in der EU F-Gase Verordnung ab 2020 gesetzten Limits von 2500. Der wesentliche Vorteil solcher Gemische liegt in der moderaten Druckgastemperatur, die den Betrieb in den typischen Anwendungsgrenzen von R404A ermöglicht.

Die folgende Tabelle (Potenzielle Gemischkomponenten) zeigt eine Übersicht der potenziellen Gemischkomponenten für die zuvor beschriebenen Alternativen. Teilweise sind die Komponenten für R22/R407C und R404A/R507A Substitute identisch, unterscheiden sich dann jedoch in der prozentualen Verteilung.

Unterdessen werden in erster Linie von Chemours, Honeywell, Arkema, Mexichem und Daikin Chemical entsprechende Gemischvarianten für Labor- und Feldtests, teilweise auch bereits für die kommerzielle Verwendung angeboten. Eine Reihe von Kältemitteln sind als Entwicklungsprodukte deklariert und werden nur im Rahmen besonderer Vereinbarungen für Testzwecke zur Verfügung gestellt. Bisher werden noch häufig Handelsnamen verwendet, eine größere Anzahl von HFO/HFKW-Gemischen sind jedoch bereits in der ASHRAE Nomenklatur geführt.

In der folgenden Tabelle („Low GWP‟ Alternativen) sind eine Anzahl derzeit lieferbarer bzw. als Entwicklungsprodukte deklarierte Kältemittel gelistet. Wegen der großen Variantenvielfalt und potenziellen Änderungen bei Entwicklungsprodukten sind in den Tabellen (Kältemitteldaten) nur Daten von Alternativen für R134a, R404A/R507A und R410A aufgeführt, die bereits kommerziell angeboten werden.

Zur Erprobung von „Low GWP‟ Kältemitteln wurde von AHRI (USA) ein Testprogramm unter dem Titel „Alternative Refrigerants Evaluation Program (AREP)‟ initiiert. Hierbei wurden ebenfalls eine Reihe der unten aufgeführten Produkte („Low GWP‟ Alternativen) sowie halogenfreie Kältemittel untersucht und bewertet.