Alternativen für R13 und R503

Bei diesen Stoffen ist die Situation aus rein technischer Sicht noch relativ günstig, sie können durch R23 und R508A/R508B ersetzt werden. Ebenso eignet sich R170 (Ethan), falls die Sicherheitsvorschriften eine brennbare Substanz (Sicherheitsgruppe A3) erlauben.

Wegen des teilweise steileren Druckverlaufs der Alternativ-Kältemittel und einer höheren Druckgastemperatur von R23 gegenüber R13 sind Leistungsunterschiede und Einschränkungen im Anwendungsbereich der Verdichter zu berücksichtigen. Zudem wird eine individuelle Anpassung der Wärmeübertrager und Regelkomponenten erforderlich.

Als Schmierstoffe für R23 und R508A/B eignen sich Polyol-Ester, die jedoch auf die besonderen Anforderungen im Tieftemperaturbereich abgestimmt sein müssen.

R170 hat auch mit konventionellen Schmierstoffen eine gute Löslichkeit. Allerdings sind auch hier entsprechende Anpassungen an die Temperaturbedingungen nötig.

Anwendungen mit diesen Kältemitteln dienen ausschließlich zur Kühlung von Produkten unter -50°C. Insofern gilt die im vorherigen Kapitel bereits beschriebene Ausnahmeregelung in der EU F-Gase Verordnung im Besonderen.

Bei R23 und R508A/B sind die Auswirkungen des „Phase-Down“ jedoch besonders gravierend. Die GWP Werte liegen im Bereich von 13200 bis 14800 (AR4). Auch relativ geringe Mengen gehen deshalb äußerst stark zu Lasten der verfügbaren Quoten.

Abgesehen von R170 (Ethan) mit den für A3 Kältemittel erforderlichen besonderen Sicherheitsvorkehrungen, gibt es für R23 und R508A/B keine direkt vergleichbaren Alternativen aus der Gruppe der HFOs oder HFO/HFKW-Gemische (Sicherheitsgruppen A1 oder A2L). Vielfach ist aber in den betreffenden Sonderanwendungen der Einsatz von A3 Kältemitteln nicht möglich oder wäre mit einem nicht zu vertretenden Aufwand und hohen Kosten verbunden.

Unter diesen Herausforderungen hat die Firma Weiss Technik in Kooperation mit der TU Dresden ein nicht brennbares (A1) Kältemittelgemisch aus R32, R125 und CO₂ entwickelt, das sich z.B. bei Einsatz in sog. Klimaprüfschränken als gut geeignete Alternative zu R23 bestätigt hat. Es wird unter dem Handelsnamen WT69 geführt und von TEGA Technische Gase vertrieben. Das Kältemittel ist inzwischen auch in der ASHRAE-Nomenklatur unter R469A geführt.

Wesentlicher Vorteil gegenüber R23 ist der um mehr als 90% reduzierte GWP (1398). Damit ist zumindest eine mittel- bis längerfristige Verfügbarkeit gesichert.

Aus thermodynamischer Sicht gibt es größere Unterschiede zu R23, daher muss die Eignung in der jeweiligen Anwendung individuell geprüft werden. Die Unterschiede im Siedepunkt sind mit -78,5 °C zu -82 °C (R23) zwar nicht gravierend, das Gemisch hat jedoch einen deutlich ausgeprägten Temperaturgleit. Abgesehen von der erforderlichen spezifischen Auslegung der Wärmeübertrager können sich Auswirkungen auf den Betriebsprozess und die Leistungsgröße des Verdichters ergeben.

Darüber hinaus wurden Forschungsprojekte initiiert, bei denen die Anwendung von N₂O (Lachgas) bzw. Gemische aus N₂O und CO₂ näher untersucht werden. Umfassende Untersuchungen und Tests an der Hochschule Karlsruhe und am Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) in Dresden zeigen aufschlussreiche Ergebnisse.

N₂O (R744A) hat ähnliche thermodynamische Eigenschaften und Drucklagen wie CO₂, identisches Molekulargewicht, einen sehr niedrigeren Tripelpunkt (-90,8°C) und eine kritische Temperatur von 36,4°C. Der GWP liegt bei 298, also einem Bruchteil der Werte von R23 und R508A/B. Zusammengefasst also eine ideale Alternative für Sonderanwendungen bis zu etwa -80°C Verdampfungstemperatur?

Auf den ersten Blick sind dies sehr positive Eigenschaften. Leider gibt es aber auch negative Aspekte, die den Einsatz von N₂O als Reinstoff quasi ausschließen. Reines N₂O als Kältemittel stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Es wirkt narkotisierend und brandfördernd. N₂O kann andere Stoffe oxidieren. Außerdem kann es bei den passenden Bedingungen (Druck, Temperatur bzw. Zündquelle) zu exothermen Zersetzungsreaktionen kommen, die den dauerhaft sicheren Betrieb von Kälteanlagen mit reinem N₂O grundsätzlich in Frage stellen.

Durch Zumischung von CO₂ in höheren Prozentsätzen (über ca. 15%) wird zwar der Tripelpunkt etwas zu höheren Temperaturen hin verschoben, gleichzeitig jedoch ein positiver Einfluss („Phlegmatisierung“) auf Oxidation und chemische Zersetzung erreicht. Das Sicherheitsrisiko wird dadurch wesentlich reduziert und die Voraussetzungen für die Materialverträglichkeit deutlich verbessert. Dennoch gibt es besondere Herausforderungen u.a. bei Schmierstoffen, die eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweisen und außerdem für die besonderen Anforderungen bei Tieftemperaturbedingungen geeignet sein müssen.

Die Untersuchungen werden weitergeführt. Eine abschließende Bewertung ist noch nicht möglich, weshalb derzeit auch keine Leitlinien für die Auslegung und Ausführung solcher Systeme erstellt werden können.