Kältemittel für Klimaanlagen und Wärmepumpen

  • von Alexander Rosenkranz
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Kältemittel sind chemische Substanzen mit speziellen Eigenschaften. Sie sind Voraussetzung für die Funktion von kältetechnischen Anlagen sowie Wärmepumpen und in verschiedenen Arten am Markt erhältlich. Welche das sind, wie man sie erkennt und wie sie sich auf die Umwelt auswirken, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

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Kältemittel: Fluide mit besonderen Eigenschaften

Als Kältemittel bezeichnet man strömende Medien (Fluide), die für den Energietransport in Wärmepumpen und Kälteanlagen verantwortlich sind. Sie ermöglichen es, Wärme von einem niederen zu einem höheren Temperaturniveau zu übertragen und haben spezielle chemische Eigenschaften. Besonders wichtig sind dabei zum Beispiel niedrige Siedetemperaturen, geringe Dampfvolumen, tief liegende Verflüssigungsdrücke und eine hohe chemische Stabilität. Darüber hinaus dürfen Kältemittel weder giftig noch  brennbar sein.

© CrazyCloud / Fotolia

Definition und praktisches Beispiel

Die DIN EN 378-1 beschreibt ein Kältemittel als "Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen".

Was sich erst einmal kompliziert anhört, ist am praktischen Beispiel einfach erklärt. So nimmt das Kältemittel einer Erdwärmepumpe Umweltwärme aus dem Erdreich auf und verdampft dabei bereits bei sehr niedrigen Temperaturen. Anschließend erhöht ein Verdichter den Druck, wobei auch die Temperatur steigt. Die aufgenommene Wärme gibt das Medium dann über einen Wärmeübertrager an das Heizsystem ab, woraufhin es selbst wieder abkühlt. Gleichzeitig sinkt auch der Druck und das Kältemittel verflüssigt sich allmählich. Hat es seinen Ausgangszustand erreicht, kann der Kreislauf erneut beginnen.

Einsatzgebiete von Kältemitteln

Die besonderen Stoffe kommen heute überall da zum Einsatz, wo Wärme von einem niederen zu einem höheren Temperaturniveau transportiert werden soll. Das sind zum Beispiel Kühlanwendungen wie Kühlschränke und Klimageräte oder innovative Heizungsanlagen wie die Wärmepumpe.

Kältemittelarten im Vergleich

Kältemittel sind chemische Verbindungen, die sich nach ihrer Zusammensetzung in zwei Gruppen unterscheiden lassen. Diese sind:

  • natürliche Verbindungen
  • synthetische Verbindungen

Natürliche Verbindungen

Natürliche Kältemittel bestehen aus natürlich vorkommenden Stoffen. Das sind zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffdioxid (zum Beispiel für  CO2-Wärmepumpen), Ammoniak, Wasser oder Luft. Sie haben in der Regel eine geringe Auswirkung auf Umwelt und Klima, können aber spezielle Sicherheitsvorkehrungen erfordern. Nötig ist das zum Beispiel, da einige Stoffe brennbar sind, wenn sie aus der Anlage austreten.

Synthetische Verbindungen

Sprechen Experten von synthetischen Kältemitteln, geht es dabei um künstlich hergestellte Substanzen. Darunter fallen  zum Beispiel Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) und nicht bzw. teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (FKW oder H-FKW). Die Kältemittel haben oft ein hohes Ozonzerstörungspotenzial und fördern den Treibhauseffekt. Dadurch und durch PFAS im Kältemittel können Wärmepumpen umweltschädlich wirken, wenn das Mittel unkontrolliert austritt. Ein Grund, aus dem die Verwendung weltweit reduziert werden soll.

Bezeichnung der Kältemittel

Aus welchen Bestandteilen die Substanzen bestehen, erkennt man an ihrer Nomenklatur. Denn diese besteht neben dem Buchstaben „R“ für refrigerant (englisch für Kältemittel) aus einer Zahlenkombination sowie unter Umständen einem angehängten Buchstaben. Die Zahlen stehen dabei für die Anzahl der Kohlenstoffatome, die Anzahl der Wasserstoffatome und die Anzahl der Fluoratome.

Eine Ausnahme bilden sogenannte Kältemittelgemische sowie anorganische Kältemittel. Während man Gemische an der Zahl 4 oder 5 nach dem Buchstaben „R“ erkennt, kennzeichnet die Zahl 7 sogenannte anorganische Kältemittel wie Ammoniak.

Umweltwirkung verschiedener Kältemittel

Geht es um die Auswirkungen der Fluide auf die Umwelt, unterscheidet man den ODP- und den GWP-Wert. Darüber hinaus haben auch die Inhaltsstoffe der Medien einen Einfluss darauf, ob eine Wärmepumpe klimaschädlich oder ein Kältemittel giftig ist.  

ODP: Das Ozonabbaupotenzial

Der ODP-Wert steht für das ozone depletion potential (deutsch: Ozonabbaupotenzial) und beschreibt die Wirkung einer chemischen Verbindung auf die Ozonschicht. Er wird als dimensionslose Kennzahl angegeben und steht im Verhältnis zu Trichlorfluormethan (R11). Eine Substanz baut dabei weniger Ozon ab, wenn der ODP-Wert klein ist. Viele natürliche Kältemittel haben zum Beispiel keine Auswirkung auf das Ozonloch.

GWP: Treibhausgaspotenzial

Der GWP-Wert steht für das global warming potential (deutsch: Treibhausgaspotenzial) und beschreibt den Effekt einer chemischen Verbindung auf die globale Erwärmung. Er wird im Verhältnis zu CO2 angegeben, wobei sich ein Kilogramm eines Stoffes mit einem GWP-Wert von „1“ genauso stark auf den Treibhauseffekt auswirkt, wie ein Kilogramm CO2, das zum Beispiel über den Schornstein der Heizung in die Umwelt gelangt. Da vor allem synthetische  Substanzen oft einen GWP von über 1.000 haben (1 kg wirkt dabei wie 1.000 kg CO2), unterliegt ihre Verwendung heute gesetzlichen Grenzen. Mit deutlich niedrigeren GWP-Werten belasten natürliche Kältemittel das Klima in der Regel weniger.

Kältemittel mit PFAS in der Wärmepumpe giftig

Die Abkürzung PFAS steht für per- und polyfluorierte Chemikalien. Dabei handelt es sich um Mittel mit besonders günstigen Eigenschaften, die in vielen technischen Stoffen enthalten sind. Ein Beispiel dafür sind Kältemittel für Wärmepumpen. Das Problem: Die sogenannten  Ewigkeitschemikalien bauen sich kaum ab und können in der Umwelt sowie im menschlichen Körper für allerhand Schaden sorgen. Die PFAS sorgen dafür, dass die Wärmepumpe klimaschädlich wirken kann und sollen daher verboten werden.

Ist die Wärmepumpe klimaschädlich?  Durch die PFAS ist eine Wärmepumpe nicht klimaschädlich. Das Unfallpotenzial steift allerdings, wodurch Richtlinien die Verfügbarkeit der Stoffe einschränken sollen. Auch die Frage, ob eine Wärmepumpe giftig ist, lässt sich analog beantworten. Setzen Sie auf natürliche Kältemittel ohne F-Gase oder PFAS für Ihre Wärmepumpe, gehen Sie den genannten Risiken aus dem Weg.  

REACH- und F-Gase-Verordnung schützen das Klima

In der Vergangenheit kamen häufig synthetische Kältemittel zum Einsatz. Diese haben oft gute chemische Eigenschaften, wirken sich aber negativ auf das Klima aus. Mit der sogenannten F-Gase-Verordnung (Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase) und der geplanten REACH-Verordnung soll sich das in Zukunft ändern. Denn beide sehen eine schrittweise Beschränkung der am Markt verfügbaren  Mittel vor. Dabei sollen Verbote und höhere Anforderungen an die Wartung und Überprüfung von Kälteanlagen Anreize zur Verwendung von Alternativen schaffen. Dazu gehört das  natürliche Kältemittel Kohlenstoffdioxid, welches in einer  CO2-Wärmepumpe  zum Einsatz kommt. Aber auch R290 findet zunehmend Verwendung, zum Beispiel in  Propan-Wärmepumpen.

Diese Kältemittel mit PFAS für Wärmepumpen wären von einem Verbot betroffen

Geht es um ein Verbot von Kältemitteln, meinen Experten meist jene mit PFAS, die häufig in Wärmepumpen zum Einsatz kommen. Dazu gehören Mittel wie  R1234yf, R454C, R134a und R410A.  

Wichtig zu wissen ist, dass natürliche Kältemittel keine PFAS enthalten und daher weder von einem drohenden Verbot durch die REACH-Verordnung, noch vom Phase-Down-Szenario der F-Gase-Verordnung betroffen sind.  

FAQ

Was ist der GWP-Wert und warum ist er wichtig bei der Auswahl von Kältemitteln?

Der GWP-Wert (Global Warming Potential) ist ein Maß für das Treibhauspotenzial eines Kältemittels im Vergleich zu Kohlendioxid (CO₂), das einen GWP-Wert von 1 besitzt. Ein niedriger GWP-Wert bedeutet, dass das Kältemittel weniger zur globalen Erwärmung beiträgt. Das ist besonders wichtig bei der Auswahl von Kältemitteln für Wärmepumpen und Klimaanlagen, um die Umweltbelastung zu minimieren und gesetzliche Vorgaben zu erfüllen. Beispielsweise hat R410A einen hohen GWP-Wert von 2088, während natürliche Kältemittel wie Propan (R290) einen GWP-Wert von lediglich 3 haben.

Welche Vorteile bietet Ammoniak (R717) als Kältemittel für Wärmepumpen und Klimaanlagen?

Ammoniak (R717) ist ein natürliches Kältemittel mit einem GWP-Wert von 0 und gilt somit als äußerst umweltschonend. Es bietet eine hohe thermodynamische Effizienz, wodurch bessere Leistungskoeffizienten (COP) und geringere Betriebskosten erreicht werden. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, dass Ammoniak besonders kostengünstig und weit verbreitet ist. Allerdings ist Ammoniak toxisch und erfordert spezielle Sicherheitsvorkehrungen bei der Handhabung und Installation. Trotz dieser Herausforderungen wird Ammoniak häufig in industriellen Anwendungen genutzt, wo seine Effizienzvorteile besonders zum Tragen kommen.

Wie wirken sich die Witterungsverhältnisse auf die Effizienz von Kältemitteln in Wärmepumpen aus?

Die Effektivität von Kältemitteln kann stark von Witterungsverhältnissen abhängen. Bei niedrigen Außentemperaturen sinkt die Leistungsfähigkeit von Wärmepumpen, da das Kältemittel weniger Wärme aus der Umgebungsluft extrahieren kann. Kältemittel mit einem niedrigen Siedepunkt, wie R32 oder R410A, arbeiten jedoch bei niedrigen Temperaturen effizienter. Darüber hinaus können moderne Wärmepumpen mit variablen Kompressoren ausgestattet werden, die sich an unterschiedliche Witterungsbedingungen anpassen und somit die Energieeffizienz maximieren.

Welche Fördermöglichkeiten gibt es für den Einsatz umweltfreundlicher Kältemittel in Wärmepumpen?

Verschiedene staatliche Fördermöglichkeiten bieten finanzielle Unterstützung für den Einsatz umweltschonender Kältemittel in Wärmepumpen. In Deutschland fördert das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) den Einbau von Wärmepumpen, die natürliche Kältemittel wie Propan (R290) oder CO₂ (R744) verwenden. Diese Förderungen können die Anschaffungskosten erheblich senken und Anreize für den Umstieg auf umweltschonende Technologien schaffen.

Fazit von Alexander Rosenkranz

Kältemittel sind chemische Verbindungen, die zum Beispiel in Kälteanlagen und Wärmepumpen zum Einsatz kommen. Sie haben spezielle physikalische Eigenschaften und ermöglichen den Wärmetransport von einem niederen zum höheren Temperaturniveau. Während man natürliche und synthetische Substanzen unterscheidet, wirken sich vor allem künstlich hergestellte Kältemittel stark auf die Umwelt aus. Durch die sogenannte F-Gase-Verordnung soll sich das in Zukunft ändern.

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