Kältemittel für Klimaanlagen und Wärmepumpen

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 brennbar noch giftig sein.

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. Sie sind damit schädlich für die Umwelt, weshalb ihre 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.

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.

F-Gase-Verordnung schützt 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) soll sich das in Zukunft ändern. Denn diese sieht bis zum Jahr 2030 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.