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Kältemittel

In einer Kältemaschine (z. B. als Teil einer Klimaanlage) oder einer Wärmepumpe spielt ein Kältemittel (oder Arbeitsgas) eine essenzielle Rolle. Es gelangt in flüssiger Form in einen Verdampfer, wo es bei niedrigem Druck (meist durch Abpumpen mit einem Kompressor) verdampft und hierbei latente Wärme aufnimmt. Der Verdampfer ist als Wärmeübertrager ausgeführt, so dass Wärme aus der Umgebung (z. B. einer Flüssigkeit oder Luft) aufgenommen werden kann. Danach wird das nun gasförmige Kältemittel komprimiert, wird dadurch flüssig und gibt wieder Wärme ab. Etwas anders ist es in einer Absorptionskältemaschine bzw. Absorptionswärmepumpe: Hier wird das Kältemittel bei mäßigem Druck von einem Lösungsmittel aufgenommen und wird somit Teil dieser Flüssigkeit.

Gelegentlich werden Kältemittel fälschlich als Kühlmittel bezeichnet. Dies ist nicht dasselbe: Ein Kühlmittel kann Kälte lediglich transportieren (bzw. Wärme abführen), während ein Kältemittel der Erzeugung von Kälte dient. Häufig benötigt eine Anlage sowohl ein Kältemittel als auch ein Kühlmittel. Beispielsweise dient in einem Split-Klimagerät ein Kältemittel wie R-410A als Kältemittel, während das Gerät Luft als Kühlmittel für den Kondensator verwendet.

Wichtige Eigenschaften von Kältemitteln

Kältemittel müssen eine Reihe von Eigenschaften aufweisen. Direkt auf ihre Funktion bezogen sind ihre thermodynamischen Eigenschaften wichtig:

• Bei allen im Betrieb vorkommenden Temperaturen im Verdampfer soll das Kältemittel ausreichend stark verdampfen können, möglichst ohne dass der Druck allzu stark abgesenkt werden muss. Gleichzeitig soll die Kondensation im Kondensator (Verflüssiger) bei den vorgesehenen Temperaturen mit nicht allzu hohem Druck möglich sein, um den technischen Aufwand zu begrenzen.
• Günstig ist eine hohe volumetrische Heizleistung, so dass der nötige Volumenstrom gering ist und das Gerät oft auch kompakter gebaut werden kann.
• Unter keinen Umständen soll das Kältemittel einfrieren können.
• Die Verdampfungsenthalpie (Verdampfungswärme) soll möglichst hoch liegen, sodass eine gegebene Kälteleistung mit einem möglichst kleinen Volumenstrom des Kältemittels erreicht werden kann.
• Die kritische Temperatur muss hoch genug liegen, weil darüber der gewünschte Phasenübergang nicht mehr auftritt.
• Der Temperaturglide (Temperaturgleit) sollte abwesend oder gering sein, d. h. die Temperatur bleibt bei der Verdampfung annähernd konstant. Dies ist bei Stoffgemischen von Substanzen mit unterschiedlichen Siedepunkten oft nicht der Fall; es gibt aber auch "azeotrope" Gemische, die auch ein Entmischen beim Sieden vermeiden und sich somit ähnlich wie Einstoffkältemittel verhalten.

Hinzu kommen etliche andere Eigenschaften, die für die praktische Anwendung wichtig sein können:

• Die Viskosität (Zähigkeit) der Flüssigkeit soll möglichst niedrig sein, damit die Flüssigkeit gut durch Kältemittelleitungen fließen kann.
• Wünschbar ist auch die gute Verträglichkeit mit typischerweise verwendeten Materialien für Leitungen, Verdichter, Schmierölen etc. Beispielsweise ist es ungünstig, wenn ein Kältemittel Korrosion bei Metallen auslöst.
• Idealerweise sind Kältemittel nicht brennbar oder gar explosiv, damit entsprechende Unfälle vermieden werden können.
• Kältemittel sind idealerweise nicht gesundheitsschädlich (etwa giftig oder ätzend) und ökologisch unbedenklich. Sie haben also keine oder eine nur niedrige Treibhauswirkung und kein Ozonabbaupotential.
• Wenn ein Mittel wenigstens gut durch seinen Geruch wahrnehmbar ist, bevor gefährlich hohe Konzentrationen in der Atemluft entstehen, sind Gefahren durch Explosion oder Vergiftungen zumindest deutlich vermindert.

Leider ist es schwierig, all diese Eigenschaften gleichzeitig zu erzielen. Deswegen sind in der Praxis oft Kompromisse notwendig. Beispielsweise akzeptiert man bei manchen Anwendungen, dass ein Kältemittel wie R-717 = Ammoniak giftig und stark ätzend ist, wenn die dadurch notwendigen Sicherheitsvorkehrungen machbar sind und wesentliche Vorteile durch gute Eigenschaften anderer Art (etwa eine hohe Verdampfungswärme) erzielt werden. In anderen Fällen akzeptiert man die Brennbarkeit eines Stoffs (z. B. R-290 = Propan), wenn dadurch die Klimaschädlichkeit entfällt, die andere Mittel (etwa Fluorkohlenwasserstoffe) hätten; jedoch muss eine Explosionsgefahr beispielsweise für Kompakt-Raumklimageräte vermieden werden, sodass Propan hier nicht einsetzbar ist.

Wegen solcher Probleme ist auch der Ersatz klimaschädliche Kältemittel nicht immer einfach zu bewerkstelligen. Teils scheitert er vorerst auch daran, dass größere Anpassungen an den Geräten (z. B. betreffend den vom Kompressor erzeugten Druck) nötig wären; man müsste also speziell für umweltfreundliche Kältemittel (z. B. CO₂) konstruierte Geräte einsetzen.

Es kann stark von der jeweiligen Anwendung abhängen, wie schwerwiegend gewisse Nachteile oder wie wichtig gewisse Vorteile eines Kältemittels sind; auch deswegen ist eine breite Spanne sehr unterschiedlicher Kältemittel (siehe den nächsten Abschnitt) im Einsatz.

Wichtige Kältemittel

Sehr unterschiedliche natürliche und synthetische, organische und anorganische Substanzen werden als Kältemittel verwendet:

• Früher wurden für Kühlaggregate und Wärmepumpen vor allem Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verwendet. Diese wurden später wegen ihrer ozonschädigenden Eigenschaften jedoch verboten. Zunächst betraf dies nach dem Montreal-Protokolls von 1987 nur vollhalogenierte FCKW wie R-12 und R-114; ab 1994 wurden auch teilhalogenierte H-FCKW wie R-22 und Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, z. B. R-134a = Tetrafluorethan), die ein wesentlich geringeres Ozonzerstörungspotenzial haben, in der Verwendung eingeschränkt. Heute sind in Deutschland für Neuanlagen nur noch Kältemittel ohne Ozonzerstörungspotenzial erlaubt. Leider sind einige davon (v. a. fluorierte Kohlenwasserstoffe = FKW) wegen ihrer im Vergleich zu CO₂ weitaus größeren Treibhauswirkung erheblich klimaschädigend. Beispielsweise ist das heute in stationären Klimaanlagen gebräuchliche R-410A nicht ozonschädlich, aber sehr klimaschädlich mit einem GWP-Wert von 1725; es sollte also sehr darauf geachtet werden, dass dieses Gas nie in die Umwelt entweicht. (Noch wesentlich schlimmer sind R-12 und R-23 mit GWP-Werten oberhalb von 10 000.) Das ebenfalls klimaschädliche R-134a (mit GWP = 1430) wurde für Autoklimaanlagen ab 2017 verboten, weil dort ein Austritt wahrscheinlicher ist als bei stationären Anlagen. Als Ersatzstoff wurde zunächst R-1234yf (Tetrafluorpropen, GWP nur ca. 4) favorisiert. Dieser Stoff kam jedoch in die Kritik, da er brennbar ist, sich an heißen Teilen im Motorraum auch selbst entzünden kann und bei der Verbrennung sehr giftige und ätzende Stoffe freisetzt, insbesondere Fluorwasserstoff (HF) und das ebenfalls sehr giftige Gas Carbonylfluorid. Bei einem Unfall werden die Fahrzeuginsassen also erheblich gefährdet. Zudem hat die schweizerische Empa gefunden, dass R-1234yf in der Atmosphäre zu Trifluoressigsäure zerfällt, welche ein Pflanzengift ist und nur sehr langsam abgebaut wird.
• Nicht halogenierte (chlorierte oder fluorierte) Kohlenwasserstoffe wie Propan, Propen und Butan (→ Flüssiggas) vermeiden die genannten Probleme: Sie sind nicht ozonschädigend, kaum klimaschädlich und ebenfalls ungiftig. Dafür sind sie jedoch brennbar, und wenn sie in nennenswerten Konzentrationen in die Luft gelangen, besteht eine Explosionsgefahr. Entsprechend sind mehr oder weniger aufwendige technische Maßnahmen erforderlich, um solche Stoffe sicher anzuwenden. So lässt sich teils aber beispielsweise Isobutan (R-600a) als klimafreundliche Alternative z. B. zu R-134a anwenden.
• Kohlendioxid (CO₂, R-744) ist zwar im Prinzip klimaschädlich, jedoch weitaus weniger als die oben genannten FCKW und FKW, und die in Kälteaggregaten und Wärmepumpen benötigten Mengen sind relativ gering. (Problematischer sind die CO₂-Emissionen der Stromerzeugung für den Betrieb.) Zudem wird solches CO₂ verwendet, welches sonst ohnehin in die Atmosphäre gelangen würde. CO₂ ist auch sicherheitstechnisch relativ unbedenklich, da es nicht brennbar ist, sowie sehr kostengünstig erhältlich. Ein Nachteil ist jedoch, dass es nur bei einem recht hohen Druck verflüssigt werden kann, so dass CO₂-basierte Aggregate entsprechend aufwendiger sind. Ansonsten sind die kältetechnischen Eigenschaften durchaus günstig; insbesondere benötigt man nur die Umwälzung relativ geringer Mengen dieses Kältemittels, da seine volumetrische Kälteleistung sehr hoch ist, und die Geräte können sehr kompakt gebaut werden.
• Ammoniak (R-717) wird schon sehr lange als Kältemittel sowohl in industriellen Anlagen also auch in Kleinanlagen (auch Absorptionswärmepumpen) verwendet. Es ist nicht klimaschädlich, allerdings ziemlich giftig, also problematisch z. B. bei Leckagen. Außerdem greift es in Verbindung mit Wasser diverse Metalle wie z. B. Kupfer an. Aus solchen Gründen wurde Ammoniak vor allem bei kleinen Anlagen weitgehend durch halogenierte Kohlenwasserstoffe ersetzt, trotz deren Klimaschädlichkeit.
• Auch Wasser (R-718) ist als Kältemittel einsetzbar, jedoch nur für Temperaturen über 0 °C (auch im Verdampfer). Da es gasförmig einen sehr niedrigen Druck hat, müssen entsprechend große Volumina gefördert werden. Aus diesen Gründen kommt Wasser als Kältemittel nur selten zum Einsatz.

Häufig werden statt Einstoff-Kältemitteln auch Gemische von Kältemitteln eingesetzt. Beispielsweise ist das in Klimaanlagen heute häufig verwendete R-410A ein Gemisch von CH₂F₂ und CHF₂CF₃.

Angestrebtes Verbot von Fluorkohlenwasserstoffen

Es gibt Bemühungen, den Einsatz der klimaschädlichen Fluorkohlenwasserstoffe (HFC) z. B. in Klimaanlagen und Kühlschränken baldmöglichst zu verbieten. Zwar könnten diese Kältemittel theoretisch daran gehindert werden, in die Atmosphäre zu gelangen, jedoch gelingt dies leider häufig nicht (z. B. durch unsachgemäße Entsorgung oder durch ungewollte Kältemittel-Lecks) – insbesondere in Entwicklungsländern.

Aus diesen Gründen wurde in 2016 eine Erweiterung des Montreal-Protokolls beschlossen, welches zunächst nur Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) betraf, nun aber auch Fluorkohlenwasserstoffen (FKW). Dieser Fortschritt sollte bewirken, dass die in den kommenden Jahrzehnten auftretende globale Erwärmung nicht um grob geschätzt um ein halbes Grad zusätzlich verstärkt wird.

Grundsätzlich dürfen Kältemittel nur von fachlich entsprechend ausgebildeten Personen (mit einem detaillierten Wissen über Umgangsvorschriften, Arbeitssicherheit etc.) gehandhabt werden, und sie dürfen niemals ohne Not in die Umwelt abgelassen werden. Früher geschah es relativ häufig, dass bei der Reparatur einer Kältemaschine das Kältemittel einfach in die Luft abgelassen wurde und danach wieder neues Kältemittel eingefüllt wurde. Heute müssen Kältemittel unbedingt so weit wie möglich mit geeigneten Geräten abgesaugt und ggf. sicher entsorgt werden; sonst drohen hohe Geldstrafen oder sogar Freiheitsstrafen. Entsprechende Maßnahmen sind genau zu dokumentieren. Trotzdem gelangen in Deutschland allein durch die Verwendung stationärer Klimaanlagen nach Aussagen des Umweltbundesamtes jährlich einige hundert Tonnen klimaschädlicher Kältemittel in die Atmosphäre, was CO₂-Äquivalenten von mehreren hunderttausend Tonnen pro Jahr entspricht. Dies entspricht größenordnungsmäßig allerdings nur einem Promille der gesamten CO₂-Emissionen. Ohne die scharfen gesetzlichen Vorschriften (mit schwerwiegenden Strafandrohungen) wäre dies vermutlich deutlich anders.

Die EU-Ecodesign-Richtlinie definiert u. a. Mindestanforderungen an das Energy Efficiency Ratio (EER) von Klimageräten. Hierbei gelten teils etwas weniger strenge Grenzwerte für Geräte mit Kältemitteln, deren Klimaschädlichkeit relativ gering ist (GWP unterhalb von 150).

Siehe auch: Kältemaschine, Wärmepumpe, Kompressionswärmepumpe, Absorptionswärmepumpe, Fluorkohlenwasserstoffe, Ammoniak, Kälte, latente Wärme