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Fluorkohlenwasserstoffe

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Akronym: FKW, HFKW

Definition: Substanzen, die durch teilweise oder vollständige Fluorierung aus Kohlenwasserstoffen entstehen

Englisch: fluorocarbons, fluorinated hydrocarbons

Kategorien: Grundbegriffe, Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 21.10.2016; letzte Änderung: 21.02.2017

Fluorkohlenwasserstoffe sind keine Kohlenwasserstoffe, sondern chemische Substanzen, die aus solchen durch eine teilweise oder vollständige Fluorierung (Ersatz von Wasserstoff durch Fluor) entstehen. Bei vollständiger Fluorierung spricht man auch von perfluorierten Fluorkohlenwasserstoffen (FKW), sonst von teilfluorierten Substanzen (HFKW). Oft spricht man aber auch von FKW als Oberbegriff für teilweise oder ganz fluorierte Kohlenwasserstoffe.

Verglichen mit den ursprünglich eingesetzten Kohlenwasserstoffen sind die Fluorkohlenwasserstoffe chemisch träger, also weniger reaktionsfreudig, was für diverse Anwendungen ein wichtiger Vorteil ist – etwa wenn Brennbarkeit oder die Förderung von Korrosion nachteilig wären.

Zu unterscheiden sind Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, HFKW) von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW und HFCKW), die zusätzlich noch Chlor enthalten. Häufig werden FKW und HFKW als Ersatzstoffe für FCKW und HFCKW verwendet, die im Montreal-Protokoll von 1989 verboten wurden, weil sie die Ozonschicht der Atmosphäre stark angreifen.

Es gibt vor allem im Zusammenhang mit staatlichen Verordnungen auch die Bezeichnung F-Gase für Gase fluorierter Substanzen; hiermit sind in der Regel Fluorkohlenwasserstoffe gemeint, obwohl auch beispielsweise Stickstofftrifluorid (NF3) und Schwefelhexafluorid (SF6) zu dieser Stoffklasse gehören.

Viele dieser Substanzen werden als Kältemittel eingesetzt (siehe unten), aber es gibt auch etliche andere Anwendungen, beispielsweise die folgenden:

Bei manchen Anwendungen (z. B. als Feuerlöschmitteln) gelangen entsprechende Gase zwangsläufig in die Umwelt, während Kältemittel im Prinzip daran gehindert werden können.

Fluorkohlenwasserstoffe als Kältemittel

Eine ganze Reihe von Fluorkohlenwasserstoffen wird in großen Mengen als Kältemittel in Kompressionskältemaschinen und Kompressionswärmepumpen verwendet – teils als reine Substanzen, teils auch als Gemische. Für diese Verwendungen werden meist die sogenannten ASHRAE-Kennungen (“R-Namen”) verwendet; beispielsweise ist R-134a chemisch bezeichnet 1,1,1,2-Tetrafluorethan, und R-410A ist ein Gemisch von CH2F2 und CHF2CF3. Längst nicht all diese R-Stoffe sind jedoch Fluorkohlenwasserstoffe.

Fluorkohlenwasserstoffe haben eine Menge vorteilhafte Eigenschaften für den Einsatz als Kältemittel:

Ein großer Nachteil der Fluorkohlenwasserstoffe (und übrigens auch der Fluorchlorkohlenwasserstoffe) ist aber, dass die meisten davon extrem klimaschädlich sind – siehe hierzu den folgenden Abschnitt.

Leider ist der Ersatz von Fluorkohlenwasserstoffen als Kältemittel durch nicht oder deutlich weniger klimaschädliche Mittel häufig nicht einfach. Dies liegt vor allem daran, dass andere Mittel häufig schwere Nachteile in anderen Gebieten haben, beispielsweise eine hohe Giftigkeit oder ätzende Wirkung oder die Explosionsgefahr. Ein anderes Problem ist, dass der Umstieg auf Ersatzstoffe speziell hierfür konstruierte Kältemaschinen und Wärmepumpen erfordert; man kann häufig nicht einfach das Kältemittel in einem bestehenden Gerät auswechseln bzw. neue Geräte einfach mit einem anderen Mittel füllen. Beispielsweise kann Kohlendioxid zwar durchaus in Wärmepumpen und Kältemaschinen mit hoher Energieeffizienz eingesetzt werden, solange keine allzu hohen Temperaturen benötigt werden, jedoch müssen diese Anlagen für sehr viel höhere Drucke ausgelegt werden, als sie mit FKW nötig wären. Für zukünftig eingesetzte Geräte sollte dieser Entwicklungsaufwand wohl betrieben werden, und die Herstellungskosten müssen dadurch auch nicht wesentlich steigen. Dagegen ist eine nachträgliche Umrüstung auf klimaschonende Kältemittel häufig technisch nicht möglich – allenfalls ein Umstieg auf deutlich weniger klimaschädliche FKW.

Klimaschädlichkeit der Fluorkohlenwasserstoffe

Quantitativ kann die Klimaschädlichkeit von Gasen durch sogenannte GWP-Werte beziffert werden; diese geben an, wie viel klimaschädlicher ein solches Gas im Vergleich zu Kohlendioxid (CO2) ist. (Für Details hierzu lese man den Artikel über CO2-Äquivalente.) Diese Werte sind für verschiedene FKW und HFKW sehr unterschiedlich, für die meisten aber sehr hoch: z. B. 1725 für R-410A oder 1430 für R-134a. R-12 und R-23 haben sogar GWP-Werte oberhalb von 10 000. Dagegen hat R-1234yf (Tetrafluorpropen) nur ein GWP von ca. 4.

Theoretisch könnte man Fluorkohlenwasserstoffe als Kältemittel einsetzen, ohne dass diese Substanzen dabei in die Atmosphäre gelangen. Jedoch kommt es in der Praxis leider immer wieder vor, dass Kältemittel entweder unabsichtlich entweichen (beispielsweise an Folge von Lecks durch die versehentliche Beschädigung von Kältemittelleitungen oder bei Autounfällen) oder aber bewusst abgelassen werden (was in der EU allerdings mit empfindlichen Strafen geahndet wird).

In der EU gibt es seit 2006 eine F-Gase-Verordnung, die diverse Maßnahmen zur Reduzierung von Kältemittel-Emissionen aus Kältemaschinen vorschreibt; seit 2015 gilt eine neuere Version davon. Beispielsweise wird verlangt, das mit solchen Kältemitteln arbeitendes Personal ausreichend dafür ausgebildet sein muss, dass Kältemaschinen gewisse Anforderungen erfüllen müssen und dass bei ihrer Installation und Wartung bestimmte Dichtheitsprüfungen durchgeführt werden müssen. Außerdem muss die Verwendung von FKW genau dokumentiert werden, sodass der Verbleib der in die Geräte eingefüllten Mengen kontrolliert werden kann. Am Ende der Lebensdauer eines Geräts und in manchen Fällen auch bei Wartungsarbeiten muss das Kältemittel abgesaugt und einem Recycling zugeführt oder sicher zerstört werden. Für PKW-Klimaanlagen gibt es strengere Anforderungen an die einsetzbaren Kältemittel, da dort eine wesentlich höhere Gefahr von Leckagen besteht; deswegen sind dort seit 2011 nur noch F-Gase mit einem Treibhauspotenzial von unter 150 erlaubt.

Soweit Fluorkohlenwasserstoffe unter strengen Auflagen wie oben beschrieben z. B. in Klimageräten eingesetzt werden, können die Klimaschäden durch Leckagen ziemlich gering gehalten werden. Deswegen ist beispielsweise der Beitrag der F-Gase zur Klimabelastung durch Emissionen in Deutschland recht gering – nur grob geschätzt 1 Promille des völlig dominierenden Beitrags des Kohlendioxids (CO2), welches in weitaus größeren Mengen freigesetzt wird. Allerdings könnte ohne geeignete Gegenmaßnahmen dieser Beitrag durch die stark zunehmende Verwendung von Klimageräten wesentlich ansteigen. Vor allem aber ist es wohl nicht realistisch zu hoffen, dass weltweit ein sehr sorgfältiger Umgang mit solchen Stoffen flächendeckend und zuverlässig eingeführt werden kann.

Geplante starke Beschränkungen der Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffen

Wegen ihrer zumeist sehr starken Klimaschädlichkeit wurden wurden FKW und HFKW bereits im Kyoto-Protokoll als Treibhausgase erfasst, und ihre Emissionen wurden deswegen ein Stück weit vermindert.

Im Oktober 2016 wurde von den Vertragsstaaten des Montreal-Protokolls in Kigali (Ruanda) beschlossen, dass innerhalb der nächsten ca. 20 Jahre die Verwendung auch von Fluorkohlenwasserstoffen (und nicht nur FCKW wie bisher) sehr stark beschränkt werden soll, um damit einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz zu erhalten. Die Industrieländer sollen ihre FKW-Emissionen bis 2036 um 85 % reduzieren. China und die meisten Entwicklungsländer und Schwellenländer sollen ein ähnliches Ziel bis 2045 erreichen. Nach Schätzungen des Deutschen Umweltbundesamts hätte ohne diesen Ansatz der Beitrag der Fluorkohlenwasserstoffe zum Klimaproblem bis 2050 auf 6 % steigen können; andere Schätzungen liegen sogar noch wesentlich höher.

Literatur

[1]EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase, Erklärungen vom Umweltbundesamt, https://www.umweltbundesamt.de/themen/wirtschaft-konsum/produkte/fluorierte-treibhausgase-fckw/rechtliche-regelungen/eu-verordnung-ueber-fluorierte-treibhausgase

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Kohlenwasserstoffe, Kältemittel, Klimaschutz
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Umwelt und Ökologie

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