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Fluorkohlenwasserstoffe

Akronym: FKW, HFKW

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

Englisch: fluorocarbons, fluorinated hydrocarbons

Kategorien: Grundbegriffe, Ökologie und Umwelttechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 21.10.2016; letzte Änderung: 19.02.2019

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 ganze Reihe vorteilhafter Eigenschaften für den Einsatz als Kältemittel:

  • Es gibt viele Versionen hiervon, von denen für die jeweilige Anwendung solche mit passenden thermodynamischen Eigenschaften ausgewählt werden können, insbesondere in Bezug auf die Flüchtigkeit (Dampfdruck bei der Temperatur im Verdampfer) und die kritische Temperatur.
  • Sie sind kostengünstig in großen Mengen herstellbar.
  • Sie sind meist nicht brennbar oder nur schwach brennbar und sind auch vermischt mit Luft nicht explosionsgefährlich. Dies zeichnet sie beispielsweise gegenüber reinen Kohlenwasserstoffen wie Propan aus.
  • Sie sind meist nicht oder kaum giftig und werden beim Einatmen erst in hohen Konzentrationen gefährlich, wenn sie nämlich den Sauerstoff zu stark verdrängen. Dagegen ist beispielsweise Ammoniak (R-717) sehr giftig und ätzend.
  • Im Gegensatz zu den früher häufig eingesetzten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) sind sie nicht ozonschädlich, d. h. sie greifen die gegen UV-Licht schützende Ozonschicht der Atmosphäre nicht an.
  • FKW und HFKW sind außerdem gut verträglich mit den allermeisten Materialien, die für Kältemaschinen und Wärmepumpen verwendet werden. Dies bedeutet, dass sie beispielsweise keine Korrosion von Metallen fördern und die Funktionsfähigkeit von Schmierölen von Verdichter nicht gefährden.

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 Substanzen häufig schwere Nachteile in anderen Gebieten haben:

  • Manche sind sehr giftig oder haben eine stark ätzende Wirkung (etwa Ammoniak).
  • Andere sind brennbar und erzeugen gar erhebliche Explosionsgefahren (z. B. Propan).
  • Wenn die thermodynamischen Eigenschaften für die geforderten Betriebsparameter ungünstig sind, führt dies zu einem entsprechend höheren Energieverbrauch der Kältemaschinen.
  • 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.

Wegen der unten genannten Probleme sollte für zukünftig eingesetzte Geräte 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.

Ein anderer Ansatz ist, die Verluste von Kältemitteln zu minimieren. Dies wird weiter unten diskutiert.

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. Mit guter Technik und sorgfältigem Arbeiten gelingt dies auch weitgehend. 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 schon bald ein sehr sorgfältiger Umgang mit solchen Stoffen flächendeckend und zuverlässig eingeführt werden kann. Bemühungen in dieser Richtung sind jedoch sicher sehr sinnvoll.

Geplante starke Beschränkungen der Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffen

Wegen ihrer zumeist sehr starken Klimaschädlichkeit 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, Ökologie und Umwelttechnik

Kommentare von Lesern

31.10.2016

Jetzt wird das Verbot von FKW als großer Durchbruch dargestellt, obwohl es andere so genannte “Super-Treibhausgase” gibt, die mindestens genau so schädlich sind (z. B. Stickstofftrifluorid). Warum erwähnen die Medien diese überhaupt nicht? Man konzentriert sich nur auf EINEN Stoff und versucht so, Satan mit Beelzebul auszutreiben. Außerdem gibt es ja noch andere potenziell schädliche Wirkungen, wofür der Ersatz von FCKWs durch FKWs ja ein Beispiel ist. Das Gesamtsystem muss betrachtet werden, nicht nur EIN Stoff und EIN Effekt!

Antwort vom Autor:

Zunächst einmal ist es natürlich richtig, dass man immer das Gesamtbild im Auge behalten sollte, die Medien sich aber oft nur auf isolierte Phänomene konzentrieren, die bisweilen längst nicht die wichtigsten sind.

Im vorliegenden Fall ist zwar das spezifische GWP-Potenzial von Stickstofftrifluorid besonders hoch, aber andererseits geht es hier um Mengen, die weitaus kleiner sind als die der verwendeten FKW. Von daher ist es gut zu rechtfertigen, dass man sich zuerst einmal um die FKW kümmert; damit erreicht man für den Klimaschutz weitaus mehr. Übrigens geschah dies durch die Unterzeichner des Montreal-Protokolls, die mit FKW konkret zu tun haben, da diese ja vielfach als Ersatz für die durch das Protokoll ursprünglich verbotenen FCKW dienen. Jedoch kann man nicht erwarten, dass diese Gruppe nun ihre Aktivitäten auf sämtliche Treibhausgase ausdehnt.

Übrigens sehe ich nicht, dass man hier Satan mit Beelzebul austreiben würde oder ausgetrieben hätte. Im Falle des Wechsels von FCKW zu FKW hat man zwar das Klimaproblem nicht gelöst, aber immerhin das der schwindenden Ozonschicht. Nun muss man eben auch von den FKW wegkommen, obwohl dies leider auch gewisse schädliche Nebenwirkungen haben wird – beispielsweise das Hantieren mit ätzenden oder explosionsgefährlichen Kältemitteln. Das Wundermittel, das in jeder Beziehung optimal wäre, ist leider bislang nicht gefunden worden; so bleibt nur ein sorgfältiges Abwegen der verschiedenen Vor- und Nachteile.

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