Ersetzung von R134a durch HFKW und HFO
In Fahrzeugklimasystemen, die offene Kompressoren und flexible Schlauchverbindungen nutzen, ist die Wahrscheinlichkeit von Leckagen deutlich höher als bei fest installierten Systemen. Die Europäische Union hat aus diesem Grund die Richtlinie 2006/40/EG erlassen, um direkte Emissionen in diesem Bereich zu minimieren. Diese Richtlinie schreibt vor, dass seit 2011 nur noch Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial (GWP) von weniger als 150 in neuen Fahrzeugtypen verwendet werden dürfen. Dies macht den Einsatz von R134a, welches ein GWP von 1430 hat, unmöglich.
Inzwischen gibt es neue Kältemittel und Technologien, die als Alternative dienen können. Besonders wurde der Einsatz von R152a untersucht. Die Automobilindustrie hat sich jedoch auf Kältemittel mit niedrigem GWP (“Low GWP”) geeinigt, die im Folgenden erörtert werden.
R152A als mögliche Alternative zu R134a
R152a zeigt in Bezug auf die volumetrische Kälteleistung, Druckverhältnisse und Energieeffizienz ähnliche Werte wie R134a, mit geringfügigen Abweichungen von etwa -5% bzw. -10%. Es bietet sogar Vorteile hinsichtlich des Massenstroms und des Druckabfalls (ca. -40%). R152a wird schon lange in Gemischen verwendet, aber nicht als reines Kältemittel. Ein großer Vorteil ist das extrem niedrige Treibhauspotenzial (GWP = 124).
Allerdings ist R152a aufgrund seines geringen Fluorgehalts brennbar und wird in die Sicherheitsgruppe A2 eingeordnet. Dies erfordert erhöhte Sicherheitsmaßnahmen und spezielle Konstruktionslösungen sowie Risikoanalysen. Daher ist der Einsatz in Fahrzeugklimaanlagen eher unwahrscheinlich.
„Low GWP“ HFO-Kältemittel R1234YF und R1234ZE(E)
Das EU-Verbot von R134a in Fahrzeugklimaanlagen hat zu einer Reihe von Forschungsprojekten geführt. Neben CO2-Technologien wurden Kältemittel mit sehr niedrigen GWP-Werten entwickelt, die ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie R134a aufweisen. Frühe Entwicklungen beinhalteten Gemische wie “Blend H” von Honeywell und “DP-1” von DuPont. INEOS Fluor führte eine weitere Variante ein. Diese Kältemittel bestanden hauptsächlich aus verschiedenen fluorierten Molekülen.
Während der Entwicklungsphase stellte sich heraus, dass nicht alle Kriterien erfüllt werden konnten, und weitere Untersuchungen mit diesen Gemischen wurden eingestellt.
DuPont (nun Chemours) und Honeywell konzentrierten sich daraufhin auf ein Joint Venture zur Entwicklung von 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf), einem ungesättigten HFKW. Das Treibhauspotenzial ist sehr niedrig (GWP 100 = 4). Obwohl das Molekül schnell in der Atmosphäre zerfällt, zeigen umfangreiche Tests, dass es in Fahrzeugklimaanlagen stabil bleibt.
Es wurde festgestellt, dass die potenzielle Entflammbarkeitsgefahr von R1234yf durch konstruktive Maßnahmen minimiert werden kann. Toxizitäts- und Materialverträglichkeitstests zeigten positive Ergebnisse. In Labor- und Feldversuchen zeigte sich, dass Kälteleistung und Effizienz vergleichbar mit R134a sind, was die Technologie attraktiv macht. Kritische Temperatur- und Druckwerte sind ähnlich, während Dampfdichten und Massenstrom um etwa 20% höher sind.
Aufgrund der relativen Einfachheit der Umrüstung hat sich diese Technologie bisher gegenüber CO2-Systemen durchgesetzt, obwohl die Brennbarkeit von R1234yf weitere technische Lösungen erfordert, wie aktive Löschsysteme.
Weitere Anwendungen für HFO-Kältemittel
R1234yf wird auch in anderen mobilen Klimasystemen und in stationären Klima- und Wärmepumpensystemen in Betracht gezogen. Für Anwendungen, die nicht brennbare und ungiftige Kältemittel (Sicherheitsgruppe A1) erfordern, wurden bereits HFO/HFKW-Gemische mit geringerem GWP als Ersatz für R134a entwickelt.
R1234yf und R1234ze(E) werden als Basiskomponenten in diesen Gemischen verwendet, die als “Low GWP”-Alternativen zu verschiedenen Kältemitteln entwickelt wurden. R1234ze(E), ursprünglich als Treibmittel für PU-Schaum und Aerosol verwendet, hat ähnliche thermodynamische Eigenschaften, aber ein GWP von 7. Es wird als brennbar eingestuft, jedoch nur unter bestimmten Bedingungen. Seine volumetrische Kälteleistung liegt um mehr als 20% unter R134a oder R1234yf, was seinen Einsatzbereich einschränkt.
R1234ze(E) ist aufgrund seiner Eigenschaften hauptsächlich für Flüssigkeitskühlsätze und Hochtemperaturanwendungen geeignet. Trotz der Einschränkungen durch seinen niedrigeren Siedepunkt (-19°C) und der geringeren volumetrischen Kälteleistung im Vergleich zu R134a oder R1234yf, bietet es eine umweltfreundliche Option für spezifische Anwendungen.
In Bezug auf die Brennbarkeit, obwohl R1234ze(E) in Sicherheitsdatenblättern als nicht brennbar für Transport und Lagerung deklariert wird, ist es bei einer Bezugstemperatur von 60°C für Entflammbarkeitstests brennbar und wird daher in die Sicherheitsgruppe A2L eingestuft. Diese Brennbarkeit bei höheren Temperaturen bedingt zusätzliche Sicherheitsüberlegungen bei der Verwendung als Kältemittel.
Abschließend ist festzuhalten, dass die Entwicklung und der Einsatz von neuen Kältemitteln wie R1234yf und R1234ze(E) wichtige Schritte in Richtung umweltfreundlicherer Lösungen in der Kältemitteltechnologie darstellen. Die Reduzierung des Treibhauspotenzials und die Einhaltung neuer Umweltauflagen stehen dabei im Vordergrund. Gleichzeitig werden die technischen Anforderungen an Leistung und Sicherheit weiterhin berücksichtigt. Während diese Kältemittel bereits in einigen Anwendungsbereichen eingeführt wurden, wird ihre Verbreitung und Weiterentwicklung voraussichtlich zunehmen, um den steigenden Umweltstandards und Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden.
Insgesamt zeigt sich, dass die Branche aktiv auf die Suche nach alternativen, umweltfreundlicheren Kältemitteln reagiert hat, um die durch traditionelle Kältemittel wie R134a verursachten Umweltauswirkungen zu verringern. Mit kontinuierlicher Forschung und Entwicklung werden diese Technologien weiter optimiert, um eine effiziente und sichere Kühlung zu gewährleisten, die sowohl den technischen Anforderungen als auch den Umweltzielen entspricht.
