Flüssiggase als klimafreundliche Kältemittel

Kältemittel spielen in Kälteanlagen eine zentrale Rolle, weil sie der Wärmeübertragung und Kälteerzeugung dienen. Sie nehmen – vereinfacht gesagt – Wärme bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck auf und geben diese bei höheren Temperaturen und höherem Druck wieder ab. Früher kamen hierfür hauptsächlich Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zum Einsatz. Nachdem jedoch bekannt wurde, dass FCKW zum Abbau der Ozonschicht beitragen, wurde ihre Verwendung durch das Montrealer Protokoll von 1987 eingeschränkt und später ganz verboten. Ersetzt wurden die FCKW in der Folge­zeit durch teilfluorierte und perfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW und FKW), die zu den sogenannten fluorierten Treibhausgasen zählen (kurz F-Gase). Diese schädigen zwar die Ozonschicht nicht, weisen dafür aber ein hohes Treibhauspotenzial auf, auch GWP für Global Warming Potential genannt. Das GWP gibt an, wie stark eine chemische Verbindung im Vergleich zu CO₂ zur Erderwärmung beiträgt – üblicherweise über einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet. Das weitverbreitete Kälte­mittel R134a weist etwa ein GWP100 von 1430 auf. Das heißt, dass sich 1 kg R134a innerhalb von 100 Jahren nach seiner Emission so klimaschädlich auswirkt wie 1430 kg CO₂.

Auswirkungen der EU-F-Gas-Verordnung

Um die Emissionen von F-Gasen in Europa zu senken, hat die EU die Verordnung über fluorierte Treib­hausgase erlassen, die sogenannte F-Gas-Verordnung (Verordnung (EU) Nr.  517/2014), die seit 2015 in Kraft ist. Sie legt fest, dass die Verkaufsmenge an HFKW bis 2030 schrittweise auf ein Fünftel (21 %) der zwischen 2009 und 2012 im Jahresdurchschnitt in Verkehr gebrachten Menge reduziert wird. Neben diesem Phase-down-Prozess sind Inverkehrbringens- und Verwendungs­verbote für F-Gase vorgesehen, von denen einige seit diesem Jahr greifen. Kühl- und Gefriergeräte, die für die gewerbliche Nutzung bestimmt sind und als Kältemittel HFKW mit einem GWP über 2500 nutzen, dürfen etwa nicht mehr in Verkehr gebracht werden. Ab 2022 sind hier sogar nur noch Kältemittel mit einem GWP kleiner 150 erlaubt. Für mobile Raumklimageräte gilt die Beschränkung auf Kältemittel mit einem GWP unter 150 bereits seit diesem Januar.

Flüssiggase als Lösung

Flüssiggase sind natürliche Kältemittel, die in der Natur in großen Mengen vorkommen. Sie enthalten kein Fluor und zählen deshalb weder zu den F-Gasen noch fallen sie unter die F-Gas-Verordnung. Als Ersatz für F-Gase kommt ihnen eine große Bedeutung zu, weil sie über einen grundlegenden Vorteil verfügen: ihr GWP liegt zwischen 2 und 4 und damit um das Mehrhundert­fache unter dem herkömmlicher Kältemittel.

Die Anwendung von Flüssiggasen im Kältebereich ist nicht neu. Propan wurde etwa bereits Anfang des letzten Jahrhunderts als Kältemittel genutzt. In Haushaltskühlschränken werden Flüssiggase seit den 1990er Jahren sogar standardmäßig als Kältemittel eingesetzt. Sie haben allerdings einen Nachteil: ihre Brennbarkeit. Das war einer der Gründe dafür, dass die Branche lange Zeit auf die nicht brennbaren FCKW bzw., nach deren Verbot, auf F-Gase setzte.

Im Zuge der F-Gas-Verordnung wurde die Rolle von Flüssiggas-Kältemitteln jedoch neu bewertet. Das liegt nicht nur daran, dass sie ein sehr geringes GWP aufweisen, sondern auch daran, dass sie die Ozonschicht nicht schädigen und über sehr gute thermodynamische und physikalische Eigenschaften verfügen, insbesondere über eine hohe volumetrische Kälteleis­tung. Damit lassen sie sich gut in Kältesystemen einsetzen, die bisher vorrangig mit F-Gasen betrieben wurden: in gewerblichen Kälteanlagen, in den Klimaanlagen von Gebäuden und Fahrzeugen, in Wärmepumpen, in Transportkälte-Lkws oder auch in Flüssigkeitskühlsätzen. Gegenüber vergleichbaren Anlagen mit HFKW reduzieren sie die Energieverbräuche dabei sogar häufig um 15 % und mehr. Zudem sind Flüssiggase – im Gegensatz zu anderen Kältemitteln wie Ammoniak – nicht giftig. Das verweist auf das große Potenzial, das Flüssiggase im Kältesektor besitzen.

Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen

In der Praxis wird das Risiko einer ungewollten Entzündung unter anderem durch technisch dichte Anlagen, aus denen kein Kältemittel entweicht, eine ausreichende Belüftung unddie Beschränkung auf möglichst kleine Kältemittel-Füllmengen eingedämmt. Bis 150 g Kältemittel sieht die DIN EN 378 als grund­legende Norm in diesem Bereich keine zusätzlichen ­Sicherheitsvorschriften vor. Für Kälteanlagen, die größere Mengen brennbarer Kältemittel nutzen, können – je nach Aufstellungsort – hingegen zusätzliche Anforderungen gelten, welche die Sicherheit der Anlagen gewährleisten. Diese weiterführenden Schutzvorkehrungen sind aktuell oft noch mit hohen Kos­ten verbunden. Ausgeglichen werden sie jedoch durch die geringeren Preise für Flüssiggas-Kältemittel. Da sich die Menge an HFKW stetig verknappt, sind deren Preise in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Flüssiggase haben dieses Problem nicht und sind deshalb günstig erhältlich.

Wärmepumpe mit Propan-Kälte­mittel

Wärmepumpen mit Flüssiggas-Kältemitteln werden bereits seit einiger Zeit im Wärmemarkt eingesetzt. Auch hier profitieren die Nutzer von der hohen Energieeffizienz der Anlagen. Bei ihrer Aufstellung im Haus sind jedoch in der Regel zusätzliche ­Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Das Fraunhofer-­Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg forscht seit einiger Zeit an einer Wärmepumpe, die mit sehr geringen Kältemittel-Mengen auskommen und sich deshalb ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen auch in Innenräumen aufstellen lassen soll. Der 2019 ent­wickelte Prototyp einer Sole/Wasser-Wärmepumpe soll nur 150 g Propan benötigen und eine Heizleistung von etwa 8 kW erreichen. Das System wird aktuell weiter optimiert. Es ist ge­plant, die ­Wärmepumpe – zusammen mit Partnern aus der Industrie – in absehbarer Zeit dem Markt zur Verfügung zu stellen.

Maira Kusch ist Co-Autorin des Buchs „Flüssiggas und BioLPG in der Energie­wende“, das im März 2020 im VDE Verlag, Berlin, erschienen ist. Nähere Informationen zum Buch unter: https://fluessiggas-energiewende.de/.