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Der Markt für Kältegeräte und Kälteanlagen dreht sich zugunsten natürlicher „grüner“ Kältemittel, wobei brennbare Stoffe künftig die Hauptrolle spielen werden.
Die Hemmnisse in der Umsetzung liegen hauptsächlich im noch unvollständigen Regelwerk und im Mangel an Know-how bei den Kälteanlagenbauern.
Der erfolgreiche Vorstoß der Pioniere halogenfreier Kühlverfahren, die Fördermittel des BAFA und nicht zuletzt die aktuelle Klimadiskussion
lassen vermuten, dass die Ära der halogenierten Kältemittel schon aus Gründen der Investitions-Absicherung früher zu Ende gehen wird als durch den F-Gase-Phase-down vorgesehen.
Die zukünftige Kältetechnik wird sich gravierend von den bisherigen Gepflogenheiten mit synthetischen Kältemitteln
unterscheiden. Durch den erzwungenen Ausstieg aus den HFKW-Sicherheits-Kältemitteln (2) bewegt sich das Angebotsspektrum hin zum Einsatz brennbarer und giftiger Kältemittel sowie zu sogenannten Hochdruck-Kältemitteln, zum Beispiel CO2 oder zu Hydrofluorolefinen (HFO).
Letztere, beispielsweise das Kältemittel R1234yf, sind jedoch wegen ihrer Zerfallsprodukte in der Atmosphäre zu Trifluoressigsäure (TFA) umstritten. Diese gelangt mit den Niederschlägen in Böden und Gewässer und damit auch ins Trinkwasser. Das Umweltbundesamt empfiehlt deshalb rundweg den Einsatz halogenfreier Kältemittel.
Aufgrund dieser fast disruptiven Veränderungen in der Kältebranche hat das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) ein spezielles Förderprogramm für Kälte- und Klimaanlagen mit nichthalogenierten Kältemitteln aufgelegt, kurz Kälte-Klima-Richtlinie (www.bit.ly/kkr_volltext) genannt.
Bild: Öko-Recherche
Die Preissteigerungsraten bei F-Gasen liegen heute bereits zwischen 500 und über 1000 %. Damit neigt sich das früher sehr lukrative Geschäftsmodell dem Ende zu. Der Übergang zu alternativen Kältemitteln ist unausweichlich.
Dipl.-Ing. Jörn Schwarz, Ice-Tex Ingenieurbüro, Sponholz-Rühlow, erläuterte in seinem Vortrag wie anspruchsvoll die künftigen Anforderungen des Gesetzgebers an kältetechnische Anlagen sind und welche umfangreiche Vorarbeit zu leisten ist, um die Fördervoraussetzungen zu erfüllen. Für stationäre Kälteanlagen gelten folgende Bedingungen:
Im Detail geht es um folgende Bereiche:
Propan (R290)
Propen (R1270)
Isobutan (R600a)
Ethan (R170) Ethan (R170)
Ammoniak NH3 (R717)
Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether (R723)
Die Förderung ist jeweils auf definierte Leistungsbereiche eingegrenzt. Wichtig ist, dass die geförderten Anlagen der ErP(Ökodesign)-Richtlinie und dem Auslegungspunkt bei Volllast entsprechen. Anträge auf Förderung müssen vor Beginn des Bauvorhabens beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) eingereicht werden. Die Gültigkeit der Richtlinie ist bis zum 31. Dezember 2021 begrenzt.
Nachhaltig durch frühzeitigen Umstieg
Während auch namhafte Unternehmen weiterhin halogenierte Kältemittel als „nachhaltig“ und „zukunftssicher“ propagieren, hat das im oberbayerischen Penzberg ansässige Pharmaunternehmen Roche Diagnostics GmbH bereits vor 15 Jahren den Entschluss gefasst, konzernweit vollständig aus der Verwendung halogenierter Kältemittel auszusteigen. Aktuell werden am Standort Penzberg 400 Kühl- und Tiefkühlräume, 1200 Tiefkühlschränke – 80 °C, 7000 Gefrier- und Kühlschränke sowie 30 Groß-Gefriertrocknungsanlagen mit natürlichen Kältemitteln (R290, R774, R718, R717, R1270 und R170) betrieben.
Die gesamte Kälteversorgung am Standort Penzberg ist kaskadiert aufgebaut: Mit einer zentralen Kühlwasserversorgung (über NH3-Anlage), Wasser-Glykol-Kreislauf für die Rückkühlung der Propananlagen und Plus-Kühlräume sowie über einen – 10-°C-Pufferspeicher mit Wasser-Glykol-Kreislauf für die Rückkühlung der CO2-Kältesätze und der Tiefkühlräume (1. Stufe Propan, 2. Stufe Ethan/Ethen). Auf luftgekühlte Anlagen wurde bewusst verzichtet. Durch die Kühlkreisläufe lässt sich die Abwärme auch für Wärmezwecke nutzen, bzw. über freie Kühlung abfahren.
Georg Grünwalder, Gruppenleiter Kältetechnik bei Roche in Penzberg, berichtet, dass vor 15 Jahren die Kälteindustrie praktisch keine Kältegeräte mit brennbaren Kältemitteln liefern konnte und Roche dadurch gezwungen war, eigene Lösungen zu entwickeln und diese in Zusammenarbeit mit einem externen Hersteller umzusetzen. Diese Vorgehensweise hatte den Vorteil, dass alle mit natürlichen Kältemittel arbeitenden Kältegeräte auch Kältemittel-minimiert sind und damit die sicherheitstechnischen Vorgaben einfacher zu realisieren waren.
Die kleinteilige, von den Sicherheitsauflagen vorgegebene Leistungsaufteilung habe gleichzeitig den Vorteil einer höheren Redundanz, so Grünwalder. Alle Geräte und Anlagen werden direkt überwacht, sodass jegliche Abweichungen automatisch registriert werden. Ein Sicherheitskonzept mit Vor- und Hauptalarm soll vermeiden, dass sich bei Undichtigkeiten in den Kältekreisläufen explosionsfähige Gas-Luft-Gemische bilden. Im Fall einer Havarie (Gas-Alarm) werde beispielsweise direkt am jeweiligen Chiller die Luft abgesaugt. Wo immer notwendig und sinnvoll, sind die Kälteerzeuger in Containments installiert, die über ein ausgeklügeltes Abluftsystem mögliche Leckgase direkt an die Umgebung weiterleiten.
Trotz der vielen Geräte und Anlagen liegt die Anzahl der Leckagen bei unter 20 pro Jahr, wobei es sich fast ausschließlich um schleichende Kältemittelverluste handelt.
Nach mehr als elf Jahren Betrieb resümiert Grünwalder:
Mit diesem Pionierprojekt hat das Unternehmen den bayerischen Responsible-Care-Wettbewerb 2018 des Verbands der chemischen Industrie (VCI) gewonnen. Das Projekt habe Vorbildcharakter, ein großes Potenzial und setze neue Maßstäbe in der Kältetechnik, so die Jury (3).
Bild: Roche Diagnostics
„Explosionswirkung von R32 gegenüber R290 wird unterschätzt“
Von Kälteanlagen, die mit einem brennbaren Kältemittel betrieben werden, geht ein höheres Risiko als von Anlagen mit halogenierten Kältemitteln aus. Die Risikoanalyse wird deshalb künftig zum verpflichtenden Prozess bei der Planung, beim Bau und beim Betrieb von kältetechnischen Einrichtungen gehören, die mit brennbaren Kältemitteln betrieben werden. Allerdings sei das Risiko in kältetechnischen Anlagen mit brennbaren Kältemitteln sehr klein, wenn alle Vorschriften und Richtlinien eingehalten werden, so Holger König, Ingenieurbüro ref-tech, Lindau.
Wichtig sei, vor Beginn der Planung ein vertretbares Risiko zu definieren, die Schadenswahrscheinlichkeit und das Schadensausmaß abzuschätzen und darauf die Risikoanalyse aufzubauen. Vereinfacht gesagt besteht ein Risiko, wenn Leckage-Ereignis, Zündquelle und brennbare Atmosphäre gleichzeitig auftreten. Wichtig sei jedoch, neben dem Normalbetrieb auch betriebliche Unsicherheiten (nicht normaler Betrieb) durch unkundiges Personal sowie mögliche nicht vorhersehbare Ereignisse auf der Basis bisheriger schwerer Unfälle mit brennbaren Kältemitteln einzubeziehen. Oft führe ein mangelhaftes Gehäuse-Design zu Explosionen mit fliegenden Teilen, die durch ein „definiertes Entfalten“ des Containments hätten vermieden werden können.
Typische Fehlerursachen seien, so König, unsachgemäßer Service (Beispiel: R290-Anlage in Dissen), gefälschte Kältemittel (R40, Chlormethan, leicht brennbar, als Ersatz für R134a bei Container-Kälteanlagen) oder zu hohe Kältemittelfüllmengen bei Anlagen, die für Füllmengen < 150 g ausgelegt sind. Auch werde die Explosionswirkung von R32 gegenüber R290 unterschätzt.
Hohe Feuchtigkeit und hohe Temperaturen würden die Brennbarkeitsgrenzen von Kältemitteln der Sicherheitsgruppe A1 (geringe Giftigkeit, keine Flammausbreitung) verschieben. König: „Die Sicherheitsklassifizierung nach EN 378-1 Anhang E ist ein unzureichendes Designkriterium und hat nur eine eingeschränkte Bedeutung auf die Sicherheit.“ Umso wichtiger sei es, künftige Entwicklungen bei Kälteanlagen mit brennbaren bzw. natürlichen Kältemitteln einem Risikoanalysen-Prozess zu unterziehen. Nur so könne das tatsächliche Risiko – auch von vorhersehbarem Missbrauch und Fehlanwendungen – minimiert werden.
Kältemarkt wird sich an den Brennbarkeitsgrenzen orientieren
Brennbare Kältemittel wurden lange Zeit von der Mehrheit der Kälteanlagenbauer ignoriert. Entsprechend gering war das Angebot an geeigneten Komponenten. Nun scheint sich der Markt neu zu formieren, ausgerichtet an den Sicherheitsklassen brennbarer Kältemittel. Norbert Blatz, Danfoss, Offenbach, sieht deshalb im Markt für Kälteanlagen mit brennbaren Kältemitteln ein langfristiges Potenzial.
Nun gelte es, die Normungs- und Richtlinienarbeit voranzutreiben, sagt Blatz. Internationale Standards werden bereits auf die brennbaren Kältemittel abgestimmt. Allerdings hinken die USA als wichtiger Markt für kältetechnische Komponenten der Entwicklung hinterher. China habe inzwischen eigene Standards für brennbare Kältemittel auf den Weg gebracht. Blatz wies darauf hin, dass bestehende Normen und Richtlinien aktuell nicht zwangsläufig aufeinander abgestimmt sind.
Aus wirtschaftlichen Überlegungen sei es wichtig, die passenden Komponenten zur jeweiligen Sicherheitsklasse anzubieten, denn nicht jede Anlage müsse den strengen ATEX-Richtlinien entsprechen. Wichtigstes Ziel sei, dass Anlagen so gebaut werden, dass sie dauerhaft dicht seien. Allerdings könne eine Risiko-Analyse womöglich einen höheren Sicherheitsstandard verlangen.
Insgesamt erfordern die Planung und der Bau von Kälteanlagen mit brennbaren Kältemitteln mehr Sorgfalt bei der Anordnung der Komponenten, beispielsweise von Heizelementen, Schaltern, Schützen sowie von Ventilatoren zur Absaugung von Leckagen. Auch müsse durch Konstruktions- und Montagespezifikationen garantiert werden, dass die Oberflächentemperaturen der Komponenten immer 100 K unterhalb der Selbstentzündungstemperatur des verwendeten Kältemittels liegen (4).
Bild: Danfoss
Dezentral und kaskadiert
Explodierende Preise für halogenierte Kältemittel und deren hohes Treibhauspotenzial haben Cool Expert, Allendorf/Eder, frühzeitig dazu bewogen, nur noch nahezu umweltneutrale Kältemittel, wie Wasser, Propan und CO2 einzusetzen. Das von der Firma entwickelte Blue-Cool-Concept gilt inzwischen als Blaupause für kältetechnische Anwendungen in der Lebensmittelkühlung. Mangels passender Komponenten hat das Unternehmen viele Teile selbst entwickelt und für den Einsatz mit Propan und CO2 optimiert.
Das Konzept basiert auf leicht auswechselbaren, vorgefertigten Kältemodulen. Diese sogenannten Change-IT-Units (6) enthalten aus Sicherheitsgründen maximal 1450 g Propan je Einheit. Damit wird auch die BAFA-Forderung nach einer Minimierung der Füllmenge auf < 80 g/kW Kälteleistung erfüllt. Die Units sind so konzipiert, dass sie die Grundkälte für die Lebensmittelkühlung mittels Kaltsole zur Verfügung stellen, als Wärmepumpe für die Temperierung des Shops eingesetzt werden können und jederzeit als Redundanz (Switch) fungieren. Im Falle eines Defekts wird das jeweilige Modul, Zitat, „mithilfe von nur drei Werkzeugen“ ausgetauscht und im Werk repariert.
Schnittstelle zur eigentlichen Lebensmittelkühlung sind Glykolspeicher, die optional als Wärme- oder Kältespeicher betrieben werden. Diese versorgen Plus-Kühlraum und Plus-Kühlmöbel sowie die Shop-Klimaanlage und Türluftschleier direkt mit – 6 °C kalter Sole. Tiefkühlräume mit CO2-subkritischem Kälteaggregat (3600 g CO2/R744 pro Unit) nutzen den Glykol-Kreislauf zur Abgabe der Verflüssigerwärme. Statt einer zentralen Umwälzpumpe ist jede Kühlstelle mit einer dezentralen Pumpe ausgerüstet, die automatisch überwacht wird. Eine Besonderheit ist der Verzicht auf elektrische Abtaueinrichtungen (bei üblicher Heizstärke 200 bis 300 °C Arbeitstemperatur). Stattdessen werden die Kühlstellen mittels Warmsole in einem patentierten Rohr-in-Rohr-System schonend abgetaut.
Anhand der bisherigen Erfahrungen mit dem Blue Cool Concept ergibt sich, nach Aussagen von Dipl.-Ing (FH) Simon Brieden, Cool Expert, folgender Kundennutzen:
Bild: Cool Expert
Waterloop für kleine Märkte interessant
Ein ähnliches Konzept wie Cool Expert verfolgt auch Epta Deutschland, Mannheim, mit ihrem Waterloop-System, bei dem alle Kühlmöbel und Kühlräume über einen Wasserkreislauf miteinander verbunden sind, um die Kondensatorenwärme abzuführen. Auch bei Epta ist jedes Kühlmöbel mit einem eigenen R290-Kühlaggregat ausgestattet.
Durch die Minimierung der Kältemittelfüllmenge auf 150 g je Propan-Kältekreislauf sind keine besonderen Anforderungen an den Aufstellungsraum nötig. Bei größeren Kühlmöbeln können es bis zu drei separate Kreisläufe sein.
Die im Waterloop gesammelte Abwärme wird im Sommer über einen Rückkühler direkt an die Umgebung abgegeben oder zur Trinkwassererwärmung genutzt. Im Winter besteht die Option, das Temperaturniveau mittels einer Wärmepumpe auf Heiztemperaturen anzuheben. Epta setzt dazu auch CO2-Wärmepumpen ein, die sowohl Warmwasser auf Heizniveau erzeugen als auch gekühltes Wasser auskoppeln.
Im Vergleich zu konventionellen Kälteanlagen schneiden Waterloop-Anlagen energetisch weit besser ab, sind ausfallsicherer und flexibler durch die „halb-steckerfertigen“ Module. Als Schwachpunkt gilt eher die fehlende Qualifikation des Kältehandwerks, das erst noch Erfahrungen mit Propan-Kälteanlagen und der Wasserhydraulik sammeln muss.
Bild: Wolfgang Schmid
Maßgeschneidert anstatt Katalogware
Die Geiz-ist-geil-Mentalität prägte lange Zeit auch das Kaufverhalten in der Gebäudetechnik. Bei den Flüssigkeitskühlern – salopp Chiller genannt – entschieden sich viele Planer bzw. Anlagenbauer für sogenannte Katalogmaschinen, die mehr oder weniger zu den Planungsdaten passten. Hauptsache billig! Hauptsache kalt! Mit dem Ausstieg aus den F-Gasen dürfte die Ära der Billigheimer unter den Kältemaschinenherstellern vorbei sein, denn neben den Investitionskosten legen die Betreiber solcher Anlagen vermehrt Wert auf grüne Technik, überzeugende Lebenszykluskosten sowie Unterstützung beim Antrag von Fördergeldern.
Die absehbaren Veränderungen bei den Kältemitteln sowie die Tendenz zu natürlichen Kältemitteln hat engagierte Kältespezialisten im Jahr 2014 dazu bewogen, die Firma GCM Kältesysteme, Neumark/Vogtland, zu gründen. Dabei steht GCM für German Chiller Manufacturer und der Slogan lautet „Kälte von morgen – Made in Germany“.
GCM-Geschäftsführer Wolfgang Hausmann ist überzeugt, dass die Investitionskosten von Chillern künftig eher in den Hintergrund treten und die Lebenszykluskosten, der Einsatz umweltschonender „grüner“ Kältemittel, einfach zugängliche Ersatzteile sowie Unterstützung bei Planung, Realisierung und Betrieb der Anlagen mehr in den Vordergrund treten. Die wichtigsten Ziele von GCM:
Für Wasserkühlsätze favorisiert Hausmann das Kältemittel NH3 (R717), da es dauerhaft kostengünstig ist, das Kältemittel eine hohe Verdampfungsenthalpie besitzt (kleine Massenströme) und sehr gute thermodynamische Eigenschaften sowie ein Treibhauspotenzial von GWP = 0 aufweist.
Energievergleiche von einem GCM-Chiller mit „Katalogware“ hätten bei einem 440-kW-Flüssigkeitskühler (Wassereintritt/-austritt 20/15 °C, 6000 Betriebsstunden/a, 35 °C Außentemperatur) ergeben, dass die Kosteneinsparung der GCM-Maschine aufgrund des höheren EER von 5,56 nach zwei Jahren bei 80 450 Euro und nach fünf Jahren bei 201 130 Euro liegt. Solche Anlagen werden von BAFA mit bis zu 20 % der Investitionskosten gefördert.
Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
TGA-Planer: Eine Kälteanlage oder -maschine wird in der Regel viele Jahre betrieben. Die Wirtschaftlichkeit wird dadurch überwiegend vom Energieaufwand und von den Instandhaltungskosten beeinflusst. In Kombination mit einer Investitionsförderung können individuelle Lösungen mit natürlichen Kältemittels die Lebenszykluskosten deutlich senken.
Anlagenbauer: Referenzprojekte belegen, dass Kälteanlagen auf der Basis natürlicher Kältemittel aus Betreibersicht auch wirtschaftlich überzeugen. Um nicht den Anschluss im Neuanlagengeschäft zu verlieren, ist ein Know-how-Aufbau für natürliche Kältemittel geboten.
Bauherren: Mit der aktuellen Version der Kälte-Klima-Richtlinie positioniert sich der Bund eindeutig: Das Förderprogramm kann nur für stationäre Kälte- und Klimaanlagen, die mit nicht-halogenierten Kältemitteln betrieben werden, in Anspruch genommen werden. Der Fußabdruck eines Unternehmens kann so deutlich verringert werden.
Wer zu früh kommt, den bestraft die Ignoranz der Marktteilnehmer
Wolfgang Schmid
Sole-basierte Kältesysteme mit NH3-Kälteerzeugern sind gar nicht so neu, wie es die heutigen Pioniere grüner Kältemittel-Anwendungen für sich reklamieren. Bereits 1990 brachte Stal-Astra den leistungsstarken NH3-Klimakaltwassersatz „Klimat“ auf den Markt, der dank Platten-Wärmeübertrager mit weniger als 50 kg Ammoniak Kältemittelfüllmenge arbeitete. Durch zusätzliche Sicherheitseinrichtungen sowie ein luftdichtes Gehäuse, heute Containment genannt, benötigten die Kaltwassersätze keinen separaten Maschinenraum. Kurze Zeit später wurde im Vorfeld des Hildesheimer Pionierprojekts „FCKW-freie Lebensmittelkühlung“ ein umfangreiches Prüf- und Messprogramm mit Kaltsole und NH3-Kälteerzeuger gestartet. Dazu gehörte auch die Entwicklung einer lebensmitteltauglichen, biologisch abbaubaren und kinematisch günstigen Kaltsole. (5) zeigt ein mit „Dummies“ bestücktes Kühlregal, in dem alle relevanten Temperaturen mittels Kurvenschreiber
überwacht wurden. Im September 1993 ging dann der erste Supermarkt mit einem Ammoniak-Sole-
System einschließlich einer Tiefkühlkaskade in Betrieb. Quellen: eigene, VHKK.org
Bild: Margot Dertinger-Schmid
