Kältemittel im Klimawandel Klimabewusst kühlen – wie nachhaltig kann Temperiertechnik sein?

Ob die Eismaschine zu Hause, die Klimaanlage im Auto oder der Kryostat im Labor – Temperiertechnik ist heute aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken. Problematisch dabei: Viele herkömmliche Kältemittel sind extrem klimaschädlich. Doch mit strengeren EU-Verordnungen soll dies der Vergangenheit angehören. Wir haben Anbieter von Temperierlösungen auf der Lab-Supply Dresden zum Thema „Umweltfreundliches Kühlen“ befragt und dabei u.a. einige Tipps zu mehr Nachhaltigkeit und Energiesparen im Labor bekommen.

Anbieter zum Thema

Peter Huber Kältemaschinenbau AG

LAB-SUPPLY

Van der Heijden Labortechnik GmbH

IKA-Werke GmbH & Co. KG

Restek GmbH

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Mieth GmbH Labor- und Messtechnik

medingLab Hans-Jörg Kupka

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Würzburg, Dresden – Vor wenigen Jahrhunderten nutzten die Menschen noch Eis aus den Bergen zum Kühlen. Ende des 18. Jahrhunderts wurde mit Entwicklung des ersten Kühlschranks dann eine technische Alternative entwickelt. Was für den Beruf des Gletschereis-Verkäufers desaströs war, bot allen anderen nie dagewesene Möglichkeiten. Heute gehören Kühlschränke und oft auch Klimaanlagen zur Grundausstattung eines Haushalts. Und in Industrie und Forschung sind präzise arbeitende Thermostate nicht mehr wegzudenken.

Späte Einsicht bei FCKWs

Doch wie jede neue Technik, hat auch das Temperieren seine Nachteile. Das Paradebeispiel sind hier Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die ab den 1930er Jahren verbreitet als Kältemittel eingesetzt wurden. FCKWs besitzen ausgezeichnete Eigenschaften für diesen Zweck – sie nehmen große Wärmemengen beim Verdampfen auf und sind nicht brennbar und wenig bis gar nicht toxisch.

Erst Jahrzehnte später erkannte man, dass diese Gase ein enorm hohes Treibhauspotenzial besitzen: Um den Faktor 1000 bis 10000 höher als CO₂. 1995 wurde die Verwendung von FCKW-Gasen in Kühlgeräten dann offiziell verboten. Lediglich in Ausnahmefällen sind sie noch zu Forschungszwecken im Labor erlaubt.

Umdenken mit dem Montrealer Protokoll

Das Verbot von FCKWs in der Kältetechnik war ein Erfolg des Montrealer Protokolls von 1987, in dem sich alle 197 UN-Staaten dazu verpflichteten, die Freisetzung ozonabbauender Gase wie FCKWs und Halone zu reduzieren. Vor fünf Jahren ist zudem mit der F-Gase-Verordnung (EU NR. 517/2014) eine neue Maßnahme in Kraft getreten, die eine stufenweise Verringerung fluorierter Kältemittel bis hin zu deren Verbot vorsieht. „Jeder Hersteller von Kältetechnik steht nun vor der Herausforderung, dass bestimmte Kältemittel mit einem Global Warming Potential (GWP) von über 2500 ab dem 1. Januar 2020 nicht mehr in Verkehr gebracht werden dürfen“, sagt Johannes Mieth auf der Lab-Supply in Dresden. Der Geschäftsführer von Mieth Labor- und Messtechnik vertritt dort die Firma Lauda, die sich auf Temperierlösungen spezialisiert hat.

„Als Messlatte für das GWP gilt Kohlendioxid mit einem GWP von eins. In älteren Kühlgeräten gibt es aber noch Kältemittel mit deutlich höheren Werten, zum Beispiel das Tetrafluorethan R-134a. Das hat einen über tausend Mal höheren GWP-Wert, ist also über tausend Mal klimaschädlicher als CO₂“, führt Mieth aus.

Eine Übersicht verschiedener Kältemittel und ihrer GWP-Werte hat das Umweltbundesamt zusammengestellt, Stand Mai 2019.

Änderungen brauchen Zeit zum Wirken

Aufgrund zahlreicher in Umlauf befindlicher Altgeräte wird es wohl noch einige Zeit dauern, bis die Konzentration der langlebigen fluorierten Kohlenwasserstoffverbindungen (F-Gase) in der Atmosphäre abnimmt. Deren mittlere Verweildauer in der Atmosphäre beträgt schließlich Jahrzehnte bis hin zu über hundert Jahren. Tatsächlich sind die Gesamtemissionen an F-Gasen laut Umweltbundesamt in den vergangen Jahren sogar wieder leicht gestiegen. Zwar gibt es einen deutlichen Rückgang von FCKWs, dafür wurden zuletzt mehr teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (H-FKWs) freigesetzt (s. Grafik links). Doch auch diese Emissionen sollten in naher Zukunft durch die F-Gase-Verordnung allmählich zurückgehen.

Durch die F-Gase-Verordnung unterliegen die Hersteller von Kältemitteln nun einer Quote. „Sie haben ein begrenztes GWP-Budget, was sie in Europa auf den Markt bringen dürfen. Deshalb setzen die Hersteller bevorzugt auf Kältemittel mit geringem GWP“, sagt Mieth. In der Folge werden die Kosten von klimaschädlichen Produkten wie R-134a voraussichtlich noch weiter steigen. Kunden haben also allein der Kosten wegen einen starken Anreiz, auf Alternativen umzusteigen, sofern sie nicht auf bestimmte Spezialkältemittel angewiesen sind.

Was Betreiber von Kälte- und Klimaanlagen seit der F-Gase-Verordnung beachten müssen, hat das Umweltbundesamt 2015 in einer Broschüre übersichtlich zusammengefasst.

Alternativen zu klassischen Kältemitteln

Doch welche Alternativen gibt es? Verbreitet kommen natürliche Gase zur Temperaturregelung zum Einsatz, wie Markus Rosenberg von der Firma Huber auf der Dresdener Lab-Supply erzählt: „Bei unseren kleinen Geräten wird beispielsweise Propan eingesetzt, mit einem kleinen GWP von drei.“ Was sonst als Zündgas aus dem Campingkocher bekannt ist, sorgt – in höherer Reinheit – unter der Kennung R290 also auch in den Kühlkreisläufen von Wasserbädern für die richtige Temperatur. Dies erfordert zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen. „In einem kleinen Gerät ist nicht viel mehr Propan enthalten als in einem Feuerzeug, dort geht keine große Gefahr aus. In Großgeräten können aber mehrere Kilo Gas enthalten sein. Diese sind zwar auch hermetisch abgeriegelt, müssen aber zusätzlich mit einem Propangassensor überwacht werden, der vor einem eventuellen Austreten des Gases warnt“, führt Rosenberg aus. Wird ein Gasleck detektiert, schaltet die Anlage sofort alles stromlos, um die Gefahr einer Explosion zu minimieren.

Auch CO₂ (R722) wird als natürliche Alternative zu den fluorierten Kältemitteln gesehen. Doch ein verbreiteter Umstieg auf das umweltfreundlichere Gas scheint schwierig, zumindest aus Sicht kleinerer Hersteller. „Für die Produktion von CO₂-Verdichtern braucht man große Abnehmer, damit es überhaupt ökonomisch ist“, betont Lab-Supply-Aussteller Hans-Jörg Kupka von Meding Lab. „Wenn wir als mittelständisches Unternehmen in unsere Geräte einen Verdichter einbauen, der den Endpreis um 50% erhöht, dann können wir das beim Kunden kaum rechtfertigen.“

Nachhaltig und zukunftssicher

Die Vorteile des Temperierens mit natürlichen Kältemitteln

Keine „grüne“ Tiefkälte in Altgeräten

Die natürlichen Kältemittel sind auch nicht immer als Alternative geeignet, wie Lauda-Handelsvertreter Mieth ausführt: „Für Tiefkälte bis -90 °C verwendet man zwei gekoppelte Kühlkreisläufe. Ein erster Kältekreis kühlt das Gerät bis etwa -40 oder -50 °C vor. Dann reichen aber die Verdampfungstemperaturen nicht mehr aus und man setzt ein zweites Kühlmittel ein. Für diese zweite Stufe gibt es derzeit noch keine Alternative, sie wird weiterhin mit klassischen Kältemitteln mit hohem GWP betrieben.“ Die F-Gas Verordnung nimmt Anwendungen für Temperaturen unterhalb von -50°C deshalb extra aus.

Was es aber schon viele Jahre gibt, sind neue Generationen von Ultratiefkühlgeräten, die auch mit natürlichen Kältemitteln wie Propan/Ethan Tiefsttemperaturen erzielen. Weil sich die Arbeitsdrücke und Sicherheitseinrichtungen für den Betrieb mit natürlichen Kältemitteln von dem mit klassischen Kältemitteln unterscheiden, müsste man Altgeräte teuer umbauen, um einen Kältemittelwechsel zu ermöglichen. Allerdings stehen Aufwand und Umbaukosten nicht im Verhältnis zum Nutzen. Die Richtung ist aber gesetzt, und Hersteller und Forschungsunternehmen arbeiten eng zusammen, um neue, umweltfreundlichere Lösungen für die Temperiertechnik zu finden.

Impressionen der Lab-Supply Dresden

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Fünf Tipps zum nachhaltigen Kühlen:

• Achten Sie auf eine sinnvolle Kühlwasserregelung: „Die Energie, die man dem System entnimmt, wird ans Kühlwasser abgegeben. Moderne Geräte verbrauchen nur dann Kühlwasser, wenn gerade gekühlt werden muss. Im Standby-Modus wird der Verbrauch auf ein Minimum reduziert.“ (Markus Rosenberg, Peter Huber Kältemaschinenbau)

• Planen und strukturieren Sie: Ob Experimente am Kryostat durchführen oder Proben aus dem Gefrierschrank holen – jede Nutzung von Kältetechnik verbraucht Energie. Daher sollten die Geräte nicht in unnötigem Leerlauf betrieben werden. Planen Sie mehrere Versuche am Stück, sodass nicht ständig neu heruntergekühlt werden muss. Und ordnen Sie Ihre Gefrierschränke, damit Proben schnell aufzufinden und die Kühlschranktüren nie lange geöffnet sind.

• Eine gute Temperaturregelung spart Energie: „Man kann viel über die Temperaturregelung für die Energieeffizienz machen. In Thermostaten die sowohl über als auch unter Raumtemperatur arbeiten dürfen Hitze und Kälte nicht gegeneinander arbeiten. In modernen Geräten sind die Heiz- und Kühlaktivitäten optimal aufeinander abgestimmt.“ (Hans-Jörg Kupka, Meding Lab)

• Nutzen Sie programmierbare Kryostate mit Zeitschaltuhr: Statt das Gerät am Vorabend einzuschalten, weil man morgens früh gleich mit dem Versuch bei -90 °C beginnen möchte, können Sie programmieren, dass es eine Stunde vor Arbeitsbeginn vorkühlt. Dann ist es pünktlich auf Betriebstemperatur, ohne das Zeit verloren oder Energie verschwendet wird.

• Ersetzen Sie Altgeräte: „Durch die F-Gas-Verordnung ist das Inverkehrbringen klimaschädlicher F-Gase verboten. Zwar dürfen Anwender ihre Altgeräte weiterhin nutzen, jedoch sind regelmäßige Prüfungen z.B. auf die Dichtheit vorgeschrieben. In Neugeräten mit umweltfreundlichen, natürlichen Kältemitteln entfallen solche Prüfpflichten, da selbst im Fall einer Leckage das austretende Gas kaum Einfluss auf das Klima hat. Zudem sind Neugeräte in der Regel energiesparender als ältere Modelle.“ (Johannes Mieth, Mieth Labor und Messtechnik)

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