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Langfristiger Trend zu natürlichen Kältemitteln in Wärmepumpen

Weniger ist mehr – beim GWP.

Die meisten der bisher in Wärmepumpen eingesetzten Kältemittel sind inzwischen als klimaschädigend eingestuft. Mit der seit 1. Januar 2015 gültigen F-Gase-Verordnung werden die bisher verwendeten Kältemittel auf der Basis teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) drastisch verknappt. Im Hinblick auf weiter steigende Absatzzahlen bei kälte- und klimatechnischen Geräten sowie bei Wärmepumpen gilt das umweltschonende Kältemittel R290 (Propan) als Favorit für Wärmepumpen und viele andere kältetechnische Geräte.

Ein Campingkocher, daneben dazugehörige Utensilien.
Quelle: Sandra Harris/Unsplash
Wärmepumpenhersteller suchen nach Alternativen zu herkömmlichen Kältemitteln: Das Kältemittel R290 (Propan) mit einem "Global Warming Potential" (GWP) von 3 beispielsweise ist klimafreundlich, weltweit kostengünstig verfügbar und bewirkt hohe Leistungszahlen. Jedoch sind die Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Wärmepumpen aufgrund der Brennbarkeit des Kältemittels recht umfangreich.

Die "Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase" – kurz: F-Gase-Verordnung – hat gravierende Folgen für alle Arten von kältetechnischen Geräten und Anlagen und damit auch auf den Bestand und den künftigen Einsatz von Wärmepumpen. Entscheidend für die Wahl eines Kältemittels ist seit 2015 der GWP-Wert (Greenhouse Warming Potential bzw. Global Warming Potential), also das Treibhauspotential eines Kältemittels. Der GWP-Wert definiert die mittlere Erwärmungswirkung einer chemischen Verbindung bzw. eines Kältemittels auf die Erdatmosphäre über einen Zeitraum von 100 Jahren im Vergleich zur gleichen Menge an Kohlenstoffdioxid (CO2). Er entspricht also dem CO2-Äquivalent eines chemischen Stoffes. Der ODP-Wert (Ozone Depletion Potential = Ozonabbaupotential) eines Kältemittels ist ein weiterer Kennwert, der die Eigenschaften einer chemischen Verbindung beschreibt. Der dimensionslose ODP-Wert beschreibt den relativen Effekt des Abbaus der Ozonschicht, der durch einen Stoff ausgelöst werden kann. Referenzwert für den ODP-Wert 1 ist die Substanz Trichlorfluormethan, besser bekannt unter der Kältemittelbezeichnung R11. Werte über 1 sind also stärker ozonabbauend, Werte unter 1 weniger ozonabbauend als R11.

Zur Gruppe der ozonabbauenden Stoffe gehören die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und die teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW). Im Zuge des FCKW-Ausstiegs (Montreal Protokoll, September 1987) in den 1990er-Jahren wurden fast alle ozonabbauenden Kältemittel verboten und durch teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) ersetzt. Dabei wurde jedoch das Treibhauspotential dieser Ersatzstoffe unterschätzt. Die stärkere Beachtung der Gesamttreibhausbelastung (Total Equivalent Warming Impact, TEWI) brachte mehr Transparenz in die Zusammenhänge zwischen Kältemittel und Treibhauspotential. Mithilfe dieser Berechnungsmethode ist es möglich, die CO2-äquivalente Treibhausbelastung einer Kälte- bzw. Wärmepumpenanlage über deren Lebenszyklus, inklusive der Sekundäremissionen durch die Bereitstellung der Betriebsenergie, individuell zu beurteilen. Allerdings berücksichtigt der TEWI-Kennwert nur die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt während der Betriebsperiode einer Kälteanlage; die gesamten ökologischen und ökonomischen Aspekte werden dabei nicht betrachtet.

Noch einen Schritt weiter geht die gesamtheitliche Betrachtung von ökologischen und ökonomischen Aspekten, was insbesondere für Hersteller und Investoren immer wichtiger wird, um Fehlinvestitionen zu vermeiden. Mithilfe des Bewertungssystems "Ökoeffizienz" wird neben rein ökologischen Kriterien auch die ökonomische Leistungsfähigkeit einer Technologie mit einbezogen. Dazu zählen unter anderem die gesamten Umweltlasten, zum Beispiel direkte und indirekte Emissionen, die Investitionssumme, die Betriebs- und Entsorgungskosten sowie die Kapitalkosten. Diese Betrachtungsweise wird vor allem von den Lebensmittelketten bei der Investition in Supermarkt-Kälteanlagen berücksichtigt. In dieser Branche spielen natürliche Kältemittel eine zunehmend größere Rolle, da deren Einsatz langfristig meist wirtschaftlicher ist.

Natürliche Kältemittel liegen vorn

Seit dem 1. Januar 2015 regelt die F-Gase-Verordnung den Einsatz bzw. die Verwendung von Kältemitteln. Neu ist, dass Kältemittel nicht mehr in Kilogramm, sondern nach ihrem Treibhauspotential GWP gewichtet werden. Bezugspunkt für den vorgesehenen Ausstieg aus Kältemitteln mit hohem GWP ist der Jahresdurchschnitt der Gesamtmenge der in den Jahren 2009 bis 2012 in der EU in Umlauf gebrachten Kältemittel, umgerechnet in CO2-Äquivalent. Durch die im Januar 2015 begonnene schrittweise Reduzierung der zur Verfügung stehenden Menge an HFKW-Kältemitteln in CO2-Äquivalenten will der Gesetzgeber den betroffenen Branchen einen technologieoffenen Umstieg ermöglichen. Ziel ist, das für den Ausgangspunkt berechnete CO2-Äquivalent (= 100 Prozent) bis zum Jahr 2030 auf 21 Prozent zu senken. Darüber hinaus gibt es zusätzliche Kältemittelverbote, beispielsweise für Haushaltskühl- und -gefriergeräte (GWP ≥ 150 ab 2015), für gewerbliche Kühl- und Gefriergeräte (bis 3 kg Füllmenge) und ortsfeste Kälteanlagen (GWP ≥ 2.500 ab 2020 und GWP ≥ 150 ab 2022).

Quelle: Umweltbundesamt
"Phase Down"-Zeitplan der F-Gase-Verordnung: Bis zum Jahr 2030 stehen dem Markt nur noch 21 Prozent der Ausgangsmenge von 2015 in CO2-Äquivalenten zur Verfügung. Hinzu kommen zusätzliche Verbote, in bestimmten Einsatzgebieten weiterhin HFKW-Kältemittel zu verwenden.

Ab 2025 werden zusätzlich Mono-Splitklimageräte mit mehr als 3 kg Kältemittelfüllmenge und einem GWP ≥ 750 verboten. Fachleute gehen davon aus, dass der sogenannte "F-Gase Phase Down" und die damit zusammenhängen-de Verknappung an Kältemitteln mit hohem GWP zu enormen Preissteigerungen und technischen Verwerfungen am Kältemarkt führen werden. Von der Teuerung sind insbesondere Geräte und Anlagen betroffen, die regelmäßig gewartet werden müssen.

Kältemittel für Wärmepumpen im Vergleich

Nach dem Verbot der ozonschädigenden FCKW favorisierten die Hersteller von Wärmepumpen weitgehend sogenannte teilhalogenierte Kältemittel (HFKW). Dabei erwies sich R410A wegen seiner großen volumetrischen Kälte-leistung als ideales Kältemittel für Haus-Wärmepumpen. Wegen des relativ hohen Treibhauspotentials von R410A mit einem GWP-Wert von 2.088 wird dieses Kältemittel im Rahmen des "Phase Downs" nach und nach aus dem Markt gedrängt. Viele Wärmepumpen-Hersteller bevorzugen neuerdings das Kältemittel R32, das sich bereits als Bestandteil vieler Kältemittelgemische bestens bewährt hat. Mit einem GWP-Wert von 675 gilt es jedoch eher als Übergangskältemittel, bis GWP-günstigere Lösungen angeboten werden.

Eine gute und auch verbindliche Übersicht, welche Kältemittel sich künftig für welche Anwendungen eignen, bietet die Empfehlung des "Arbeitskreises Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen" (AMEV) mit dem Titel "Kälte 2017, Hinweise zur Planung, Ausführung und Betrieb von Kälteanlagen und Kühlgeräten für öffentliche Gebäude". Unter der Rubrik "Kältemittel für Neuanlagen" ist dort das Kältemittel R32 nur als "eventuell zukunftssicher" aufgeführt. Dagegen wird das Kältemittel R290 (Propan) mit einem GWP-Wert von 3 im AMEV-Leitfaden als "zukunftssicher" gelistet.

Die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) schließt sich der AMEV-Beurteilung an und warnt gleichzeitig vor möglichen hohen Folgekosten durch Geräte und Anlagen mit hohem GWP. Dabei gehe es nicht allein um höhere Wartungskosten für Hoch-GWP-Anlagen, sondern – zumindest bei Neuanlagen – auch um mögliche Regressforderungen des Bauherrn gegenüber dem Planer. Im DGNB-Bewertungssystem sei es deshalb vorstellbar, dass der Bauherr künftig mit seiner Unterschrift bestätigt, dass er vom Planer über die Kältemittelproblematik und mögliche Folgen auf die Betriebskosten oder die Ökobilanz (Entsorgungskosten) aufgeklärt wurde. Schon heute werden Kälteanlagen bzw. Kältemittel im DGNB-Zertifizierungssystem entsprechend ihres GWP-Wertes bewertet. Positiv eingestuft werden Kältemittel mit einem GWP ≤ 150, das heißt, Wärmepumpen und Kälteanlagen mit dem Kälte-mittel R32 (GWP = 675) werden mit Strafpunkten belastet.

In der DGNB-Schrift "Kostenfalle Kältemittel" weisen die Autoren darauf hin, dass die Handhabung neuer Kältemittel bedeutend anspruchsvoller sein wird und höhere Anforderungen an kältetechnische Komponenten, Dimensionierung und Betrieb stellt. Bereits jetzt sei zu beobachten, dass sich der Markt hin zu den umweltverträglichen, natürlichen Kältemitteln dreht.

Dienstag, 22.09.2020

Von Martin Bauer
Produktmanager Wolf GmbH