Mit Kohlendioxid die Umwelt schonen

Published On: 19. Juni 2024By Tags: , , ,

CO2 als Kältemittel – oft die erste Wahl

CO2 ist in aller Munde, zum Großteil aber sehr negativ behaftet. Überall wird die Forderung der Reduzierung der CO2 Emissionen laut. Bei Wärmepumpen mit dem Kältemittel Kohlendioxid (R744) schaut die Welt aber auf einmal ganz anders aus. Dieses gilt als natürliches Kältemittel, wird von unterschiedlichen Programmen stärker gefördert als HFO Kältemittel (https://www.bafa.de/DE/Energie/Energieeffizienz/Klima_Kaeltetechnik/klima_kaeltetechnik_node.html) und unterliegt nicht der Regulierung durch die EU VE 2024/573. CO2 unterscheidet sich jedoch in einigen Punkten von den anderen gebräuchlichen Kältemitteln.

Eigenschaften von CO2

Der GWP-Wert beträgt 1, dies ist selbsterklärend, da CO2 die Grundlage für das Äquivalent ist. Nach DIN EN 378 -1 erfolgt die Einteilung in die Klasse A1; nicht brennbar, geringe Toxität, nur bei hoher Konzentration für den Menschen schädlich. Das Gas ist schwerer als Luft und geruchlos und unsichtbar. Aus thermodynamischer Sicht sind der hoher Wärmeübertragungskoeffizient, ein günstiges Druckverhältnis und eine hohe volumetrische Kälteleistung sehr vorteilhaft. Die Verfügbarkeit dieses Kältemittels ist sichergestellt, aus umweltrelevanter Sicht gibt es keine gesetzlichen Verbote, der Anschaffungspreis für das Gas ist sehr gering, der Einsatz mit einer sehr hohen Reinheit (> 99,995%) ist obligatorisch. Je nach Arbeitsbereich können Drücke bis zu 140 bar auftreten, dies ist bei der Material- und Komponentenwahl sowie der normativ vorgeschriebenen Sicherheitseinrichtungen konstruktiv durch den Hersteller zu lösen und beherrschbar. Der kritische Punkt ist bei 31,1°C und 73,8 bar, aus diesem Grunde wird bei Wärmepumpenanwendung der transkritische Prozess ausgenutzt. Dieser wird nachfolgend im T- s Diagramm erklärt.

Subkritischer und transkritischer Bereich

Bis zu einem Einsatzbereich unter dem kritischen Punkt bewegen wir uns im subkritischen Bereich. Die Darstellung und Einteilung im log p – h Diagramm kann dem Bild 1 entnommen werden. Die links vom kritischen Punkt liegende Kurve zeigt alle Zustandspunkte der siedenden Flüssigkeit auf, die rechts vom kritischen Punkt liegende Kurve zeigt die Dampfzustände. Verbindet man diese beiden Kurven über den kritischen Punkt miteinander, erhält man die Grenzkurve (Glockenkurve) eines Kältemittels. Links von der Grenzkurve ist das Kältemittel flüssig (einphasig), zwischen beiden Grenzkurven liegt ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf (zweiphasig) vor, dies ist der so genannte Nassdampf. Der Dampfanteil wird über die Kurvenlinien in der „Glocke“ angezeigt. Durch eine weitere Enthalpieerhöhung wird die rechte Grenzkurve erlangt, dort hat sich der letzte Flüssigkeitstropfen in Dampf verwandelt, und es liegt einphasiger, trockener, gesättigter Dampf vor. Rechts davon kann durch weitere Wärmezufuhr das Gebiet des überhitzten Dampfes erreicht werden. Der kritische Punkt ist der Gipfelpunkt der Grenzkurve. Dies ist der Punkt, an dem die Gasphase und flüssige Phase des Kältemittels die gleichen Eigenschaften haben; kritische Temperatur, Druck und Volumen fallen im kritischen Punkt zusammen. Oberhalb der kritischen Temperatur oder des kritischen Druckes existiert keine Trennung mehr zwischen Flüssigkeit und Gasphase.

Bild 1: Zustandsgebiete, Grenzkurve und kritischer Punkt im log-p-h-Diagramm (allgemeine Darstellung, kein spezifisches Kältemittel)

Oberhalb des kritischen Punktes bewegen wir uns im transkritischen Bereich, in dem sich das Kältemittel anders verhält. Hier ist zu beachten, dass Druck und Temperatur voneinander unabhängig zu betrachten sind. Der Grundsatz innerhalb des subkritischen Betriebs – niedriger Druck gleich niedrigere Verflüssigungstemperatur ergibt eine bessere Effizienz der Anlage, ist hier nicht mehr gültig. Eine Verflüssigung findet erst statt, wenn man dieses Gas bis in den Nassdampfbereich entspannt. Bild 2 zeigt im log p – h Diagramm, das mit geringerer Austrittstemperatur vom Gaskühler eine höhere Enthalpiedifferenz und somit eine größere Kälte- bzw. Heizleistung erreicht wird.

Bild 2: Indirekter Einfluss der Rücklauftemperatur auf die zur Verfügung stehende Verdampfungsenthalpie und Effizienz der Anlage (Quelle: TLK-Energy)

CO2 Wärmepumpe im T-S Diagramm

Besonders der transkritische Bereich lässt sich im T-S Diagramm deutlich darstellen. Auf der Abszisse wird die Entropie S und auf der Ordinate die Temperatur aufgezeigt. Im Bild 3 ist der Prozess einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe dargestellt. Auf der Verdampferseite wird Kaltwasser von 12 auf 6°C gekühlt und dies als Wärmequelle genutzt. Nach der Verdichtung des Kältemittels auf 120 bar und einer Endtemperatur von 140°C im transkritischen Bereich erfolgt die Wärmeabgabe über einen Gaskühler auf die Heizungswasserseite mit 30°C/90°C.

Bild 3: Darstellung Kältekreislauf im T-S Diagramm (TLK-Energy)

CO2 Wärmepumpen in Wärmenetzen

Wie bereits erläutert ist R744 besonders effizient, wenn eine niedrige Rücklauftemperatur erreicht wird. Die Vorlauftemperatur hat hier einen deutlich geringeren Einfluss. Dies ist ein riesiger Unterschied zu den herkömmlichen Kältemitteln welche subkritisch Betrieben werden (z.B. R1234ze). Um dies zu verdeutlichen, wurden in Tabelle 1 die Leistungszahlen einer Luft-Wasser-Wärmepumpe bei -2°C Umgebungstemperatur gegenüber gestellt. Bei 35°C Rücklauftemperatur und 55°C Vorlauftemperatur ist der COP 2,8, bei 30 K höherer Vorlauftemperatur beträgt er 2,74, die Reduzierung ist minimal.

Bild 4: COP einer kompakten Luft-Wasser-Wärmepumpe bei -2°C Umgebungstemperatur (Advansor A/S)

FAZIT

Immer mehr Hersteller planen R744 als Kältemittel einzusetzen, Betreiber schätzen die Klassifizierung als A1 Kältemittel sowie die Planbarkeit für die Zukunft. Wer heute eine Anlage mit CO2 als Kältemittel installiert, egal ob als Kältemaschine, Wärmepumpe, oder bei gleichzeitiger Nutzung von Kälte und Wärme, ist betreffend einer möglichen Regulierung oder eines möglichen Verbotes betreffend PFAS und/oder GWP Regulierungen auf der  sicheren Seite. Auch bei der Förderung gestaltet sich der Einsatz von R744 als positiv. Weitere Informationen zu dem Thema können dem Beitrag Wärmepumpen für großtechnische Anlagen entnommen werden.

Newsletter
Bleib auf dem neuesten Stand - News & Insights rund um das Thema Wärmepumpe & Co.

Für den Versand unserer Newsletter nutzen wir rapidmail. Mit Ihrer Anmeldung stimmen Sie zu, dass die eingegebenen Daten an rapidmail übermittelt werden. Beachten Sie bitte auch die AGB und Datenschutzbestimmungen.