A1-Kältemittel mit niedrigem GWP

TK-Einsatz von R513A im Hotel Königssee

Im Hotel Königssee bei Berchtesgaden wurde das Kältemittel „Opteon XP10“ (R513A), das üblicherweise als Low-GWP-Ersatzkältemittel für R134a in gewerblichen Kälteanlagen im Normalkältebereich (NK) verwendet wird, als R404A-Alternative für eine Tiefkühlanwendung (TK) eingesetzt. In KKA 5/2018 erschien hierzu bereits ein Interview mit den Projektbeteiligten. Nachfolgend werden die technischen Grundlagen erläutert, die zur Entscheidung für den Einsatz des Kältemittels führten.

Umweltgesetze, wie die europäische F-Gas-Verordnung (EC 517/2014) zwingen den Markt dazu, auf Kältemittel mit niedrigerem Treibhauspotenzial (GWP) umzusteigen. Neue Kältemittel bedeuten andere thermodynamische Eigenschaften. Beim Projekt Königssee haben wir alle A1-Kältemittel mit GWP<1500 in Betracht gezogen und diese, basierend auf ihren thermodynamischen Eigenschaften, detailliert untersucht. Besondere Gewichtung legte der Betreiber auf den niedrigsten GWP-Wert, die Sicherheitsklasse des Kältemittels, den COP und die Gesamtkosten im Betrieb der Anlage. Neben den genannten Kriterien sollte das Kältemittel für eine TK-Anwendung mit Verdampfungstemperaturen von -28 °C geeignet sein. Um das festzustellen, haben wir uns zuerst die Siedepunkte der A1-Kältemittel angeschaut. In Tabelle 1 sind die GWP-Werte und die Siedepunkte zusammengestellt.

Wie aus der Tabelle zu entnehmen ist, kommen nur zwei Kältemittel aufgrund der niedrigen GWP-Werte in die nähere Betrachtung: R513A und R450A. Aufgrund der Notwendigkeit der Tiefkühlung und der dadurch resultierenden Verdampfungstemperatur von -28 °C wurde R513A als die beste Option gewählt.

Bei allen genannten A1-Kältemitteln wurde die spezifische Kälteleistung sowie der COP-Wert ermittelt und ein Vergleich zu R404A erstellt. Tabelle 2 zeigt die genaue Übersicht bei der Verflüssigungstemperatur von 40 °C, 0 °C Unterkühlung, 17 K Überhitzung und einer volumetrischen Effizienz von 0,742 bei -28 °C Verdampfungstemperatur. 

Der Einsatz von R513A zeigt einen 10 % höheren COP, niedrigere Heißgastemperatur sowie einen positiven Verdampfungsdruck. Dieses Kältemittel hat eine deutlich höhere Kälteleistung in Vergleich zu R134a und R450A und ca. 40 % weniger Leistung gegenüber R404A (versus 43 % bei R134a und 51 % bei R450A)

Um den Leistungsverlust gegenüber R404A bei Tiefkühlung zu neutralisieren, wurde eine zusätzliche Unterkühlung für die TK-Anwendung angewendet. Dadurch konnte die spezifische Kälteleistung um ca. 33 % erhöht werden, wie im log p/h-Diagramm gezeigt wird.

Durch die zusätzliche Unterkühlung hat sich im Vergleich zu R404A der gesamte COP-Wert deutlich verbessert. Der Effekt der Unterkühlung auf den gesamten COP sowie das Verdichterfördervolumen bei R134a-Alternativen wurde in einer Refprop-Rechnung untersucht und mit R404A ohne Unterkühlung verglichen. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle 3.

Beim Einsatz von R513A in dieser Art von Anlagen hat sich der gesamte COP-Wert um 19 % verbessert. Das Verdichterfördervolumen im Bereich der TK ist vergleichbar mit dem von R404A.

Projektbeispiel

Typische Anwendungen für gewerbliche Kälteanlagen sind Gaststätten, Metzgereien, Bäckereien und ähnliche Betriebe. In diesen Betrieben sind häufig viele Plus-Kühlstellen (NK) und mindestens eine Tiefkühlstelle (TK) mit „Kälte“ zu versorgen. Der Kältebedarf für die NK wird üblicherweise von einem Verbund mit R134a bzw. dessen Nachfolger R450A oder R513A gedeckt. Für die TK werden Verflüssigungssätze mit R404A bzw. dessen Nachfolger R448A oder R449A verwendet.

Die F-Gas-Verordnung gibt eine stetige Reduzierung der zur Verfügung stehenden Kältemittelmenge vor (Phase-down). Die zur Verfügung stehende Menge an Kältemittel wird in CO2-Äquivalenten gemessen. Das CO2-Äquivalent ist die Menge an Kältemittel in kg multipliziert mit dem jeweiligen Erderwärmungspotenzial (GWP) des Kältemittels. EU-weit steht eine bestimmte Menge an CO2-Äquivalenten zur Verfügung. Die aktuell zur Verfügung stehendende Menge wird proportional bis zum einzelnen Kälteanlagenbauer runtergerechnet.

Um Versorgungsengpässe zu vermeiden, muss jeder Kälteanlagenbauer bestrebt sein, Kälteanlagen mit möglichst geringem CO2-Äquivalenten zu errichten. In der Praxis erreicht er das, indem er Kälteanlagen mit niedriger Füllmenge plant und ein Kältemittel mit niedrigem GWP verwendet. Leider stehen diese Ziele im Widerspruch zur oben genannten üblichen Lösung.

Mit R513A steht jetzt ein A1-Kältemittel mit einem niedrigen GWP von 613 zur Verfügung, das auch in der Tiefkühlung verwendet werden kann. Die Verdampfungstemperatur bei 0 bar liegt bei -29,2 °C und somit 3 K tiefer als bei R134a. Wird für eine TK-Kälteanlage die Verdampfungstemperatur auf -28 °C ausgelegt, steht immer noch eine Reserve von 1,2 K zur Verfügung, um sicherzustellen, dass stets Überdruck auf der Niederdruckseite herrscht.

Leider liegt die spezifische Kälteleistung von R513A nur bei ca. 60 % vom R404A. Um diesen Nachteil zu kompensieren, müssten die Verdichter entsprechend größer werden. In den obengenannten typischen Anwendungen ist ein Verbund zur Deckung des NK-Kältebedarfs sowieso vorhanden. Eine weitere Kühlstelle dieses Verbundes wird nun dazu verwendet, die Flüssigkeit der TK-Anlage auf ca. 0 °C zu unterkühlen. Diese Maßnahme hat mehrere positive Effekte. Die spezifische Kälteleistung steigt ungefähr auf das Niveau von R404A ohne Unterkühlung. Der Massenstrom fällt; damit kann die Saugleitung entsprechend kleiner dimensioniert werden. Ein Teil der Unterkühlung kann in Form von Druckverlust in der Flüssigkeitsleitung „verbraucht“ werden. Ein großer Teil des Kältemittels befindet sich in der Flüssigkeitsleitung. Kann die Flüssigkeitsleitung jetzt aufgrund des zulässigen Druckverlustes kleiner dimensioniert werden, kommt es auch zu einer Reduzierung der Kältemittelfüllmenge.

Mit der Unterkühlung wird dem TK-Kreis Wärme auf NK-Niveau entzogen. Dieses Prinzip ist bei Schrauben- oder Scrollverdichtern unter dem Namen Eco-Schaltung bekannt und führt zu einer erheblichen Verbesserung der Effizienz der TK-Anlage.

Zusammenfassung

Die vorgestellte Anlage im Hotel Königssee läuft im zweiten Betriebsjahr störungsfrei und zur Zufriedenheit des Betreibers. Die benötigte Kältemittelmenge ist nur ein Bruchteil der Menge, die für den Betrieb mit einem Einzelaggregat nötig wäre. Das Kältemittel R513A hat einen GWP von 613 und ist in die Klasse A1 (nicht giftig, nicht brennbar) eingestuft. Mit der Unterkühlerschaltung konnte die Effizienz gegenüber einer Standardanlage erheblich gesteigert werden.

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