Energieeffiziente und umweltfreundliche Temperiertechnik
Im Alltag finden Kohlenwasserstoff-Gase ohne Bedenken vielfach Verwendung, unter anderem in Küchenherden, als umweltfreundliches Autogas oder in den Propangasflaschen von Campingwagen und Grill. Auch in der modernen Temperiertechnik erleben natürliche Kohlenwasserstoffe eine Renaissance, und zwar als umweltschonende Kältemittel – jedoch nicht ohne die Skepsis der Anwender. Warum Vorbehalte gegen Kohlenwasserstoff-Kältemittel in Temperiersystemen unbegründet sind, demonstrieren unsere Temperiergeräte, die seit vielen Jahren mit natürlichen Kältemitteln ausgeliefert werden.
Die Entscheidung für ein Kältemittel in einem Temperiersystem gestaltet sich oft komplex und als ein Kompromiss zwischen verschiedenen Faktoren. Je nach Anwendung müssen unterschiedliche chemische, thermische und physiologische Eigenschaften berücksichtigt werden. Darüber hinaus wird auch der Umwelteinfluss des Arbeitsstoffes für Anwender zunehmend relevanter. Eine ausgezeichnete Energieeffizienz und eine maximale Umweltverträglichkeit bieten derzeit ausschließlich natürliche Kältemittel. Huber Kältemaschinenbau setzt seit vielen Jahren auf umweltschonende Kohlenwasserstoff-Kältemittel in seinen Temperiersystemen und zählt damit zu den Wegbereitern eines dynamisch wachsenden Marktes.
HFKW-Kältemittel
Gegenwärtig werden vor allem HFKW-Kältemittel wie R134a oder die Gemische R507 und R404A in der Kälteindustrie eingesetzt. Bei Tieftemperaturanwendungen haben Fluide wie R404A und R507 aufgrund ihrer hohen volumetrischen Kälteleistung eindeutig Vorteile. In den letzten Jahren sind sie jedoch aufgrund ihres hohen Treibhauspotenzials in die Kritik geraten. Beispielsweise entspricht die Freisetzung von 1 kg R404A in die Atmosphäre einer CO2-Emission von ca. 3,8 Tonnen, die Freisetzung von 1 kg R134a ungefähr 1300 kg CO2. Aus diesem Grund sollen die Verwendung und der Verkauf von HFKW-Stoffen zukünftig weiter begrenzt werden. Dafür präsentierte die Europäische Kommission bereits 2012 einen Vorschlag, der den Verbrauch ab 2015 auf ein Drittel des derzeitigen Niveaus reduzieren soll. Joachim Huber, Vorstand der Peter Huber Kältemaschinenbau AG, sieht in dem angestrebten Phase-Down die Bestätigung, dass mit der stetigen Entwicklung umweltfreundlicher Technologien der richtige Weg eingeschlagen wurde. Die von Huber präferierten natürlichen Kältemittel wie Propan R290 oder Propen R1270 besitzen kein Ozonabbaupotenzial und ein geringes Treibhauspotenzial.
Alternative Kältemittel
Kohlenwasserstoff-Kältemittel wie Propan R290 oder Propylen R1270 haben günstige thermodynamische Eigenschaften, allerdings besteht ein erhöhtes Risiko durch die Entflammbarkeit und Explosionsgefährdung der Stoffe. Bei guter Planung, Installation und fachgemäßem Betrieb einer Anlage sind Bedenken jedoch unnötig, bestätigt die Firma Huber. Kompakte Umwälzkühler (Minichiller®), Umwälzthermostate (Petite Fleur®) oder Kälte-Umwälzthermostate (Ministat®) werden seit vielen Jahren serienmäßig mit dem Kältemittel Propan R290 (mit hohem Reinheitsgrad) ausgestattet. Eingesetzt werden sie unter anderem für Applikationen im Labor. Die Kältemittel-Füllmenge bei diesen Geräten entspricht nur ca. 1-2 Feuerzeugfüllungen. Doch auch bei den leistungsstarken Unistaten, z.B. der 600er-Modellreihe mit Füllmengen über 2 kg, können HFKW-Kältemittel auf Kundenwunsch durch ein natürliches Kältemittel ersetzt werden. Hierbei sind jedoch weitere spezifische Sachkunde und die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften notwendig. Je nach Aufstellungsort und Verwendungszweck kommen zusätzliche Komponenten für Regelung und Sicherheit hinzu. Unter anderem muss eine geeignete Belüftung für den Aufstellungsraum (ggf. Aufstellung im Außenbereich) geschaffen werden. Zusätzlich sind Schutzeinrichtungen gegen eine Drucküberschreitung integriert. Bestimmungen zur Ausführung von Temperiersystemen lassen sich in Normen wie z.B. EN378 oder der BGR500 nachlesen.
Mit der Füllmenge steigen die Sicherheitsanforderungen, das bedeutet wiederum höhere Investitionskosten. Ein Grund für Kunden die synthetischen Kältemittel zu bevorzugen. Was viele Verbraucher dabei nicht einkalkulieren: Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Kohlenwasserstoffen zu deutlichen Energieeinsparungen (bis zu 20 %) und damit zur Senkung der Betriebskosten führt. Nicht direkt monetär spürbar und daher auch wenig beachtet, wird der Energieverbrauch, der für die Herstellung von F-Gasen notwendig und um ein Vielfaches höher ist als für natürliche Kältemittel.
Kältemittel R290 (C3H8-Propan)
Das Kältemittel R290 verfügt über gute Wärmeübertragungswerte und eine günstige Leitfähigkeit. Vorteile von R290 sind u.a. geringe Druckverluste in Rohrleitungen und Wärmetauscher, der niedrige Energiebedarf bei der Verdichtung, die geringere Menge an benötigtem Kältemittel und eine gute Verträglichkeit mit den üblichen Metallen und Elastomeren. Das Betriebsverhalten von Propan R290 ist sogar besser als von R404A, bei geringerer Kältemittelfüllung. Die Entsorgung von R290 gestaltet sich ebenfalls einfacher als bei synthetischen Stoffen. Da es sich bei Propan um einen natürlichen Stoff handelt, kann dieser kontrolliert und mit entsprechenden
Sicherheitsvorkehrungen in die Atmosphäre entlassen werden. Weiterer Vorteil: Propan ist preiswert und in großen Mengen verfügbar.
Energieeffiziente Temperiersysteme
Neben der Wahl des Kältemittels hat vor allem die gesamte Auslegung des
Temperiersystems Einfluss auf den Energieverbrauch. Huber-Produkte kombinieren natürliche Kältemittel mit einem äußerst niedrigen Energiebedarf. Eine ausgefeilte Regelung sorgt für ein möglichst effektives und überschwingungsfreies Erreichen des Sollwertes. Die luftgekühlten Geräte helfen, kostbares Kühlleitungswasser zu sparen. Ein niedriger Kühlwasserverbrauch macht die wassergekühlten Temperiersysteme von Huber ebenfalls äußerst umweltverträglich. Im Vergleich mit anderen Temperiersystemen benötigen sie nur rund ein Drittel der Kühlwassermenge.
Fallstudie Ministat 230
Die Fallstudie des Ministat 230 (Abb. 1), in Verbindung mit einem Syrris „Atlas“ 2-Liter Glasreaktor, zeigt die starke Leistung eines kompakten Gerätes, das mit dem natürlichen Kältemittel R290 ausgestattet ist. Der Ministat deckt einen Temperaturbereich von -40 °C bis +200 °C ab. In diesem Fall wurde als Temperierflüssigkeit Ethanol verwendet. In der Fallstudie wurden die niedrigste erreichbare Temperatur, die Kühl- und Heizgeschwindigkeit des Gerätes sowie das Regelverhalten dokumentiert. Die Fallstudie demonstriert: Der kleine Ministat kühlt den Mantel, bei voller Pumpenleistung, innerhalb von 1 Stunde und 20 Minuten von +20 °C auf -20 °C. Die Grafik (Abb. 2) macht die Präzision und Stabilität des Kühlvorgangs, auch mit natürlichem Kältemittel, deutlich. Bei -20 °C erreicht der Ministat eine Kälteleistung von 0,25 kW.
Aktionsprogramm „Umwelt Plus“
Das 1982 ins Leben gerufene Aktionsprogramm „Umwelt Plus“ kümmert sich bei Huber um alle Belange im Bereich Umweltschutz und forciert die Weiterentwicklung ressourcenschonender Temperiertechnik. Bereits 1993 konnten Kunden mit FCKW-freien Temperiergeräten arbeiten, sieben Jahre vor dem gesetzlich festgelegten Ausstiegstermin. Auch auf die schädlichen H-FCKW wurde bei Huber bereits sechs Jahre vor dem offiziellen Verbot verzichtet. Heute ist das gesamte Produktprogramm mit Kohlenwasserstoff-Kältemitteln verfügbar. Aktuell beschäftigt sich „Umwelt Plus“ mit dem Ausbau der Prozesswärmekopplung. Bei dem Unistat-Hybrid-System werden bereits vorhandene Energieressourcen wie Stickstoff, Dampf oder Kühlwasser mit einem Unistat gekoppelt und zur Temperierung genutzt. Mit diesem „Energierecycling“ können Temperaturen bis zu -125 °C und +425 °C realisiert werden. Auch die Nutzung von alternativen Kältemitteln wird im Rahmen des Aktionsprogramms weiter ausgebaut. Ob Reaktortemperierung, Materialstresstests, Probenvorbereitung oder Temperatursimulation, durch den Einsatz natürlicher Kältemittel wird ein ausgezeichnetes Ergebnis erzielt und zu einer positiven Umweltbilanz beigetragen. Bei der Entscheidung für ein Temperiersystem sollten Anwender bedenken: Ein Temperiersystem ist über mehrere Jahre im Einsatz, in dieser Zeit hat das Kältemittel wesentlich Einfluss auf den Energieverbrauch. Eine auf Nachhaltigkeit ausgelegte Wahl des Kältemittels macht spätere, aufwendige Umrüstungen überflüssig und schützt vor zusätzlichen Investitionen aufgrund neuer Verordnungen und Gesetze. Bei Huber wurden bereits im Jahr 2012 über 90 % aller Geräte mit umweltschonenden Kältemitteln ausgeliefert.
