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Einsatz von Ammoniak als Kältemittel

Laut einer Analyse des Umweltbundesamts aus dem Jahr 2014 hat die Kältetechnik alleine in Deutschland einen Anteil von 14 Prozent am Gesamtenergiebedarf und ist zudem für etwa fünf Prozent der direkten und indirekten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Daher gilt es in Anbetracht nationaler und internationaler Klimaschutzziele, die Klimafreundlichkeit im Bereich der Kältebereitstellung zu erhöhen. Einen wichtigen Beitrag hierzu kann der Einsatz von natürlichen Kältemitteln wie etwa Ammoniak sein.

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Eigenschaften von Ammoniak als Kältemittel

Kältemitteleigenschaften

Ammoniak (NH3) ist ein farbloses, unter Druck verflüssigtes Gas mit stechendem Geruch. Als Kältemittel ist es unter der Bezeichnung R 717 bekannt. Ammoniak wird für die Nutzung im Kälteprozess synthetisch erzeugt, gilt aber als natürliches Kältemittel, da es in den Stoffkreisläufen der Erde vorkommt. Ammoniak hat kein Ozonabbaupotenzial (ODP = 0) und keinen direkten Treibhauseffekt (GWP = 0). Auf Grund der hohen Energieeffizienz ist auch der Beitrag zum indirekten Treibhauseffekt im Vergleich zu anderen Kältemitteln gering.

Ammoniak ist bedingt brennbar. Die erforderliche Zündenergie ist jedoch 50-mal höher als die von Erdgas, und ohne Stützflamme brennt Ammoniak nicht weiter. In Verbindung mit der hohen Affinität von Ammoniak zur Luftfeuchtigkeit hat das zur Einstufung als schwer entzündlich geführt. Ammoniak ist giftig, besitzt aber einen charakteristischen Geruch mit hoher Warnwirkung und ist bereits ab einer Konzentration von 3 mg/m3 in der Luft wahrnehmbar, was bedeutet, dass die Warnwirkung lange vor einer gesundheitsschädlichen Konzentration (> 1.750 mg/m3) eintritt. Ammoniak ist leichter als Luft und steigt deshalb schnell auf.

Tabelle 1: Kältemitteleigenschaften von Ammoniak
Eigenschaften Wert
Ozone Depletion Potential (ODP) 0
Global Warming Potential (GWP) 0
Aussehen farblos
Geruch charakteristisch stechend
Löslichkeit in Wasser (20 °C, 1 bar) 0,517 kg oder 650 l(g)/l Wasser
Lösungswärme 36 kJ/mol
Molmasse 17,03 kg/kmol
Siedepunkt (1,013 bar) -33,3 °C
Dichte des gesättigten Dampfes (20 °C) 6,7025 kg/m3
Thermische Zersetzung > 450 °C
Explosionsgrenzen 15 Vol.-% bis 34 Vol.-% und 108.000 mg/m3 bis 240.000 mg/m3
Zündtemperatur 650 °C
Zündenergie (20 °C, 101 kPa) 14 mJ
Wassergehalt im Kreislauf wenig Bedeutung
Wahrnehmungsgrenze 5 ppm, 3,5 mg/m3
MAK-Wert 50 ppm, 35 mg/m3
Belästigungsschwelle 250 ppm, 175 mg/m3
Erträglichkeitsgrenze 500 bis 1.000 ppm, 350 bis 700 mg/m3
Vergiftungserscheinungen 2.500 ppm, 1.750 mg/m3
Tödliche Konzentration > 5.000 ppm, 3.500 mg/m3
Langzeitwirkung nicht kanzerogen, nicht mutagen
Wassergefährdungsklasse 2, Kenn-Nr. 211
Verdampfungsenthalpie bei 0 °C 1.262 kJ/kg
Dampfdruck bei 0 °C 4,29 bar
Druckverhältnis bei 0 / 35 °C 3,15
Volumetrische Kälteleistung bei 0 / 35 °C 3.798,2 kJ/ m3
Isentrope Kälteleistungszahl bei 0 / 35 °C 6,75
Isentrope Verdichtungsendtemperatur bei 0 / 35 °C 82,6 °C
Wärmeleitfähigkeit des Flüssigkeit bei 0 °C 518,5 * 10-3 W/mK
Kinematische Viskosität der Flüssigkeit bei 0 °C 2,66 * 10-7 m2/s
Wärmeübergang (Verdampfung, Verflüssigung) sehr hoch

Umweltfreundlichkeit

Auch unter Klimaaspekten ist Ammoniak ein ideales Kältemittel, denn es trägt weder zum Abbau der Ozonschicht noch zum Treibhauseffekt bei. Von allen derzeit bekannten Kältemitteln weist Ammoniak auf Grund seiner ausgezeichneten thermodynamischen Eigenschaften den geringsten Primärenergieaufwand zur Erzeugung einer bestimmten Kälteleistung auf und besitzt damit ein sehr geringes indirektes Treibhauspotenzial. Im Vergleich zu anderen Kältemitteln haben Anlagen mit Ammoniak deshalb eine günstigere TEWI-Bilanz (Total Equivalent Warming Impact). Bei dieser Methode werden der direkte Treibhauseffekt, resultierend aus Leckage- und Rückgewinnungsverlusten des Kältemittels, und der indirekte Treibhauseffekt, bezogen auf die in der Lebenszeit der Anlage verbrauchte Energie, addiert.

Tabelle 2: Ozonzerstörungs- und Treibhauspotenzial von Ammoniak im Vergleich zu anderen Kältemitteln
Kältemittel Ozone Depletion Potential (ODP) Global Warming Potential (GWP)
Ammoniak (NH3) 0 0
Kohlendioxid (CO2) 0 1
Kohlenwasserstoffe (Propan C3H8, Butan C4H10) 0 3
Wasser (H2O) 0 0
Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) 1 4680 bis 10720
Teilhalogenierte Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (H-FCKW) 0,02 bis 0,06 76 bis 2270
Per-Fluor-Kohlenwasserstoffe (PFKW) 0 5820 bis 12010
Teilhalogenierte Fluor-Kohlenwasserstoffe (H-FKW) 0 122 bis 14310

Wirtschaftlichkeit

Ammoniak ist jedoch nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch nachhaltig. Im Gegensatz zu synthetischen Kältemitteln ist es ein preisgünstiger Betriebsstoff. Die Preisunterschiede machen sich bei der Erstbefüllung einer Anlage, aber vor allem auch bei Leckageverlusten bemerkbar. Fachleute gehen bei industriellen, verzweigten Kälteanlagen von jährlichen Verlusten von 2 bis 17 Prozent aus, je nach Anlagenalter und -zustand.[1] Neben den hohen Kosten – das H-FKW Kältemittel R 404A ist beispielsweise wesentlich teurer als Ammoniak – stellen die Leckagen von H-FKW natürlich auch eine erhebliche Belastung für das Klima dar.

Bei den Betriebskosten liegen Anlagen mit Ammoniak ebenfalls vorn [2]. Als Gründe sind neben den geringeren Kosten durch Leckagen, der niedrigere Wartungsaufwand sowie der – insbesondere bei industriellen Anlagen – reduzierte Energieverbrauch zu nennen. So zählt Ammoniak zu den effizientesten Kältemitteln überhaupt, was zu niedrigen Energiekosten führt. Hinzu kommt die preisgünstige Entsorgung am Ende der Laufzeit einer Anlage.

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Anwendungsgebiete von Ammoniak als Kältemittel

Natürliche Kältemittel werden bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts für die Kälteerzeugung – vorwiegend bei der Lebensmittelproduktion und -lagerung – eingesetzt [3]. Besonders Ammoniak (NH3) hat sich in der industriellen Kälteerzeugung seit über 120 Jahren bewährt. Allerdings kamen seit den 50er und 60er Jahren des 20. Jahrhunderts die so genannten Sicherheitskältemittel wie zum Beispiel die heute verbotenen FCKW bei Neuanlagen zunehmend zum Einsatz.

Aber gerade auf Grund der Umweltdiskussion um Ozonabbau und Treibhauseffekt gibt es heutzutage wieder einen steigenden Marktanteil bei Ammoniak-Kältetechnik und Unternehmen mit langer Tradition und Erfahrung, die bevorzugt mit Ammoniak arbeiten. Hinzu kommt der Kohlendioxid-Emissionshandel, der die Betreiber dazu zwingt, Energie einzusparen. Viele Anwender setzen deshalb auf Ammoniak-Kälteanlagen.

Ammoniak wird heute in so unterschiedlichen Bereichen wie Prozesskälte, Klimatisierung von Flughäfen, Bürogebäuden und Produktionshallen sowie Sport- und Freizeitanlagen verwendet. Beim Anlagendesign haben sich indirekte Kälteanlagen und Kaskaden beispielsweise mit Kohlendioxid als Tieftemperaturkältemittel durchgesetzt. Der Vorteil: Die Ammoniak-Füllmengen sind gering, die Verteilung der Kälte zu den Verbrauchern erfolgt mittels Kälteträgern wie Kohlendioxid oder Glykolwasser.

Leider gibt es auch negative Aspekte [4], die eine breite Verwendung im Gewerbebereich wesentlich einschränken oder kostspielige, teilweise neu zu entwickelnde technische Lösungen erfordern. Nachteilig bei Ammoniak ist zunächst der hohe Adiabatenexponent (NH3 = 1.31 / R22 = 1,19 / R134a = 1,1), der eine noch deutlich höhere Druckgastemperatur zur Folge hat als bei R22. Einstufige Verdichtung unterliegt dadurch schon unterhalb etwa -10°C Verdampfungstemperatur gewissen Einschränkungen.

Auch die Frage nach geeigneten Schmierstoffen für kleinere Anlagen ist noch nicht für alle Anwendungsbedingungen abschließend gelöst. Die bisher verwendeten Öle sind mit dem Kältemittel nicht löslich. Sie müssen mit aufwändiger Technik abgeschieden werden und schränken auch den Einsatz "trockener Verdampfer" – wegen Beeinträchtigung des Wärmeaustausches – wesentlich ein.

Bedingt durch die hohen Druckgastemperaturen sind auch besondere Anforderungen an die thermische Stabilität der Schmierstoffe zu stellen. Dies gilt besonders unter dem Gesichtspunkt eines automatischen Betriebs, bei dem das Öl jahrelang im Kreislauf verbleiben soll und dabei keinesfalls an Stabilität verlieren darf.

Ammoniak hat eine außerordentlich hohe Enthalpiedifferenz und damit einen vergleichsweise geringen umlaufenden Massenstrom (ca. 13 bis 15% im Vergleich zu R22). Diese für Großanlagen günstige Eigenschaft erschwert die Einspritzregelung bei kleinen Leistungen.

Als weiteres Kriterium ist die korrosive Wirkung gegenüber Kupferwerkstoffen anzusehen; Rohrleitungen müssen deshalb in Stahl ausgeführt werden. Außerdem ist damit auch die Entwicklung Ammoniak-beständiger Motorwicklungen, als Basis für eine halbhermetische Bauweise, wesentlich behindert. Erschwerend hinzu kommt dabei noch die elektrische Leitfähigkeit des Kältemittels bei höherem Feuchtigkeitsanteil.

Zu den weiteren Eigenschaften gehören Toxizität und Brennbarkeit, die besondere Sicherheitsvorschriften für Bau und Betrieb solcher Anlagen erfordern.

Technische Besonderheiten von Ammoniak-Kälteanlagen

Bezogen auf den bisherigen "Stand der Technik" erfordern industrielle Ammoniak-Systeme eine – im Vergleich zu üblichen Gewerbesystemen – völlig andere Anlagentechnik. So sind wegen der Unlöslichkeit mit dem Schmieröl und den spezifischen Eigenschaften des Kältemittels sind effiziente Ölabscheider sowie überflutete Verdampfer mit Schwerkraftumlauf oder Pumpensystem üblich. Wegen möglicher Gefahren für Menschen und Kühlgut kann der Verdampfer auch häufig nicht direkt an der Wärmequelle angeordnet werden. Der Wärmetransport muss dann über einen Sekundärkreislauf erfolgen.

Indem Wasser durch Kupferrohre fließt, die im flüssigen Kältemittel liegen, erzielt ein überfluteter Verdampfer einen optimalen Wärmeübergang und ermöglicht so eine relativ hohe Verdampfungstemperatur. (Grafik: Mitsubishi Electric)
Indem Wasser durch Kupferrohre fließt, die im flüssigen Kältemittel liegen, erzielt ein überfluteter Verdampfer einen optimalen Wärmeübergang und ermöglicht so eine relativ hohe Verdampfungstemperatur. (Grafik: Mitsubishi Electric)

Auf Grund des ungünstigen thermischen Verhaltens müssen schon bei mittleren Druckverhältnissen zweistufige Verdichter oder – bei Schraubenverdichtern – reichlich dimensionierte Ölkühler eingesetzt werden. Kältemittelleitungen, Wärmeaustauscher und Armaturen sind in Stahl auszuführen – Schweißverbindungen bei Rohrleitungen größerer Dimension unterliegen außerdem einer Prüfpflicht durch Sachverständige. In Abhängigkeit von Anlagengröße und Kältemittelfüllmenge sind entsprechende Sicherheitseinrichtungen sowie spezielle Maschinenräume vorzusehen. Der Kälteverdichter wird üblicherweise in "offener Bauart" ausgeführt, der Antriebsmotor ist ein separates Bauteil.

Diese Maßnahmen erhöhen den Aufwand für Ammoniak-Anlagen, insbesondere im Bereich mittlerer und kleinerer Leistungen, ganz beträchtlich. Es werden deshalb weltweit Anstrengungen unternommen, um einfachere Systeme zu entwickeln, die sich auch im Gewerbebereich einsetzen lassen. Ein Teil dieser Entwicklungsprogramme befasst sich mit teillöslichen Schmierstoffen zur verbesserten Ölzirkulation im System. Alternativ hierzu werden auch vereinfachte Methoden für eine automatische Rückführung unlöslicher Öle untersucht. Außerdem haben verschiedene Apparatehersteller spezielle Wärmeübertrager entwickelt, mit denen sich die Kältemittelfüllung beträchtlich reduzieren lässt.

Darüber hinaus gibt es auch Lösungen für eine "Hermetisierung" von Ammoniak-Anlagen. Es handelt sich dabei um kompakte Flüssigkeitskühler mit Füllmengen unter 50 kg, die in einem geschlossenen Container – teilweise mit integrierter Wasservorlage zur Bindung von Ammoniak im Leckagefall – installiert sind. Derartige Kompaktsätze können auch in Bereichen aufgestellt werden, die bisher wegen der Sicherheitsvorschriften nur Anlagen mit Halogen-Kältemitteln vorbehalten waren. Eine Beurteilung über den Einsatz von Ammoniak-Kompakt-Systemen – anstelle von Anlagen mit HFKW-Kältemitteln und konventioneller Technik – ist nur auf individueller Basis unter Berücksichtigung der jeweiligen Anwendung möglich. Aus rein technischer Sicht und unter der Voraussetzung eines akzeptablen Kostenniveaus, wird eine breitere Angebotspalette in absehbarer Zeit zu erwarten sein.

Kältemittel Ammoniak-Dimethylether (R723)

Das Kältemittel Ammoniak-Dimethylether (NH3/ DME) stellt eine Alternative zu Ammoniak dar. Es besteht zu 60 Masseprozent aus Ammoniak (R717) und zu 40 Masseprozent aus Dimethylether (RE170) – einem Treibmittel, das als Kältemittel dem Isobutan ähnlich ist. Als überwiegend anorganisches Kältemittel erhielt es entsprechend der üblichen Kältemittelnomenklatur wegen seiner mittleren Molmasse von 23 kg/kmol die Bezeichnung R723. Dank seines azeotropen Siedeverhaltens lässt sich das Gemisch wie ein Einstoffkältemittel handhaben, das heißt bei der Verdampfung und Kondensation tritt keine Konzentrationsverschiebung auf.

Besonders effektiv lässt sich R723 im kleinen Leistungsbereich bis zu 300 kW anwenden. Denn im Vergleich zu Ammoniak beträgt der umlaufende Volumenstrom der Dampfphase etwa 150 Prozent, wodurch man auch bei kleinen Kälteleistungen zu akzeptablen Rohrleitungsquerschnitten und Strömungsgeschwindigkeiten kommt. Darüber hinaus verfügt Ammoniak-Dimethylether im Vergleich zu Ammoniak über eine größere volumetrische Kälteleistung, sodass sich bei gleicher Füllmenge mit R723 wesentlich größere Kälteleistungen realisieren lassen. So konnte in Kälteanlagen, die zunächst mit Ammoniak und anschließend mit R723 betrieben wurden, eine Verbesserung des COP-Wertes (Coefficient of Performance) von sieben Prozent erzielt werden.

Grundsätzlich können Ammoniak-Kälteanlagen mit R723 gefüllt und betrieben werden. Es ist jedoch immer auf die einzelnen Anwendungen Rücksicht zu nehmen. Die Materialverträglichkeit ist mit NH3 gleich zu setzen. Obwohl unter der Voraussetzung eines minimalen Wassergehalts (< 1000 PPM) im System auch Buntmetalle (z.B. CuNi-Legierungen, Bronzen, Hartlote) potentiell einsetzbar sind, empfiehlt sich dennoch eine Systemausführung entsprechend typischer Ammoniak-Praxis.

Die Umrüstung sollte daher immer mit den einzelnen Komponentenherstellern abgeklärt werden. Die Energieeffizienz des azeotropen Gemischs wird ergänzt durch eine hohe Leistungszahl und eine hohe Öllöslichkeit. Ein großer Vorteil ergibt sich auch durch die um ca. 15 K niedrigere Verdichtungsendtemperatur. Dadurch können Kolbenverdichter sinnvoll einen größeren Temperaturhub erreichen, wodurch ein Einsatz mit luftgekühlten Verflüssigern ermöglicht wird.

Zudem ist R723 umweltfreundlich, preisgünstig und steht in ausreichender Menge zur Verfügung. R723 Anlagen sind seit Jahren in Betrieb. Alle Komponenten sind verfügbar und werden als steckfertige Verflüssigungsätze bzw. Chiller vertrieben. Ein weiterer Vorteil: R723 Kälteanlagen werden von den Behörden wie R717 Anlagen behandelt und erfordern somit keinen höheren sicherheitstechnischen Aufwand. Damit punktet das natürliche Kältemittel bei Planern und Betreibern von Kälteanlagen sowohl mit niedrigen Beschaffungskosten als auch mit Planungs- und Zukunftssicherheit.

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Weitere Kältemittel im Überblick

Quellen:

[1] Palandre, L., Clodic, D., Kuijpers, L.: HCFCs and HFCs emissions from the refrigerating systems for the period 2004–2015, The Earth Technology Forum, Washington DC, April 14 2004.

[2] König, H., Roth, R.: Wirtschaftlichkeitsanalyse für Industrie-Kälteanlagen mit CO2 als Tieftemperaturkältemittel, KI Luft- und Kältetechnik, C. F. Müller-Verlag, Karlsruhe, S. 333–336, Heft 7, 2002.

[3] eurammon-Information Nr. 2: "Das natürliche Kältemittel Ammoniak", Mai 2011

[4] Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH: Kältemittel-Report 18, September 2014

"Experten-Ratgeber: Ammoniak als Kältemittel" wurde am 30.09.2017 das letzte Mal aktualisiert.