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28.11.2016 | Betriebsstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Auf dem Weg zu CO2-Klimaanlagen

Autor:
Christiane Köllner

Die Klimaanlage im Mercedes-Benz S-Klasse Coupé arbeitet ab sofort mit Kohlendioxid. Ist das der entscheidende Impuls für CO 2 als alternatives Kältemittel zu R1234yf?

Mercedes-Benz beginnt mit der Umstellung auf CO2-Klimaanlagen. Den Anfang macht nun das S-Klasse Coupé, wie Daimler bekannt gibt. Weitere S-Klasse-Varianten sollen im Verlauf des Jahres 2017 mit der CO2-Klimaanlage ausgestattet werden. Für die E-Klasse sei eine solche Anlage auch für 2017 geplant.

Damit hat Daimler seine Ankündigung, Serienfahrzeuge mit CO2-Klimaanlagen anzubieten, früher als erwartet umgesetzt. Anfang des Jahres hatte Daimler noch davon gesprochen, ab 2017 für die S- und E-Klasse CO2-Klimaanlagen anbieten zu wollen. Die Stuttgarter machen damit einen entscheidenden Schritt weg vom umstrittenen Kältemittel R1234yf der US-Chemieunternehmen Honeywell und Dupont, das bei Bränden hochgiftige Chemikalien freisetzen kann. 

Nächste Stufe der EU-Richtlinie greift ab 2017

Daimler hatte in der Auseinandersetzung um das Kältemittel R1234yf bereits 2013 angekündigt, sich für die Entwicklung von CO2-Klimaanlagen entschieden zu haben. Auslöser dafür waren Daimler-Tests im Herbst 2012 bei denen R1234yf in Flammen aufging. In der Folge entstand ätzende Flusssäure. Daimler entschied sich deshalb für die Entwicklung der CO2-Alternative. Das alte Kältemittel R134a ist in der EU seit dem Jahr 2011 in neuen Automodellen verboten, da es ozonschädigend ist und damit zur Klimaerwärmung beiträgt. 

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Hintergrund für die Umstellung auf neue Kältemittel ist eine Vorgabe der EU-Kommission (Richtlinie 2006/40/EG) nach der in Pkw-Klimaanlagen ab dem 1. Januar 2017 nur noch Kältemittel mit einem Global Warming Potential (GWP) kleiner als 150 für Neufahrzeuge verwendet werden dürfen. Die beiden Kältemittel R1234yf und R744 (CO2) erfüllen diese Richtlinie.

Argon-Hülle als Hitzeschild

Jedoch ist für Daimler bis zum Stichtag der neuen EU-Richtlinie am 1. Januar 2017 ein flottenweiter Einsatz der CO2-Klimaanlage in Mercedes-Benz-Modellen nicht darstellbar. Daher kommt CO2 erst nur in den Top-Modellen zum Einsatz. In den anderen Modellen wird R1234yf genutzt. So auch in der E-Klasse, die bis Ende 2016 zwar noch über eine erweiterte Typgenehmigung verfügt, die den Einsatz des Kältemitttels 134a erlaubt, danach aber bis zur Umstellung auf CO2 mit R1234yf angeboten wird.

Wo R1234yf aus Mercedes-Sicht nicht zu vermeiden ist, soll ein umfassendes Schutzpaket den erzwungenen Einsatz des Stoffes absichern. Dazu gehört zum Beispiel auch eine speziell entwickelte Schutzeinrichtung, die je nach Fahrzeugkonfiguration verwendet wird. Im Fall eines schweren Frontalaufpralls soll das System dafür sorgen, dass das entstehende Kältemittel-/Luftgemisch im Motorraum von den heißen Motor-Teilen separiert wird und diese zudem sehr wirksam gekühlt werden. Ermöglicht werde dies durch einen Gasgenerator, der Argonschutzgas gezielt an den entsprechenden Heißstellen freisetzt, erklärt Daimler. So könne einer Entflammung entgegen gewirkt werden.

Anpassungen notwendig

Allerdings erfordert auch der Einsatz von CO2 als Kältemittel die Neuentwicklung wesentlicher Komponenten, während das Kältemittel R134a einfach durch R1234yf ersetzt werden kann. CO2-Klimaanlagen arbeiten mit über 100 bar bei einem rund zehnfach höheren Druck als bisherige Systeme. "Die Regelung ist dadurch anspruchsvoller, aber nicht problematisch. Die Leistungszahl (COP, Coefficient of Performance) ist für gemäßigte klimatische Bedingungen gleichwertig, jedoch in heißen und feuchten Klimazonen geringfügig ungünstiger. Dies kann konstruktiv kompensiert werden, da die Komponenten aufgrund der höheren volumetrischen Kälteleistung kompakter bauen", schreibt Dipl.-Ing. Holger Großmann im Artikel Kältemittel R1234yf und CO2 im Vergleich aus der ATZ 10-2016.

Die Einführung des Kühlmittels R744 für Klima-Systeme im Automobilbereich erfordert zudem einen zuverlässigen und kostengünstigen CO2-Sensor. Die Hauptfunktion des Sensors ist die Überwachung des Kühlsystems und im Falle einer Leckage die Meldung eines Fehlers. Einen solchen Sensor haben zum Beispiel Entwickler des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik, der eesy-id GmbH und Infineon Technologies entwickelt, wie sie im Kapitel Photoakustischer Low-Cost CO2-Sensor für Automobilanwendungen aus dem Buch Automobil-Sensorik beschreiben.

CO2-Klimaanlagen: Vorteile für Elektroautos

Die aufwändigen Entwicklungs- und Integrationsschritte lohnen sich aber. Durch ihre besonders schnell verfügbare und hohe Kälteleistung sollen CO2-Klimaanlagen selbst bei sehr heißen Außentemperaturen in kurzer Zeit für ein angenehmes Wohlfühlklima im Fahrzeuginnenraum sorgen. Dazu kommt noch ein weiterer Vorteil – insbesondere für elektrisch betriebene Pkw.

Bei Elektroautos kann die Reichweite im Winter durch die elektrische Beheizung der Kabine um gut 50 Prozent reduziert sein, erklärt Holger Großmann. "Wärmepumpen (WP) können diesen Mangel teilweise ausgleichen, im Fall einer R1234yf-WP jedoch nur bis zu einer Außenlufttemperatur von circa -5 °C. Bei tieferen Werten ist eine elektrische Zusatzheizung erforderlich. Eine R744-WP dagegen arbeitet unterhalb von -5 °C mit einer höheren Heizleistung und ohne Undichtheiten, die bei anderen Systemen durch Unterdruck auftreten können", erklärt Großmann. Sie sei deshalb die bessere Wahl. Bei allen Wärmepumpen mit Umgebungsluft als Wärmequelle könne der Wärmeübertrager im Frontend vereisen, insbesondere durch Gischt und Schneematsch. Hier bestehe Handlungsbedarf. "Meines Erachtens kann R1234yf nur eine vorübergehende Lösung sein", resümiert Großmann.

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