Neuer Schub für R744-Klimaanlagen

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Klimaanlagen gehören heute zur Standardausrüstung. "Die Ausrüstungsrate neuer Pkw mit Klimaanlagen stieg in Deutschland von 25 Prozent (1995), über 80 Prozent (2000) auf heute 98 Prozent", schreibt Gabriele Hoffmann vom Umweltbundesamt in ihrem Artikel Kältemittel für die mobile Klimatisierung aus der ATZ 1/2017. Die in die Atmosphäre freigesetzten Emissionen des Kältemittels R134a, das seit 1991 in Klimaanlagen zum Einsatz kommt, erhöhten sich entsprechend.

Warum wird ein neues Kältemittel benötigt?

Um die Treibhauswirkung zu reduzieren, muss seit dem 1. Januar 2017 in Europa in allen neu zugelassenen Pkw ein Kältemittel verwendet werden, dessen Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) kleiner als 150 ist. "Dieser Wert ist ein relatives Maß für den Beitrag eines Stoffs zum Treibhauseffekt und beschreibt dessen mittlere Erwärmungswirkung über einen Zeitraum von 100 Jahren", erklärt der Zulieferer Mahle, der sich seit vielen Jahren mit Kältemitteln beschäftigt und jetzt eine R744-Klimaanlage entwickelt hat, die 2016 bei Daimler in Serie gegangen ist. CO₂ hat definitionsgemäß ein GWP von 1, das bislang flächendeckend eingesetzte Kältemittel R134a einen Wert von 1.430 (5. IPCC-Bericht, 2013/2014: GWP 1300). Das heißt: Ein Kilogramm des Kältemittels R134a hat auf die Erderwärmung einen Einfluss wie 1,4 Tonnen CO₂, wie Mahle errechnet hat. 

Als Alternative zu R134a wird schon seit einiger Zeit R1234yf eingesetzt, ein synthetisch hergestelltes Kältemittel mit einem GWP von 4 (5. IPCC-Bericht, 2013/2014: GWP <1). Die synthetischen Stoffe R1234yf und R134a ähneln sich hinsichtlich ihrer wichtigen thermodynamischen Eigenschaften. Bei gleicher Kälteleistung ließen sich die Klimaanlagen mit vergleichbarer Effizienz beitreiben, so Mahle. 

Allerdings ist R1234yf umstritten: Bei Unfällen kann sich R1234yf entzünden, dabei entsteht unter anderem ätzende Flusssäure, wie Daimler bei eigenen Tests bereits vor über vier Jahren feststellte. Eine technische Lösung der Stuttgarter soll aber das Risiko des Kältemittels beherrschbar machen. Der Chemiker Andreas Kornath von der Ludwig-Maximilians-Universität in München hat in der Vergangenheit nachgewiesen, dass das Kältemittel R1234yf beim Verbrennen das hochgiftige Carbonylfluorid bilden kann.

R744 ist technologisch anspruchsvoll

Kohlendioxid hingegen ist ein natürlich vorkommender Stoff und unbrennbar. Technisch fällt es als Nebenprodukt in der chemischen Industrie an und ist daher klimaneutral. Kohlendioxid ist in praktisch unbegrenzter Menge und kostengünstig verfügbar.

"Die thermodynamischen Eigenschaften von R744 unterscheiden sich jedoch grundlegend von den bislang eingesetzten, chemischen Alternativen", erklärt Mahle. Der erste Unterschied bestehe in den Drucklagen im Klimasystem: Um effizient arbeiten zu können, bedürfe es auf der Hochdruckseite des Kältekreislaufs, das heißt nach dem Kompressor, Drücken von 60 bis zu 130 bar. Das entspreche dem sechsfachen Druck der bislang eingesetzten Kältemittel. Auf der Niederdruckseite herrschten sogar Drücke, die mit 35 bis 50 bar mehr als zehn Mal höher seien.

Der zweite große Unterschied: Oberhalb von ungefähr 25 Grad Celsius Außentemperatur liege der Kältemitteldruck über dem sogenannten kritischen Punkt, erläutert Mahle. Oberhalb dieser Marke lasse sich ein Gas durch Abkühlen nicht mehr verflüssigen. Im konkreten Fall bedeute das, dass R744 bei diesen Bedingungen durch den im Frontend untergebrachten sogenannten Gaskühler kontinuierlich über die Luft abkühlt.

Neuentwicklung des Kältekreislaufs für R744

Insbesondere die hohen Drücke im System führten zu notwendigen Änderungen und letztlich zu einer kompletten Neuentwicklung des Kältekreislaufs für R744, erklärt Mahle.

Eine besondere Herausforderung sei dabei, die Dichtheit des Kältekreislaufs sicherzustellen. Die geringe Molekülgröße und die hohe CO₂-Permeabilität von konventionellen Polymerschläuchen erforderten den Einsatz von metallischen Dichtungsringen, flexiblen, beschichteten Polymerschläuchen und Edelstahlwellrohrschläuchen auf der Heißgasleitung nach dem Kompressor.

Hinsichtlich der Sicherheit müssen dabei laut Mahle zwei Aspekte berücksichtigt werden:

1. Absicherung des Kältekreislaufs gegen ein Bersten des Systems. Dies geschehe durch eine Hochdruck- und Heißgasregelung über einen Druck-Temperatur-Sensor sowie über Druckbegrenzungsventile auf der Hochdruck- und Niederdruckseite.
2. In Luftkonzentrationen über fünf Prozent führe CO₂ zunächst zu Schwindel und Kopfschmerzen, bei noch höheren Konzentrationen führt es bis zur Bewusstlosigkeit. Aus diesem Grund müsse das System mit einem CO2-Sensor ausgestattet sein, der die Konzentration des Kältemittels in der Fahrgastkabine zu jedem Zeitpunkt misst.

R744 mit Potenzial für Elektrofahrzeuge

Bei einer Anwendung in Elektrofahrzeugen biete R744 den Vorteil, so Mahle, beim Einsatz der Wärmepumpe unter niedrigen Temperaturen die elektrische Zusatzheizung länger zu entlasten. In den Wintermonaten könne R744 somit einen Beitrag zum Energiemanagement und damit zur Erhöhung der Reichweite leisten.

Untersuchungen zeigen, dass sich die Gesamtenergiebilanz von Elektroautos mit thermisch vorkonditionierter Traktionsbatterie im CO₂-Wärmepumpenkreislauf deutlich verbessern lässt, wie Virtual Vehicle und AVL im Artikel Traktionsbatterie als Wärmespeicher im Kältemittelkreis eines Elektrofahrzeugs aus der ATZ 1/2017 beschreiben.