30. April 2011

Atmosphäre kontra Kältemittel

Klimaanlagen funktionieren durch die Energieumwälzungen beim Kondensieren und Verdampfen von Kältemittel. Dabei sollten weder die Drücke noch die Temperaturen in Bereichen liegen, welche technisch schwierig zu beherrschen sind. Zusätzlich muss die spezifische Verdampfungswärme des Kältemittels möglichst hoch sein, damit nicht zu grosse Volumina gefördert und dadurch die Bauteile zu gross gebaut werden müssen. Aus diesem Grund haben sich die fluorierten und zum Teil eben auch chlorierten Kältemittel lange Zeit durchgesetzt.

Atmosphäre kontra Kältemittel

Bild 1. Während der Kondensator immer als vorderster Wärmetauscher möglichst kühlem Fahrtwind ausgesetzt sein sollte, versteckt sich der Verdampfer irgendwo im Lüftungskasten. Da der vorbeiströmenden Luft Wärmeenergie entzogen wird, ist sie kälter und gibt Kondenswasser ab. An diesem Kondenswasser haften auch Schmutzteile, welche mit der Zeit im Verdampfergehäuse zu faulen beginnen und stinken. Die chemische Reinigung bei der Wartung neutralisiert den Fäulnisprozess, eigentlich müsste der Verdampfer vor dem Abstellen der Anlage getrocknet werden..

VON ANDREAS LERCH

Neben den Anforderungen, welche vor allem an die physikalischen Eigenschaften von Kältemittel gestellt werden, gilt es zu beachten, dass neben der Brennbarkeit und Giftigkeit auch die ökologische Belastung den Rahmen nicht sprengt. Dabei weisen die Kältemittel zwei problematische Eigenschaften auf. Zum einen sind es Treibhausgase und zum andern sind es Gase, welche die Ozonschicht in der Stratosphäre zerstören.
Diese beiden Eigenschaften sind wissenschaftlich erfasst und heissen ODP (Ozone Depletion Potential) = Ozonschichtabbaupotenzial und GWP (Global Warming Potential) = globales Erwärmungspotenzial oder Treibhauspotenzial. Als Bezugsgrösse für das ODP wurde das Kältemittel R-11 willkürlich gewählt. Für das GWP vergleicht man die Stoffe mit Kohlendioxid (CO2 oder R-744). Alle anderen Kältemittel werden in Faktoren zu dieser Basis berechnet und angegeben.

Treibhauseffekt

Die kurzwelligen Lichtstrahlen, welche von der Sonne auf die Erde gesendet werden, durchdringen die Erdatmosphäre und werden von der Erdoberfläche in langwellige Infrarot- oder Wärmestrahlung umgewandelt und zurückgestrahlt (Bild 2). Die Moleküle in der Erdatmosphäre lassen diese langwelligen Strahlen jetzt nicht mehr widerstandslos durch, und es gibt Stoffe, welche die Strahlung mehr bremsen und reflektieren, andere behindern sie weniger. Diese Eigenschaften hängen von den Molekülgrössen, ihren Reflektionseigenschaften und der Verweilzeit in der Atmosphäre ab.
Der Treibhauseffekt ist kein neues Phänomen und nur dank diesem Effekt ist das Leben auf der Erde möglich. Ohne Treibhauseffekt hätten wir auf der Erdoberfläche durchschnittliche Jahrestemperaturen von lebensbedrohlichen -18°C. Da Wasserdampf und Kohlendioxid wichtige Treibhausgase sind, ist es entscheidend, dass diese Immissionswerte nicht zu hoch steigen. Dank des Wasser- und des Kohlenstoffkreislaufes (Bild 3), welche sich vor Jahrmillionen auf der Erde entwickeln konnten, stellte sich ein konstanter Treibhauseffekt ein, und auf der Erde konnte sich ein lebensfähiges Klima entwickeln.
Durch die Verbrennungsvorgänge von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bildet sich zum natürlichen Ausstoss zusätzliches Kohlendioxid und der Gehalt von CO2 in der Luft nimmt seit 150 Jahren stetig zu (Bild 4).

Probleme mit Ozon

Ozon ist grundsätzlich nichts anderes als reiner Sauerstoff. Durch das Zusammenhängen von drei Molekülen entsteht eine aggressive und ätzende Art von Sauerstoff, welche als Zellgift vor allem die Pflanzen und Bäume angreift. Im Sommer hört man im Radio häufig, wo die Ozongrenzwerte überschritten werden. Bodennahes Ozon entsteht vor allem bei hoher Lufttemperatur, starker Sonneneinstrahlung, niedriger Luftfeuchtigkeit und wenig Wind. Vor allem Stickoxide werden unter diesen Umständen chemisch zerlegt und das freiwerdende Sauerstoffatom kann sich mit einem Sauerstoffmolekül zu O3 verbinden.
Einige Kilometer weiter oben, in der Stratosphäre, schützt die sogenannte Ozonschicht vor dem Eindringen der gefährlichen UV-Strahlen. Ozon wirkt hier, in 20 bis 50 km Höhe als Filter. Da die Luftdichte in dieser Höhe nur noch dünn ist, wäre die Ozonschicht der Stratosphäre unter einem Druck, wie er an der Erdoberfläche herrscht, nur 2.5 bis 5.5 mm dick, aber für das Leben auf der Erde sehr wichtig.

Ozonabbau

Werden chlorhaltige Kältemittel in die Atmosphäre entlassen, geht es 15 bis 30 Jahre, bis die Moleküle die Ozonschicht in der Stratosphäre erreichen. Dort erledigen sie jedoch ein zerstörerisches Werk: Die eintretende UV-Strahlung spaltet von den FCKW-Molekülen ein Chlor­atom ab (1 in Bild 6). Relativ rasch wird dieses freie, reaktive Chlor­atom ein Ozonmolekül antreffen (2) und diesem ein Sauerstoffatom entreissen. Die zwei Sauerstoffatome bilden nach wie vor ein Sauerstoffmolekül, haben aber die Filterwirkung für die UV-Strahlung verloren (3). Auf der anderen Seite wandert das Sauerstoff-Chlor-Molekül davon, bis die Verbindung wiederum von UV-Strahlen aufgetrennt wird (4) und der Prozess von vorne beginnt. Die freien Chloratome zerlegen die Ozonmoleküle in der Stratosphäre, dadurch bilden sich sogenannte Ozonlöcher (Bild 5) und die gefährliche UV-Strahlung der Sonne kann ungefiltert auf die Erdoberfläche gelangen. Aus diesen Gründen nehmen die Sonnenbrände und auch die Hautkrebsfälle bei Menschen zu.
Das sind die beiden – eigentlich widersprüchlichen – Ozonprobleme. In der Stratosphäre haben wir zu wenig Ozon, in Erdnähe zu viel.

Kältemittel im Auto

R-12 hat ein ODP von knapp 1 und ein GWP 7100. Kältemittel sollten bei beiden Werten so tief wie möglich liegen. Vor allem das Chlor muss entfernt werden, damit das ODP auf 0 sinkt. Anlagen dürfen mit R-12 noch betrieben, aber nicht mehr gewartet oder nachgefüllt werden. R-12 hat während Jahren in Autos gute Dienste geleistet, ist aber ökologisch bedenklich und musste einem Kältemittel der Gruppe H-FKW, dem R-134a weichen. R-134a weist im molekularen Aufbau kein Chlor mehr auf und hat daher kein ODP, das GWP ist jedoch um den Faktor 1340 höher als das GWP von CO2.
Kältespezialisten und die Automobilindustrie forschen seit Jahren mit R-744, also mit Kohlendioxid, einem Gas, welches der Atmosphäre entnommen werden kann und das nur noch auf den Einsatz in Fahrzeugen wartet. Kompressoren, Leitungen, Expansionsventile und die Wärmetauscher sind an die höheren Druckbelastungen angepasst worden und die Produktion wäre bald startbereit. R-744 hat ein ODP von 0 und ein GWP von 1. Dieses ist aber nicht weiter tragisch, da zum Befüllen der Anlagen das Kältemittel auch wieder der Atmosphäre entnommen wird.

Neues synthetisches Kältemittel

Im Gegenzug ist auch die chemische Industrie aktiv geworden und hat ein Kältemittel entwickelt, welches ähnliche physikalische Eigenschaften aufweist wie R-134a und anlagetechnisch kaum Neuentwicklungen braucht. Ein neues Kältemittel muss es sein, da die EU-Kommission ab diesem Jahr für Anlagen in neuen Modellreihen ein GWP von maximal 150 erlaubt. Das neue Kältemittel nennt sich R-1234yf. Die vorgeschobene 1 bedeutet, dass das Molekül ungesättigt ist, dass also zwischen zwei Kohlenstoffatomen eine Doppelbindung besteht. Die Zahlen 2, 3 und 4 sind nach dem beschriebenen Schlüssel zu entziffern und die angehängten Buchstaben beziehen sich wiederum auf die molekulare Aufbausymmetrie. Da das Molekül kein Chlor enthält, wirkt es sich nicht ozonabbauend aus, das GWP ist mit 4 niedrig und somit kann das Kältemittel durchaus in Betracht gezogen werden. Dass das Treibhauspotenzial so niedrig ist, ergibt sich aus der Zersetzung des Moleküls in der Atmosphäre innerhalb von 12 Tagen.
Es ist bekannt, dass dieses Kältemittel ab 405 °C brennen kann und dass dabei toxische und ätzende Substanzen (Flusssäure) entstehen. Über die Kosten dieses Kältemittels wurden noch keine Angaben gemacht, ebenso herrscht über die Verfügbarkeit momentan noch Unklarheit. Doch einige Fahrzeughersteller stellen sich hinter das chemische Produkt, wohl aus dem Grund, weil an den bestehenden Anlagen wenig abgeändert werden muss. Die Frage, ob dieser Wechsel von einem HKW auf ein anderes HKW sinnvoll ist, wird die Zeit entscheiden.
Verhaltensregeln
Die in den Autos eingesetzten Kältemittel sollen weder toxisch noch brand- oder explosionsgefährlich sein. Durch die hohe Verdampfungsgeschwindigkeit können Spritzer von flüssigem Kältemittel auf der ungeschützten Haut zu Verbrennungen führen. Schutz davor bieten Handschuhe und Schutzbrillen.
Die sauerstoffverdrängende Wirkung von Kältemitteln könnte in unbelüfteten Werkstattgruben zu Sauerstoffmangel und Erstickungserscheinungen führen.

Wartungsarbeiten

Eine regelmässige seriöse Wartung gehört zu einer funktionierenden Autoklimaanlage. Wünschenswert wäre, dass kein Kältemittel verloren geht, doch durch die Schraubverbindungen und die flexiblen Schläuche sind geringe Kältemittelverluste nicht ganz auszuschliessen.
Deshalb ist die regelmässige Dichtheitsprüfung aus ökologischer aber auch aus wirtschaftlicher und kundenorientierter Sicht eine sinnvolle Arbeit, da der Fahrzeughalter sich so ständig einer optimal funktionierenden Klimaanlage erfreuen kann. Wenn durch die regelmässige Wartung keine grossen Reparaturen anfallen, rechnet sich der Wartungsaufwand, und die Ökologie ist dankbar für jedes Molekül Kältemittel, das nicht entweicht.
Wichtig ist bei der Wartungsarbeit die Feststellung ob, und wenn ja wie viel Kältemittel während der vergangenen Periode ausgetreten ist. Die Erfahrung zeigt, ab welcher Menge ein Leck gesucht (und gefunden) werden kann. Obwohl die ersten Fahrzeuge mit dem neuen Kältemittel erst langsam auf den Markt kommen, gibt es bereits sogenannte Bi-Gas-Klimaservice-Geräte, welche für R134a und für R1234yf geeignet sind.
Entsorgung
Aus ökologischen Gründen ist es wichtig, dass das Kältemittel aus Anlagen ausgesonderter Fahrzeuge entnommen wird. Im Ölabscheider der Kältemittelstation wird dem Kältemittel das Kältemittelöl entzogen und das Kältemittel kann wieder eingesetzt werden.
Das Kältemittelöl wird in der Regel speziell entsorgt, da es sich (je nach Kältemittel) heute in der Regel nicht um Mineralöl sondern um Esteröl handelt (R-134a).
Muss Kältemittel entsorgt werden, gibt es die Möglichkeit der Verbrennung (bei Temperaturen über 2000 °C, damit keine gefährlichen Verbindungen entstehen), des primären oder des sekundären Recyclings. Beim Primärrecycling wird sortenreines Kältemittel vom Kältemittelöl befreit, gereinigt und dem Kälteprozess wieder zugeführt. Die Kältemittel sind derart stabile Verbindungen, dass sie sich in ihrer abgeschlossenen Umgebung der Klimaanlagen chemisch nicht verändern.
Beim Sekundärrecycling werden die Verbindungen bei hohen Temperaturen chemisch aufgetrennt, aber nicht verbrannt, sondern in anderer Form wieder zu chemischen Produkten zusammengefügt (Flusssäure, Salzsäure, diverse Salze).

Vorschriften

Die Verordnung zur «Reduktion von Risiken beim Umgang mit bestimmten besonders gefährlichen Stoffen, Zubereitungen und Gegenständen (Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung, ChemRRV)» ist auf der Bundesseite www.admin.ch unter Dokumentation, systematische Sammlung, Sachregister (Buchstabe) C, Chemikalien-Risikoreduktion (SR 814.81) herunterzuladen. Dabei kann entweder eine pdf-Version downgeloadet oder die einzelnen Artikel in der html-Variante studiert werden. Bei der Verwendung des Gesetzestextes über diese Website kann immer die aktuellste Version der Gesetzestexte eingesehen werden (im Moment ist der Stand der Überarbeitung der 1. Februar 2011).
Im Artikel 7, Absatz 1, Buchstabe b ist die Fachbewilligung zum Umgang mit Kältemitteln definiert.
Im Anhang 1.4 sind die ozonschichtabbauenden Stoffe aufgelistet und es ist erwähnt, dass die Herstellung und die Einfuhr dieser Stoffe verboten sind. Natürlich gehören auch die Ausnahmen noch dazu.
Der Anhang 2.10 beschäftigt sich grundsätzlich mit Kältemitteln.
Daneben gibt es noch ver­schie­dene Gesetze, welche sich im Allgemeinen mit Chemikalien beschäftigen (Chemikalien-Gesetz und -Verordnungen). Allgemeine Unfall- und Arbeitsschutzgesetze, Umwelt- und Gewässerschutzgesetze geben Hinweise auf den sorgfältigen und verantwortungsbewussten Umgang mit Kältemitteln.
Pflichtbewusste Werkstattmitarbeiter, welche auch regelmässig Servicearbeiten an Klimaanlagen ausführen und mit Kältemitteln in Berührung kommen, haben einmal die Fachbewilligung für den Umgang mit Kältemitteln erworben. Sie werden sich aber auch immer weiter mit der ökologischen Situation der Kältemittel auseinandersetzen müssen, um zu wissen, welche ökologischen Risiken die gerade aktuellen Kältemittel noch aufweisen.

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