Kältemittel sind Fluide, die in einer Kälteanlage Wärmeenergie transportieren — und zwar gegen das natürliche Temperaturgefälle. Sie nehmen bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme auf und geben sie bei höherer Temperatur und höherem Druck wieder ab. Genau darin unterscheiden sie sich vom Kühlmittel: Ein Kühlmittel kann Wärme nur entlang des Temperaturgradienten weitertransportieren, ein Kältemittel kann sie mit zugeführter Energie (meist Verdichterarbeit) auf ein höheres Temperaturniveau heben.
Die Norm DIN EN 378-1 definiert das Kältemittel als Fluid zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage, das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen. Gemeint ist damit ein Wechsel des Aggregatzustands: Verdampfen und Verflüssigen.
Nomenklatur: Was R-744 und R-290 bedeuten
Die Bezeichnung nach DIN 8960 beginnt mit dem Buchstaben R (für englisch Refrigerant) und einer Ziffernfolge. Bei organischen Kältemitteln der Formel CcHhFfClx gilt: Die erste Ziffer ist um eins kleiner als die Anzahl der Kohlenstoffatome, die zweite um eins größer als die Anzahl der Wasserstoffatome, die dritte entspricht der Anzahl der Fluoratome.
- R-134a ist 1,1,1,2-Tetrafluorethan, ein typisches HFKW-Kältemittel.
- R-744 steht nach dem Schema R-7zz für eine anorganische Verbindung, die letzten beiden Ziffern geben die gerundete Molmasse an: Kohlenstoffdioxid hat 44 g/mol. R-717 mit 17 g/mol ist Ammoniak (NH3).
- Zeotrope Gemische laufen unter R-4xx, azeotrope Gemische unter R-5xx — R-410A und R-404A sind solche Gemische.
Natürliche und synthetische Kältemittel
Natürliche Kältemittel sind Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Wasser und Luft. Synthetische Kältemittel sind FCKW, HFCKW, HFKW und HFO.
- Ammoniak (R-717) hat eine sehr große spezifische Verdampfungsenthalpie und damit eine hohe volumetrische Kälteleistung. Es trägt weder zum Treibhauseffekt noch zum Ozonabbau bei, ist aber giftig und wird deshalb der Sicherheitsgruppe B2 zugeordnet.
- Kohlenstoffdioxid (R-744) gehört zur Sicherheitsgruppe A1, ist nicht brennbar und ungiftig, arbeitet aber auf hohem Druckniveau und teils im überkritischen Bereich.
- Propan (R-290) hat ein GWP von 3 und sehr gute thermodynamische Eigenschaften, ist aber brennbar (A3). Weitere Kohlenwasserstoffe sind Butan (R-600), Isobutan (R-600a) und Ethan (R-170).
- Wasser (R-718) ist klimaneutral und ungiftig, wegen des Gefrierpunkts aber nur oberhalb des Tripelpunkts einsetzbar.
Die klassischen synthetischen Kältemittel der FCKW-Generation (R-11, R-12) hatten ein Ozonabbaupotenzial (ODP) und wurden in den 1990er Jahren durch HFKW ersetzt. Diese haben zwar kein Ozonabbaupotenzial mehr, dafür aber ein erhebliches Treibhauspotenzial: Das häufig verwendete R-404A trägt rund 3.900-mal stärker zum Treibhauseffekt bei als Kohlenstoffdioxid. Seit 2010 kamen Hydrofluorolefine (HFO) wie HFO-1234yf hinzu, deren atmosphärische Lebensdauer nur Tage bis Wochen beträgt.
Umweltkennzahlen: ODP und GWP
Das Ozonabbaupotenzial (ODP) erfasst den Beitrag zum Abbau der Ozonschicht und ist für Trichlorfluormethan (R-11) per Definition gleich 1,0. Das Treibhauspotenzial (GWP) erfasst den Beitrag zum Treibhauseffekt und ist für Kohlenstoffdioxid gleich 1,0.
- CO2 (R-744): GWP 1
- Propan (R-290): GWP 3
- R-32: GWP 675
- R-134a: GWP rund 1.430
- R-410A: GWP rund 2.088
- R-404A: GWP rund 3.900
- FCKW insgesamt: GWP 4.680 bis 10.720
Je höher der GWP, desto stärker fällt eine Leckage ins Gewicht. Die EU-F-Gase-Verordnung verschärft deshalb den Ausstieg aus HFKW stufenweise; die Kfz-Richtlinie 2006/40/EG verlangt für mobile Klimaanlagen bereits ein Kältemittel mit einem GWP unter 150.
Sicherheitsgruppen nach DIN EN 378-1
Kältemittel werden nach Giftigkeit und Brennbarkeit eingeteilt. Der Buchstabe A steht für geringere Giftigkeit (MAK oberhalb 400 ppm), B für größere Giftigkeit (MAK unterhalb 400 ppm). Die Ziffer beschreibt die Brennbarkeit: 1 keine Flammenausbreitung, 2 geringere Brennbarkeit, 2L geringe Brennbarkeit bei einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit unter 10 cm/s, 3 größere Brennbarkeit.
Für die Praxis werden die Gruppen zu L-Gruppen zusammengefasst: L1 enthält A1, L2 enthält B1, A2 und B2, L3 enthält A3 und B3. Je nach L-Gruppe und Aufstellungsbereich schreibt die Norm maximale Füllmengen vor. Beispiele: R-744 ist A1, R-32 ist A2L, R-290 ist A3, R-717 ist B2.
Warum die Wahl des Kältemittels zählt
Das Kältemittel bestimmt Drucklage, Bauteilwerkstoffe, Ölverträglichkeit, Wartungsaufwand und die regulatorischen Pflichten der Anlage. Ammoniak-Anlagen werden wegen des hohen Nenndrucks in PN 25 ausgeführt; CO2-Anlagen arbeiten teils zweistufig mit hohem Druck; Propan-Anlagen punkten mit kleinen Füllmengen und geringem Druckverhältnis, brauchen aber Brandschutzmaßnahmen.
Mehr zur Anlage, in der das Kältemittel zirkuliert, steht in der Kältemaschine und im Kaltdampfprozess. Wer das Prinzip umgekehrt nutzt, heizt mit einer Wärmepumpe. Für die Lieferung von Kälte in Rechenzentren sorgt der Kaltwassersatz.