Zukunftskältemittel Propan? Mit Sicherheit!

Natürliche Kältemittel mit einem niedrigen Treibhauspotenzial (engl. „Global Warming Potential“, GWP) gewinnen für die Simaka Energie- und Umwelttechnik GmbH seit Jahren an Bedeutung bei der Entwicklung ihrer Wärmepumpen für industrielle Heiz- und Kühlanwendungen. Das Unternehmen im Baden-Württembergischen Argenbühl hat es sich auf die Fahnen geschrieben, für und mit seinen Kunden individuelle Anlagen zu realisieren, die die gesetzlichen Anforderungen hinsichtlich Effizienz, GWP und Wirtschaftlichkeit noch übertreffen. Bei der Wahl der Kältemittel ist insbesondere die F-Gase-Verordnung der EU strenger Taktgeber. Ab dem 1.1.2022 verbietet die EU-Verordnung etwa den Einsatz von Kältemitteln mit einem GWP größer als 1500. Die Schweiz – nur 50 Kilometer vom Simaka-Standort entfernt – gilt bei der Umsetzung der Vorgaben als Vorreiter. Weitere Verschärfungen sind im Hinblick auf die Klimaziele in Zukunft sehr wahrscheinlich.

Vor diesem Hintergrund gilt R290 Propan als zukunftssicher: Mit einem GWP von 3 lässt das Gas herkömmliche Kältemittel mit GWP 1500 und mehr deutlich hinter sich. Der Einsatz von Propan bringt allerdings besondere Herausforderungen mit sich: „Die F-Gase-Verordnung bedeutet in meinen Augen den größten Einschnitt, den es im Zusammenhang mit Kältemittelverboten in den letzten 30 Jahren gegeben hat“, erläutert Simaka-Geschäftsführer Karsten Uitz. „Bisher gab es immer ein Ersatzkältemittel, das den Sicherheitskriterien entsprochen hat. Jetzt kommt man als Kälteanlagenbauer an brennbaren Kältemitteln nicht mehr vorbei und muss damit umgehen können.“ Uitz ist mit seinem Team schon früh in die Thematik eingestiegen. Als eine Schweizer Supermarktkette im Sommer 2020 eine Wärmepumpe mit konstanter Kühlfunktion ausschrieb, die mit dem Kältemittel R290 Propan eine Gesamtleistung von 550 kW erbringen sollte, nahm der studierte Umweltverfahrenstechniker die Herausforderung gerne an.

Energieeffizient bis ins letzte Detail

Die Heiz- und Kühlanlage der Einzelhandelskette ist über den gelöteten Dualplattenwärmetauscher AC1000 von Alfa Laval auf der hydraulischen Seite mit zwei gleichen Kältekreisen verbunden, in denen je 30 Kilogramm Propan für die Kühlung zuständig sind. Durch die Redundanz ist sichergestellt, dass die Anlage beim Ausfall eines Kältekreises auch weiter 50 Prozent der Gesamtleistung erbringt.

R290 Propan punktet nicht nur durch sein minimales GWP, sondern auch mit guter volumetrischer Kälteleistung. Diese hat erheblichen Anteil daran, dass die Wärmepumpe trotz kompakter und damit kostensparender Bauweise die gewünschte Leistung von 550 kW erbringen kann: Der AC1000 Plattenwärmetauscher dient bei vergleichsweise kleiner Standfläche als Verdampfer. Aufgrund seiner asymmetrischen Plattentechnologie und des integrierten Verteilsystems sorgt der AC1000 für eine saubere Kältemittelverteilung bei geringen Druckverlusten. Auf diese Weise ist weniger Pumpenleistung erforderlich, was zusätzlich zu einem energiesparenden Betrieb und damit kleineren CO₂-Fußabdruck beiträgt. Zudem sorgt die Plattenasymmetrie dafür, dass der Wärmetauscher auch bei Teillast eine gute Leistung erbringt. „Bei Alfa Laval finden wir das Know-how, das es bei der Auslegung braucht, damit der Wärmetauscher über alle Leistungsstufen immer optimal funktioniert, auch in Bezug auf die Ölrückführung. Noch dazu bei der sehr engen Temperaturannäherung, mit der wir die Apparate in unseren Anlagen arbeiten lassen, um auch hier keine Kompromisse bezüglich der Effizienz einzugehen“, so Kasten Uitz.

Maßgeschneiderte Kältelösung

Der Einsatz von zwei gesonderten Verflüssigern ermöglicht es den Anlagebetreibern zudem, in beiden Kreisen unterschiedliche Verflüssigungsdrücke zu fahren: Wenn die Austrittstemperatur in dem einen Kältekreis niedriger gehalten wird, ermöglicht dies auf dieser Seite einen niedrigeren Verflüssigungsdruck und damit einen stromsparenderen und effizienteren Betrieb. Gleichzeitig kann der Anlagenbetreiber im anderen Kreis auch höhere Temperaturen etwa für Heizaufgaben nutzen, ohne dafür die gesamte Anlage auf der stromintensiveren höheren Temperatur zu betreiben. Zwei Alfa Laval Economiser optimieren die Energieeffizienz der Anlage zusätzlich.

Maximaler Explosionsschutz

Der Explosionsschutz spielte beim Bau der Anlage eine zentrale Rolle. Die zweimal 30 kg Propan, die in der Anlage im Einsatz sind, liegen weit über den 150 Gramm pro Kreis, die die Norm für Kühlanlagen als Obergrenze vorgibt, um ohne dezidierten Explosionsschutz arbeiten zu können. „Das A und O beim Umgang mit brennbaren Kältemitteln ist, dass auf die eingesetzten Wärmetauscher absolut Verlass ist, und zwar auch auf lange Sicht“, erläutert Uitz. Sollte das Gas an anderer Stelle dennoch austreten, können Gassensoren dies zuverlässig erkennen, und die Anlage wird sofort stromlos geschaltet. Dann würde ein explosionsgeschützter Lüfter das Propan wegblasen. Ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor ist auch der redundante Aufbau der Kältekreise, der die Menge Propan pro Kältekreis halbiert. Dass die Kühlanlage auf dem Dach des Supermarktes installiert ist, ist in jedem Fall von großem Vorteil: Möglicherweise austretendes Gas kann im Notfall in alle Richtungen abgeblasen werden, sodass kein zündfähiges Sauerstoff-Propan-Gemisch entsteht.

„Auf lange Sicht kommt man an brennbaren Kühlmitteln nicht vorbei“

Mittelfristig wird sich Propan trotz mancher Sicherheitsvorbehalte auf dem Markt durchsetzen, dessen ist sich der Simaka-Geschäftsführer sicher: „R290 Propan erlaubt durch seine volumetrische Kälteleistung den Bau von kompakten, effizienten Anlagen. Und das spiegelt sich in den anfallenden Bau- und Betriebskosten wider. Gleichzeitig wird das Kältemittel durch sein niedriges GWP den Anforderungen des Gesetzgebers garantiert auch über das Jahr 2030 hinaus gerecht. Das bedeutet für uns in den kommenden Jahren viele spannende Projekte in enger Partnerschaft mit Alfa Laval.“

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