Hintergrundinformation

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1 Hintergrundinformation Quo vadis R-404A? Die Suche nach Alternativen aus der Sicht eines Herstellers. In einem gemeinsamen Projekt haben die Firmen Weiss Umwelttechnik und Chemours Ersatzkältemittel für R-404A in anspruchsvollen Umweltsimulationsanlagen getestet. Dabei wurde nach aufwendigen und beanspruchenden Kriterien getestet und bewertet. Im Ergebnis hat sich derzeit vor allem XP44 (R-452A) als optimale technische Lösung hervorgetan und das anspruchsvolle Leistungsprofil erfüllt. Um den ökologischen Fußabdruck der Anlagen weiter zu senken, wird auch der Einsatz von XP40 (R-449A) interessant sein. Kontakt Andrea Bodenhagen Marketingleiterin Weiss Technik Unternehmen Greizer Straße Reiskirchen Deutschland Tel Die Ausgangssituation Die neue Verordnung (EU) Nr. 517/2014, auch bekannt als F-Gas- Verordnung, verbietet den Einsatz von R-404A in stationären Neuanlagen ab dem 1. Januar Darüber hinaus gilt ab dem gleichen Datum ein Serviceverbot für bestehende Anlagen mit mehr als 10,2 kg Füllmenge mit Frischware (recyceltes oder wiederaufbereitetes Kältemittel darf noch bis 2030 verwendet werden). Darüber hinaus verlangt der Phase-Down aus Annex II die schrittweise Verringerung der Mengen an CO 2-Äquivalenten (Produkt aus GWP und Menge der Kältemittel), um schlussendlich bis 2030 eine Reduzierung um 79 % zu erreichen. Gerade R-404A mit seinem sehr hohen Treibhauspotential (GWP = 3922) wird daher als erstes Kältemittel schon deutlich vor dem eigentlichen Verbot 2020 in den meisten Neu- und Bestandsanlagen ausgetauscht werden müssen. 1 / 10

2 Als führender Hersteller von Anlagen der Umweltsimulation, Stabilitätsund Emissionsprüfung hat Weiss Umwelttechnik diese Problematik früh erkannt. Nahezu alle im Lieferprogramm enthaltenen Systeme für Temperatur-, Klima-, Bewitterungs-, Temperaturschock-, Korrosions- und Langzeitprüfungen arbeiteten in den letzten Jahren mit R-404A als Kältemittel. Die Größen derartiger Anlagen variieren hierbei von Tischgeräten mit Prüfraumvolumina um 20 l bis hin zu befahrbaren Zellen, in denen komplette Antriebsstränge oder LKWs getestet werden können. Die großen Herausforderungen bei der Suche nach einer Alternative für R- 404A in diesen Simulationsanlagen stellen dabei die sehr komplexe Regelung und die hohen Anforderungen an die Anlage dar. Parameter wie Lufttemperatur und Luftfeuchte müssen hochgenau und reproduzierbar abgebildet werden, wobei diese oftmals überlagert sind mit mechanischen Beanspruchungen wie Vibrationen und Strahlungseinflüsse. Temperaturbereiche von - 70 C bis C in einem Raum sind die Grundvoraussetzung um die gängigsten Prüfnormen aus verschiedensten Teilen der Industrie abbilden zu können. Darüber hinaus müssen die Anlagen in der Lage sein, Temperaturen im Prüfraum mit zum Teil mehr als 25 K/min zu verändern und über sehr hohe Regelgüten verfügen, um eine Dosierung der verbauten Kälteleistung bis unter 1 % zu ermöglichen. Hierfür werden umfangreiche und teils komplexe kältetechnische Schaltungen wie kaskadierte Anlagen bei Tieftemperaturprüfungen eingesetzt. Da in Umweltsimulationsanlagen Lebensalterungsprüfungen an Produkten und Komponenten durchgeführt werden, die Prüfgeräte selbst jedoch über 10 Jahre und mehr betriebsbereit sein müssen, unterliegen die eingesetzten Materialien und Konstruktionen besonders hohen Anforderungen. All diese Faktoren machen die Suche nach einem Ersatzkältemittel denkbar komplex und schränken die Auswahl erheblich ein. 2 / 10

3 Die neuen Ersatzkältemittel Mit der oben aufgeführten Herausforderung wandte sich Weiss Umwelttechnik im Rahmen der Chillventa 2014 an Chemours auf der Suche nach dem richtigen Kältemittel, um R-404A in ihren Anlagen zu ersetzen. Erste Tests mit R-407F führten nicht zu dem gewünschten Erfolg. Neben den typischen Problemen mit der viel zu hohen Heißgastemperatur kam es unter bestimmten Bedingungen auch zu Leistungseinbrüchen und unsauberem Verdampfen bei sehr niedrigen Drücken. Pünktlich zur Chillventa hatte Chemours jedoch zwei vielversprechende Alternativen anzubieten, um R-404A auch in anspruchsvollen Anlagen ersetzen zu können: XP40 (R-449A) und XP44 (R-452A). Beide Kältemittel wurden als nicht-brennbare Ersatzkältemittel für R-404A in Neu- und Bestandsanlagen entwickelt. XP40 wird mit einem GWP von 1282 (AR5 1 ) bereits großflächig in stationären Anlagen von Gewerbe und Industrie eingesetzt und hat sich mittlerweile mit tausenden erfolgreich umgestellten Anlagen als favorisiertes HFO-Ersatzkältemittel für R-404A etabliert. XP44 dagegen wurde vornehmlich als Ersatzkältemittel für die Transportkälte entwickelt. Letzteres zeigte jedoch aufgrund seiner günstigeren Eigenschaften auch Potential für andere auf niedrige Heißgastemperaturen angewiesene Spezialanwendungen, wie beispielsweise kleine, hermetisch geschlossene Systeme in der Tiefkühlung. Da der GWP Wert von XP44 mit 1945 (AR5) über dem von XP40 liegt ist eine Weiterentwicklung mit Blick auf die Umweltverträglichkeit gefordert. Tabelle 1: Die neuen Kältemittel Kältemittel XP10 (R-513A) GWP* 573 (631) Brennbarkeit (ISO 817) 1 Anwendungsbereiche Kälte- und Klima (DX und geflutete Systeme) Ersetzt R-134a 1 AR5 = IPCC Assessment Report 5 3 / 10

4 XP40 (R-449A) XP44 (R-452A) YF (R-1234yf) XL40 (R-454A) XL20 (R-454C) XL41 (R-454B) XL55 (R-452B) 1282 (1397) 1945 (2141) <1 (4) 238 (239) 146 (148) 467 (466) 676 (698) 1 Normal- und Tiefkühlung R-404A, 507A, 407A, 407F 1 Transportkühlung R-404A 2L 2L 2L 2L 2L Automobil-Klima & Stationäre Kälte Normal- und Tiefkühlung hermetische Anlagen in Normalund Tiefkühlung Klima- und Wärmepumpen Klima- und Wärmepumpen R-134a R-404A, 507A, 407C R-22, 407C, 404A R-410A R-410A * = IPCC Assessment Report 5 (AR5) Werte. IPCC Assessment Report 4 (AR4) Werte im Rahmen der EU F-Gas Regulierung 517/2014 in Klammern zum Vergleich Mit diesen Informationen und der tatkräftigen Unterstützung von Chemours begann Weiss Umwelttechnik mit der Evaluierung der beiden möglichen Alternativen. Aufgrund der Erfahrungen mit R-407F lag der Fokus dabei zunächst auf XP44 (R-452A). Evaluierung und Anforderungen an die Kältemittel: Im Rahmen der Tests wurden sechs Kriterien, die ein entsprechendes Ersatzkältemittel erfüllen muss, getestet: 1.) Thermodynamik: Die verwendeten Betriebsstoffe wie das Kältemittel sind extremem thermischen Stress ausgesetzt. Die höchste Belastung erfahren Kältemittel beim sogenannten Temperatursprung, einer sofortigen Absenkung der 4 / 10

5 Temperatur im Prüfraum von C auf den Endwert der Anlage. Um den größtmöglichen Effekt zu erzielen, wird das Kältemittel hierzu in den heißen Verdampfer eingespritzt; die Wahl des Fluides ist dementsprechend wichtig. Bei geforderten Temperaturabweichungen im Raum von ± 1 K über einen sehr weiten Temperaturbereich bis 40 C / - 70 C müssen auch Verdampfer mit Längen von mehr als 4 m gleichmäßig beaufschlagt werden. Demzufolge ist ein möglichst geringer Temperaturgleit von Vorteil. Nach eingehenden Prüfungen konnte XP44 (R-452A) ein gutes bis nahezu deckungsgleiches Betriebsverhalten bestätigt werden mit wenig Anpassungsaufwand. Einzig die speicherprogrammierbare Steuerung der Anlagen muss für XP44 (R-452A) angepasst werden. 2.) Umtemperiergeschwindigkeit: Die Umtemperiergeschwindigkeit einer Umweltsimulationsanlage bezieht sich auf den einstellbaren Temperaturbereich des Geräts. Um die Leistungsangaben einzelner Hersteller untereinander vergleichbarer zu machen und einzelne Regelcharakteristika beim Einregeln der jeweiligen Endwerte auszublenden wird gemäß IEC Norm 10 % der oberen bzw. unteren Temperaturbereiche nicht betrachtet. Die Umtemperiergeschwindigkeiten sind hierbei vergleichbar (siehe Abbildung 2). Der Ausgangswert für R-404A liegt bei 6,3 K/min. Nach Umstellung auf XP44 (R-452A) und ohne weitere Optimierungsmaßnahmen liegt der Wert in ersten Versuchen bei 5,8 K/min. Auffallend ist die Verschiebung des Temperaturverlaufs beim Betrieb mit XP44 (R-452A) wodurch tendenziell eine höhere Leistung in höheren Temperaturbereichen zu erwarten ist. Das Betriebsverhalten der Anlagen verschiebt sich demnach etwas, die grundlegenden Leistungsdaten werden nahezu deckungsgleich erreicht werden. Die gemessenen Drücke und Temperaturen zeigen keine Auffälligkeiten. 5 / 10

6 Abbildung 1: Abkühlkurve eines Prototypen mit R-404A und XP44 (R- 452A) Temperatur [ C] Set Point R404A R452A Zeit 55 [min] ) Maximale Wärmelast Die maximale Wärmelast der Geräte bezieht sich wegen der Vielfalt der einzelnen Prüfnormen nicht auf einzelne Temperaturwerte sondern wird zumeist grafisch angegeben. Hierbei wird die maximal einbringbare Wärmelast (z.b. Abwärme durch während der Prüfung betriebene Elektromotoren) über den einstellbaren Temperaturbereich des Geräts angegeben. Der angegebene Wert stellt hierbei das Maximum dar, bei dem die Anlagen noch in der Lage sind die Temperatur im Prüfraum mit der angegebenen Regelgenauigkeit (meist < ± 0.3 K ± 0.5 K) konstant zu halten. Dieser Wert wird direkt vom eingesetzten Kältemittel beeinflusst. Abbildung 3 zeigt die Gegenüberstellung der ermittelten maximalen Wärmelast eines Geräts vor und nach der Umstellung auf XP44 (R-452A). Bei den konnte ebenso eine sehr gute Übereinstimmung der bisherigen Leistungsdaten erzielt werden. Hierzu gehört auch eine gute Reproduzierbarkeit selbst bei Abkühlversuchen aus höheren Temperaturbereichen. Auch hier ist mit einer leichten Leistungssteigerung von XP44 (R-452A) gegenüber R-404A zu rechnen. Wegen der 6 / 10

7 leicht erhöhten Verdichtungsendtemperatur bei sehr hohen Prüfraumtemperaturen begrenzen Sicherheitsorgane die maximale Kühlleistung, um die spezifischen Grenzen der Bauteile einzuhalten. Abbildung 3: Wärmekompensation eines Prototypen mit R-404A und XP44 (R-452A) Live Load [W] R404A R452A Set Point [ C] 4.) Brennbarkeit Bei Umweltsimulationsanlagen steht vor allem die Brennbarkeit der eingesetzten Stoffe im Vordergrund. Bei einem Raum der, wie bei derartigen Anlagen üblich, nahezu von der Umgebung abgeschlossen ist, reichen schon geringe Mengen eines brennbaren Stoffs aus, um ein explosionsfähiges Gemisch im Innern zu bilden. Um kostspielige und technisch komplexe Lösungen zu vermeiden ist daher ein nichtbrennbares Kältemittel vorzuziehen. 5.) Mischbarkeit mit Ölen Durch die sehr kompakte Bauweise der kältetechnischen Installationen ist das Ölmanagement von entscheidender Bedeutung. Die optimierten Rohrquerschnitte stellen bei den aktuell verwendeten Kältemitteln einen sicheren Rückfluss auch beim dauerhaften Betrieb bei Temperaturen 7 / 10

8 unter - 40 C sicher. Eine Verschiebung der Mischungslücken hätte demnach gravierende Folgen für die Dimensionierung und Optimierung der Kältetechnik. Da in allen Versuchen keine Probleme beim Ölmanagement aufgetreten sind, konnten die kältetechnischen Verrohrungen in allen Fällen unverändert übernommen werden. Regelmäßige Analysen der verwendeten Öle bestätigten die Stabilität der eingesetzten Betriebsstoffe im Temperaturbereich. 6.) Verfügbarkeit der verwendeten Kältemittel Für einen weltweit führenden Hersteller von Umweltsimulationsanlagen mit global aufgestelltem Servicenetz ist die Verfügbarkeit der verwendeten Kältemittel von entscheidender Bedeutung. Prüfungen an Prototypen unterliegen in vielen Fällen sehr engen Zeitplänen, ein längerer Geräteausfall kann sehr hohe Kosten zur Folge haben. Aus diesem Grund ist eine kurze Reaktionszeit äußerst wichtig; Ersatzteile und Betriebsstoffe müssen schnell und weltweit verfügbar sein. Zwischenergebnis: Bei den beiden untersuchten Möglichkeiten ergeben sich einige Vorteile der neuen Kältemittel. Bei den beiden untersuchten Möglichkeiten einer Drop-In-Umstellung von R404A Anlagen zeigen sich unterschiedliche Vorteile der beiden Kältemittel in den Bereichen Heißgastemperatur, Temperaturgleit und globale Verfügbarkeit Aufgrund der Entscheidung der Firma Thermoking, ihr gesamtes R-404A Portfolio in der Transportkühlung auf XP44 umzustellen ist die globale Verfügbarkeit von R452A analog zu dem in Europa sehr verbreitetem XP40 (R-449A) gewährleistet. Somit ist bei beiden Ersatzstoffen eine uneingeschränkte Versorgung gesichert. Felderfahrung: 8 / 10

9 Im Frühjahr 2015 wurden die ersten fünf Geräte bei Kunden mit XP44 ausgerüstet. Zwei Anlagen wurden neu gebaut, drei Bestandanlagen wurden von R-404A auf XP44 umgerüstet. Dabei waren keine Umbaumaßnahmen nötig, die Kältemittelumstellung lief in allen Fällen problemlos. Die Anlagen konnten problemlos in Betrieb genommen werden und bis heute fehlerfrei, so dass der Kunde keinerlei Unterschiede im Verhalten seiner Anlage beobachten kann. Seitdem wurden mehr als Prüfstunden mit dem neuen Kältemittel an verschiedensten Geräten, Verdichtern und Anwendungen gefahren. Dabei wurden unter anderem vollhermetische Kompressoren (Hubkolbenverdichter), halbhermetische Kompressoren (Hubkolbenverdichter, 2-6 Zylinder), Schraubenverdichter, Scrollverdichter, zweistufige Verdichter, einstufige Anlagen (- 40 C Endwert) und Kaskadenanlagen (- 70 C Endwert, Vorstufe mit R-404A betrieben) getestet. Überall waren die Ergebnisse mit XP44 sehr positiv. Weitere Tests mit XP40 werden zeigen, mit welchen technischen Modifikationen sich der GWP Wert und damit der ökologische Fußabdruck der Anlage weiter senken lässt. Fazit: Mit XP44 (R-452A) aus dem Hause Chemours hat Weiss Umwelttechnik eine optimale Alternative für ihre R-404A Anlagen gefunden. XP44 erfüllt dabei ohne größere Schwierigkeiten das anspruchsvolle Leistungsprofil in den Anlagen und offenbarte in Laborund Feldtests keinerlei Schwächen. Damit unterstreicht XP44 seinen Ruf als exzellentes Kältemittel für Spezialanwendungen, bei denen besonders niedrige Heißgastemperaturen nötig sind. Längerfristig wird es interessant sein, die Einsetzbarkeit von XP40 (R-449A) mit geringen technischen Modifikationen auch in größerem Maßstab in 9 / 10

10 Anlagen von Weiss Umwelttechnik zu realisieren, um die entsprechenden CO 2-Äquivalente im Rahmen der F-Gase Verordnung EU 517/2014 weiter zu senken. Bisherige Testläufe zeigen sich durchweg positiv. Die Weiss Technik Unternehmen Die Weiss Technik Unternehmen bieten unter dem Slogan - Test it. Heat it. Cool it. Lösungen, die rund um den Globus in Forschung und Entwicklung sowie bei Fertigung und Qualitätssicherung zahlreicher Produkte eingesetzt werden. Unsere Experten sorgen mit mehr als 21 Gesellschaften an 15 Standorten für Ihre optimale Betreuung sowie hohe Betriebssicherheit Ihrer Systeme. Zu den Produkten unter der Marke weisstechnik zählen die Umweltsimulation und Klimatechnik sowie Containmentlösungen. Mit den Prüfsystemen aus dem Bereich Umweltsimulation können verschiedene Umwelteinflüsse rund um den Erdball im Zeitraffer simuliert werden. Das zu prüfende Produkt wird unter realer Belastung auf seine Funktionalität, Qualität, Zuverlässigkeit, Materialbeständigkeit und Lebensdauer untersucht. Die Abmessungen der Prüfeinrichtungen reichen von Laborprüfschränken bis hin zu Test-kammern für Flugzeugkomponenten mit einem Volumen von mehreren hundert Kubikmetern. Die Weiss Technik Unternehmen sind Teil der in Heuchelheim bei Gießen ansässigen Schunk Group. ( Zeichen inkl. Leerzeichen) Bildmaterial: Abdruck honorarfrei. Bitte geben Sie als Quelle Weiss Technik Unternehmen an. Schunk Group Die Schunk Group ist ein international agierender Technologiekonzern mit rund Beschäftigten in 29 Ländern. Das Unternehmen bietet ein breites Produkt- und Leistungsspektrum aus den Bereichen Kohlenstofftechnik und Keramik, Umweltsimulation und Klimatechnik, Sintermetall und Ultraschallschweißen. Die Schunk Group hat 2015 einen Umsatz von 1,065 Mrd. Euro erzielt und damit zum ersten Mal die Milliardenschwelle überschritten. 10 / 10