Kältemitteleinsatz in Bahnklimaanlagen -

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1 >> Hintergrundpapier Nr. 01/2014 Kältemitteleinsatz in Bahnklimaanlagen - auf dem Weg von umweltschonender zu klimaneutraler Klimatisierung Verband der Bahnindustrie in Deutschland (VDB) e.v. Berlin, im März 2014 aktualisiert März

2 Inhalt 1. Einführung 2. Entwicklung der Emission von fluorierten Kältemitteln 3. Umweltschonende Klimatechnologien in Schienenfahrzeugen 4. Anforderungen an Kältemittel und deren Merkmale 5. Umweltauswirkungen durch Klimaanlagen 5.1 Ursachen der Emissionen 5.2 TEWI-Analyse 6. Fazit und Ausblick Quellenverzeichnis 1

3 Die Kernaussagen des Hintergrundpapiers (Argumentationslinie) Der VDB begrüßt die Initiative von Europäischem Parlament und Rat zur Reduzierung des Gebrauchs von F-Gasen mit der Perspektive eines kompletten Ausstiegs. Die Initiative bietet gleichzeitig hinreichend Planungssicherheit für die Industrie. F-Gas-Verordnung Status Quo und Zukunft (Seite 6) Nach Sicht des VDB sollte das Thema Klimatisierung ganzheitlich betrachtet werden: Heute beträgt das Verhältnis von Emissionen (Deutschland) in der Bahnklimatisierung etwa 2% direkt (Kältemittelverlust der Klimaanlage) zu 98 % indirekt (Energieverbrauch der Klimaanlage). Mit der weiteren Verfügbarkeit von grünem Strom wird sich das Verhältnis in Richtung der direkten Emissionen verschieben bei Nutzung von 100% grünem Strom sind indirekte Emissionen nicht mehr relevant. Neben direkten (Leckagen, Handling) sollten auch indirekte (Energieverbrauch) Treibhausgasemissionen in gleicher Weise berücksichtigt werden Vergleichsmethodik: TEWI-Analyse (Seite 13) 2

4 Die Kernaussagen des Hintergrundpapiers sind Die im VDB organisierten Unternehmen der Klimatisierung folgen mehreren Strategien: Kurz- / Mittelfristig - Für klimatisierte Fahrzeuge im Bestand und in der Entwicklung I. Reduzierung indirekter Emissionen durch Verbesserung der Energieeffizienz II. Reduzierung direkter Emissionen durch sorgfältige, dichte Ausführung von Kältemittelkreisläufen, Dichtheitsüberwachung, sauberes Kältemittel-Handling Mittel- / Langfristig - Für klimatisierte Fahrzeuge, die neu konzipiert werden III. Ersatz der F-Gase mit dem Ziel, akzeptable Werte für Energieeffizienz und RAMS / LCC zu erreichen 3

5 1. Einführung Mit Fortschreiten der Industrialisierung in weiten Teilen der Welt werden zunehmend Klima und Umwelt durch den Ausstoß von Treibhausgasen und Schadstoffen belastet. Klimaschädlich wirken hierbei besonders Treibhausgase wie z.b. Kohlenstoffdioxid CO 2, Methan CH 4, Lachgas N 2 O sowie Fluorkohlenwasserstoffe (FKW). Im Zuge des Phase out nach den Festlegungen im Montreal Protokoll (über Stoffe die zum Abbau der Ozonschicht führen) hatten Bahnbetreiber und -industrie bereits deutlich vor den gesetzlichen Fristen alle Anlagen in Schienenfahrzeugen auf fluorierte Kältemittel ohne ODP umgestellt. Allerdings besitzen diese einen aus heutiger Sicht signifikanten GWP- Wert. ODP: Ozone Depletion Potential - Ozonabbaupotential Maßzahl für den relativen Effekt des Abbaus der Ozonschicht Bezugswert Kältemittel R12 = 1 GWP: Global Warming Potential - (relative) Treibhauspotential Maßzahl für den relativen Effekt des Beitrags zum Treibhauseffekt Bezugswert CO 2 = 1 4

6 2. Entwicklung der Emission von fluorierten Kältemitteln Im Jahr 2008 wurden in Deutschland 11,5 Mio. t CO 2 -Äquivalente (CO 2 e ) durch die Emission von fluorierten Kältemitteln ausgestoßen. Hiervon wurden etwa ein Drittel durch mobile Klimaanlagen in Verkehrsmitteln verursacht. 46% 17% 37% 5,4 % 4,6 % 82,2% 2,0 % 0,7 % 2,9 % 1,8 % 0,4 % Kühlcontainer Kühlfahrzeuge See Bus Landwirtschaft Bahn Lkw Pkw Sonstige stationäre Klimaanlagen mobile Klimaanlagen Quelle: Umweltbundesamt, Texte 41/2010 Vom Emissionsanteil dieser mobilen Klimaanlagen stammen 0,4% aus dem Bahnbereich, der größte Anteil mit 82,2 % wird aus Pkw Klimaanlagen emittiert. Der Anteil der direkten Emissionen bezogen auf alle emittierten CO 2 e, die durch Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen erzeugt werden, liegt bei lediglich 0,15 %. 5

7 F-Gas-Verordnung Status Quo und Zukunft Die F-Gas-Verordnung beinhaltet Restriktionen zum Einsatz von Kältemitteln basierend auf deren GWP und hat das Ziel Kältemittel, mit hohem GWP zu substituieren. Die F-Gas-Verordnung EG/517/2014 ersetzt ab die Verordnung EG/842/2006. Ein Verbot der im Bahnbereich verwendeten Kältemittel ist dabei nicht erfolgt. Mit der F-Gas-Verordnung soll eine schrittweise Reduzierung von CO 2 Äquivalenten der in Verkehr gebrachten Kältemittel erreicht werden. Dabei soll bis 2030 eine Reduktion auf 21% der heutigen Menge erfolgen. Bahnanwendungen sind aufgrund ihrer geringen Relevanz weiterhin nicht direkt gesetzgeberisch in der o.a. Verordnung enthalten, allerdings wurde vorausschauend ein sorgfältiger Umgang mit Kältemitteln durch die Bahnindustrie bereits berücksichtigt. Anlagen mit Kältemitteln auf Basis fluorierter Kohlenwasserstoffe, auch Bahnklimaanlagen, werden je nach Füllmenge, Kältemittel und dem sich daraus ergebenden CO 2 -Äquivalent im Abstand von einem Jahr oder einem halben Jahr schriftlich protokolliert auf Dichtigkeit geprüft. 6

8 3. Umweltschonende Klimatechnologien in Schienenfahrzeugen Durch die bahnspezifische Auslegung der Anlagen, die industrielle Fertigung, die konsequente Wartung im Betrieb und die industrielle Entsorgung sind Emissionen von Kältemitteln im Bahnbereich gering. Daraus resultiert ein sehr niedriger Anteil der direkten Emissionen im Verhältnis zu den indirekten Emissionen. Der durch Leckagen erforderliche Ersatz von Kältemitteln verursacht lediglich 0,3% der gesamten Treibhausgasemissionen von Schienenfahrzeugen. Durch die Verwendung von synthetischen Kältemitteln mit hohem energetischen Wirkungsgrad werden der Energieverbrauch und damit die indirekten Emissionen reduziert. Die Bahnindustrie arbeitet intensiv daran, den Energieverbrauch der Systeme weiter zu minimieren, beispielhaft genannt seien Maßnahmen wie: Kälteanlage als Wärmepumpe zum Heizen besetzungsgradabhängige Außenluftversorgung freies Kühlen Wärmerückgewinnung Mit diesen Maßnahmen hat die Bahnindustrie heute Möglichkeiten entwickelt, mit verfügbaren Technologien und Komponenten signifikante Energieverbrauchseffekte zu erreichen. 7

9 Umweltschonende Klimatechnologien in Schienenfahrzeugen Derzeit gibt es Luft (R729) als alternatives Kältemittel, das in Schienenfahrzeugen erprobt ist und seit dem Jahr 2000 im ICE3 eingesetzt wird und inzwischen die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit im Betrieb bestätigt hat. Die Untersuchung weiterer alternativer Technologien ohne synthetische Kältemittel ist zeitlich und finanziell sehr aufwendig und an die Verfügbarkeit entsprechender Komponenten gekoppelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden mittelfristig zur Verfügung stehen. Für den Einsatz alternativer Kältemittel ist in unterschiedlichen Ausprägungen noch Entwicklungsarbeit hingehend der Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz zu leisten. Teilweise fehlt die Langzeiterfahrung im Betrieb. Die Bahnindustrie ist bestrebt, geeignete Kältemittel nach einer erfolgreichen Erprobung anzubieten 8

10 4. Anforderungen an Kältemittel und deren Merkmale Ökologisch kein Ozonzerstörungspotenzial (ODP = 0) und niedriger GWP-Wert Thermisch hohe volumetrische Kälteleistung (mit Kältemittel unter Arbeitsbedingungen je m 3 angesaugtem Dampf zugeordnete Kälteerzeugung), guter Wärmeübergang, niedrige Drucklage Chemisch zustandsstabil, nicht brennbar und nicht baustoffschädigend Physiologisch keine Toxizität oder gesundheitsgefährdende Wirkung Kommerziell verfügbar und preiswert, in der öffentlichen Wahrnehmung akzeptiert, einfache Ausführung des Kältemittelkreises (z.b. kein Sekundärkreislauf notwendig) Zukunftssicher 9

11 Übersicht der im Einsatz befindlichen Kältemittel Merkmale Ökologisch Thermisch Chemisch Physiologisch Kommerzielle Bedeutung in Klimaanlagen Ideale Eigenschaften Kältemittel R-134a (HFKW) R-407C (HFKW) Niedriger GWP- Wert (< 150), OPD = 0 R-744 (CO 2 ) GWP = 1 ODP = 0 R-1234yf (HFKW) Hohe Kälteleistung, Guter Wärmeübergang, Niedrige Drucklagen Zustandsstabil, nicht brennbar und baustoffschädigend Keine Toxizität, keine Gesundheitsgefährdung (MAK-Wert in ppm) GWP = 1430 ODP = 0 MAK = 1000 Kaum toxisch GWP = 1800 ODP = 0 MAK = 1000 Kaum toxisch GWP = 4 ODP = 0 R-729 (Luft) GWP = 0 ODP = 0 Max. Druckniveau von ca. 120bar Geringe Wärmekapazität, Temperaturgleit Brennbar und baustoffschädigend bei Temperaturen > 400 C MAK = 5000 Gesundheitlich unbedenklich MAK = 500 Bei Austritt und Entflammung toxisch Gesundheitlich völlig unbedenklich Hohe Verfügbarkeit, Niedriger Preis, Große Verbreitung und keine gesetzgeberischen Limitationen Gut verfügbar, weit verbreitet, preiswert Sehr weit verbreitet (Pkw, Bus, Bahn, Industrie) Ab 2017 für PKW-Neufahrzeuge nicht mehr zugelassen A1 Klassifizierung nach EN378, synthetisches KM Hoher Aufwand für Handhabung wegen Fraktionierung Verbreitet in Bahn, Gewerbe und Industrie Mittelfristiges Verbot wegen hohen GWP-Werts möglich A1 Klassifizierung nach EN378, synthetisches KM Hohes Druckniveau (> 100bar) Anwendung in Gewerbe und Industrie für Tiefkühlung keine Serienanwendung im Bahnbereich Zukunftssicher A1 Klassifizierung nach EN378, natürliches KM Brennbar! Ersatzstoff für R-134a in vielen Branchen, insbesondere bei PKW A2 Klassifizierung nach EN378, synthetisches KM Höhere Investitionskosten Einsatz in ICE-3-Zügen, Flugzeugen sowie bei Tieftemperaturprozessen Zukunftssicher A1 Klassifizierung nach EN378, natürliches KM Heute verwendete Kältemittel Alternative Kältemittel 10

12 5. Umweltauswirkungen durch Klimaanlagen 5.1. Ursachen der Emissionen Klimaanlagen können die Umwelt aus zwei Gründen belasten: Emissionsart direkt indirekt Ursache Kältemittelverlust der Klimaanlage durch: Diffusion Beschädigungen der Anlage Unsachgemäßer Fertigung, Wartung und Entsorgung Recyclingverluste Energieverbrauch ca. 0,57 kg CO 2 pro kwh im DB- Energiemix (Stand 2012) Reduzierungsmöglichkeiten Einkapselung des Kältemittelkreislaufs Verwendung eines klimaneutralen Kältemittels (Luft) Umsetzung der regelmäßigen Wartung Verwendung eines klimaneutralen Kältemittels Effizienzsteigerung beim Recycling Minimierung des Energieverbrauchs durch Reduzierung der thermischen Lasten Effizienzsteigerung der Klimaanlage Um die Umweltwirkung einer Klimaanlage vor ihrem Betrieb zu bewerten, gibt es ein standardisiertes Berechnungsverfahren die TEWI-Analyse 11

13 5.2. Vergleichsmethodik: TEWI-Analyse TEWI-Analyse (Total Equivalent Warming Impact) ist eine Berechnungsmethode, um Auswirkungen einer Klimaanlage auf den Treibhauseffekt individuell für verschiedene Konzepte beurteilen zu können. Kältemittelemission direkt GWP x L x n Kältemittelemission Recycling T E W I = + + GWP x m x (1-a) Energiebedarf Klimaanlage n x E Betr. x b Bezeichnung der Formelbuchstaben: GWP Treibhauspotenzial [CO 2 Äquivalente] L Leckrate pro Jahr [kg] n Betriebszeit der Anlage [in Betriebsjahren] m Anlagenfüllgewicht [kg] a Recycling-Faktor* [-] E betr. Energiebedarf pro Jahr [kwh] b CO 2 Emission pro kwh [kg] Das Ergebnis der TEWI-Analyse ist ein äquivalenter CO 2 -Ausstoß zur Vergleichbarkeit verschiedener Klimatisierungskonzepte. * Werte für den Recycling-Verlust festgelegt durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle 12

14 TEWI-Analyse konkret CO 2 -Emission von Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen am Beispiel von R-134a (HFKW) Kältemittelemission direkt 1430 x 0,42 x 30 Kältemittelemission Recycling x 14 x (1-0,95 (I) ) Energiebedarf Klimaanlage (II) x 0,574 (III) x 30 (IV) = Gesamt CO 2 -Equivalent pro Klimaanlage kg direkte Emissionen indirekte Emissionen 1,67 % 98,33 % I II III IV Annahme: 95% Der angegebene Strombedarf berücksichtigt bereits die zu Grunde gelegte durchschnittliche Betriebsdauer von 14h / Tag Bezogen auf den Strommix der Deutschen Bahn, 2012 Berechnet für eine Betriebszeit von 30 Jahren Die Optimierung der Energieeffizienz der Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen stellt einen wesentlich größeren Hebel als die Reduktion der Kältemittelemissionen dar. 13

15 6. Fazit und Ausblick Um die Klimarelevanz verschiedener Technologien zu bewerten, ist die Summe der durch die Klimatisierung bedingten direkten und indirekten Emissionen des Kältemittels zu betrachten! Neben der Umweltverträglichkeit der Kältemittel bleibt der Energieverbrauch von Klimaanlagen selbst ein noch stärkerer Hebel für einen umweltfreundlicheren Verkehr. Durch zunehmenden Einsatz von ökologisch erzeugtem Strom für den Betrieb von Zügen kommt es zu einer Reduzierung des CO 2 -Äquivalents des Bahnstrommix. Damit verbunden ist eine weitere deutliche Senkung der indirekten Emissionen bei Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen. Die Bahnindustrie verfügt über breite Auswahl von Möglichkeiten der umweltverträglichen Gestaltung von Klimaanlagen, um den verschiedenen Anforderungen optimal zu begegnen. Die Herausforderung besteht darin, den Markt dafür zu sensibilisieren, dass emissionsarme Klimatechnologie Made in Germany möglich ist! 14

16 Quellenverzeichnis ADAC: Mobilität in Deutschland. Ausgewählte Ergebnisse, [ ] ALBA: Der Nahverkehr, Heft 10/2011 Umweltfreundliche und funktionale Klimatisierung von Bussen AMEV: Planung, Ausführung und Betrieb der Kälteanlagen in öffentlichen Gebäuden [ ] BITZER: Kältemittel-Report [ ] DEUTSCHE BAHN: Geschäftsbericht DEUTSCHER BUNDESTAG: Drucksache 7/2837, 09/ EUROPÄISCHE KOMMISION: The analysis of the emissions of fluorinated greenhouse gases from refrigeration and air conditioning equipment used in the transport sector other than road transport and options for reducing these emissions. [ ] KRAFTFAHRTBUNDESAMT: Jahresbilanz des Fahrzeugbestandes am 1. Januar node.html? nnn=true#rechts [ ] KRAFTFAHRTBUNDESAMT: Der Fahrzeugbestand im Überblick am 1. Januar b ueberblick pdf,templateid=raw,property=publicationfile.pdf/2012_b_ueberbli ck_pdf.pdf PRO KLIMA: Effiziente Autoklimaanlagen mit natürlichen Kältemitteln, [ ] 15

17 Quellenverzeichnis SINTEF Energy Research: Umkehrbare R744- (CO 2 ) Klimaanlagen für Schienenfahrzeuge, [ ] STATISTISCHES BUNDESAMT: blob=publicationfile UMWELTBUNDESAMT: Fluorierte Treibhausgase vermeiden Wege zum Ausstieg [ ] UMWELTBUNDESAMT: Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissionen des deutschen Strommix, [ ] UMWELTBUNDESAMT: EU-Richtlinie 2006/40/EG, [ ] UMWELTBUNDESAMT: Halogenierte Kältemittel. Climate Change 09/ UMWELTBUNDESAMT: Durchschnittlicher Kraftstoffverbrauch von PKW/ Kombi UMWELTBUNDESAMT: Emissionen fluorierter Treibhausgase in Deutschland 2008, UBA-Texte 41/2010 UNEP: TEAP 2010 PROGRESS REPORT [ ] VDB: Politikbrief , [ ] ANMERKUNG zum Recycling-Faktor (TEWI-Analyse): gilt nur für Fahrzeuge in Europa (EU27); begründet durch fachgerechte Entsorgung durch Betreiber 16

18 Verband der Bahnindustrie in Deutschland (VDB) e.v. Mit exzellenten und wirtschaftlichen Bahnsystemen für mehr nachhaltigen Verkehr auf der Schiene Dan Woywod +49 (0)