• Umweltpreis 2007
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Entwicklung einer umweltfreundlichen Klimaanlage mit dem Kältemittel CO2 (Kohlendioxid)

Die Auswirkungen synthetischer Stoffe auf die Erdatmosphäre werden in zunehmendem Maße als problematisch erkannt. Zum Problem werden solche synthetischen Kältemittel insbesondere, wenn sie durch Unfälle, bei der Wartung oder durch Undichtigkeiten der Klimaanlage in die Umwelt gelangen. Die negativen Auswirkungen auf den Treibhauseffekt sind beim FKW-Kältemittel «R134a» 1300-mal höher als bei Kohlendioxid.

Die Ersetzung der bisher verwendeten künstlichen Kältemittel durch den natürlichen Stoff Kohlendioxid bietet eine große Chance im Bereich Klimatisierung und Kühlung. Kohlendioxid wurde als Kältemittel schon Ende des 19. Jahrhundert verwendet, jedoch in langsam laufenden, großen Verdichtern mit unterkritischer Betriebsweise.

Die heutigen schnell laufenden kleinen Fahrzeugverdichter konnten zunächst nicht für dieses Hochdruckkältemittel eingesetzt werden. Hier mussten neue Dichtungen, Öle und Werkstoffe gefunden werden. Die Auslegung der Klimaanlagen auf hohe Drücke ermöglichte den Einsatz des Kältemittels CO₂ auch im überkritischen Druckbereich (größer 73 bar). Diese sogenannte transkritische Betriebsweise eröffnet nunmehr eine ausreichende Leistung und Effizienz beim Betrieb dieser Klimaanlagen bis zu Umgebungstemperaturen von 50°C. Bei unterkritischer Betriebsweise nimmt die Leistung und Effizienz ab Außentemperaturen von 25°C stark ab.

Die transkritische Betriebsweise hat zur Folge, dass im Hochdruckteil keine flüssige Phase des Kältemittels vorhanden ist, sondern nur superkritisches Gas. Dies erforderte eine andere Systemarchitektur. Die Neukonstruktion der Kältemittel führenden Komponenten führten zu kleineren Abmessungen, was den Einsatz in Fahrzeugen ermöglicht. Andererseits stellten die hohen Betriebsdrücke der CO₂ Kälteanlage höchste Ansprüche an die verwendeten Ventile, Verdichter und Wärmetauscher.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Klimaanlagen kann bei der transkritischen CO₂ Anlage durch Kreislaufumkehr (Wärmepumpe) auch geheizt werden. Kohlendioxid hat das größte Heizleistungspotential aller Kältemittel und ist in einem weiten Verdampfungstemperaturbe­reich von +20°C bis –55°C einsatzbereit. Dies erfüllt kein anderes heutiges Kältemittel.

Modellcharakter

Die entwickelten Klimaanlagen und Transportkälteanlagen mit Kohlendioxid wurden auf der IAA ’94 bzw. IAA 98 als weltweit ersten Anlagen dieser neuen Technologie vorgestellt und wenige Jahre später in Fahrzeugen auf der Straße getestet.

Seit Sommer 1996 ist ein Linienbus in Bad Hersfeld mit einer CO₂ Klimaanlage im täglichen Einsatz. Anfang 1997 wurde der zweite Bus in Betrieb gestellt. Diese Busse sind mit mobiler Meßtechnik ausgestattet, um parallel einen Vergleich mit ei­ner R134a-Anlage durchzuführen. Die nunmehr 7jährige Betriebserfahrung und die Auswertung der Feldtests zeigen die gute Eignung von CO₂ als Kältemittel. Aufgrund dieser Erfahrung plant Konvekta die Serienreife von CO₂ Anlagen zu erreichen. Seit August 2002 wird die erste Transportkälteanlage mit CO₂-Kompressionskreislauf bei ALDI eingesetzt. In Zusammenarbeit mit der Firma Volkswagen wurde eine CO₂ Klimaanlage für einen Minibus entwickelt und ausführlich getestet.

Umweltentlastung

Als in den 80er Jahren fest stand, dass das allgemein verwendete Kältemittel FCKW die Ozonschicht der Atmosphäre zerstört, hat Konvekta konsequent die Entwicklung von Klimaanlagen mit einem verträglicherem Kältemittel vorangetrieben. Das Ergebnis war, dass Ende 1989 europaweit die ersten Klimaanlagen mit dem chlorfreien FKW in Produktion gingen. Bis 1992 wurden sämtliche Klimaanlagen des Unternehmens auf R134a umgestellt. Dieses Kältemittel wird auch heute noch weltweit verwendet.

Sehr bald war jedoch klar, dass dieses Kältemittel ein sehr hohes Treibhauspotential besitzt. Als Basis des Global Warming Potential (GWP) wird Kohlendioxid mit dem Faktor 1 angenommen. Das weltweit verwendete Kältemittel R134a hat den Faktor 1.300. Darüber hinaus ist es ein synthetisch hergestelltes Gas, bei dem schädliche Langzeitwirkungen auf die Umwelt nicht ausgeschlossen werden. Es sind Untersuchungen bekannt, die die Aufspaltung dieses Kältemittels in Trifluoressigsäure (TFE) und Flußsäure (HF) in der Atmosphäre beschreiben. Das ätzend wirkende TFE ist nicht oder nur schwer abbaubar, HF ist hoch toxisch und krebserregend. Die optimistische Schätzung der Treibhausgasemissionen durch DG-Environment der European Commission geht von ca. 30 Megatonnen CO₂-Äquivalente durch die Klimaanlagen der über 200 Mio. Fahrzeuge in der EU aus. Etwa 60% davon sind auf direkte Emissionen des heute verwendeten Kältemittels R134a zurückzuführen. Die 30 Mt CO₂ entsprechen etwa 10% der gesamten Treibhausgasemissionen der Fahrzeuge in der EU. Konvekta war sich daher sicher, daß dieses zurzeit verwendete umweltschädigende Kältemittel R134a ersetzt werden muss.

Ein Team unserer Entwicklungsabteilung hat daraufhin 25 mögliche Kältemittel systematisch untersucht, um ein umweltverträgliches Kältemittel herauszufinden. Das Ergebnis nach diesen Kriterien war Kohlendioxid (CO₂), ein natürliches Gas, welches in der Atmosphäre vorkommt und von daher absolut unschädlich ist. Darüber hinaus ist Kohlendioxid ein Abfallprodukt bei der Herstellung technischer Gase und daher weltweit zu einem geringen Preis erhältlich. Für die Verwendung dieses Kältemittels mussten zuvor umfangreiche Untersuchungen durchgeführt werden. Danach stellte sich heraus: CO₂ hat in einer Klima- oder Kälteanlage den fünf- bis sechsfachen Betriebsdruck des jetzigen Kältemittels. Dieser Umstand machte es notwendig, dass alle Komponenten auf diese Einsatzbedingungen neu- oder umzukonstruieren waren. Die Entwicklung wurde mit zwei mittelständischen Herstellern kältetechnischer Komponenten unter Systemführerschaft von Konvekta durchgeführt.

Sonstiges (wie z. B. wirtschaftlicher Erfolg, Literaturhinweise, bisherige Auszeichnungen)

Für diese Entwicklung erhielt Konvekta 1999 im Rahmen des “Förderpreises Innovativer Mittelstand” den Sonderpreis der Hessischen Technologiestiftung, im Jahre 2000 verlieh der Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. (BDI) im Rahmen des Europäischen Wettbewerbs für eine bessere Umwelt Konvekta den 2. Preis für umweltfreundliche Technologien. Von der Europäischen Kommission erhielt Konvekta die Auszeichnung „The Technology Award for Sustainable Development“. Außerdem hat diese Entwicklung dazu geführt, dass wir als eines der weltweiten Projekte auf der Expo 2000 vertreten waren. Durch die Verpflichtung der EU, die Treibhausgasemissionen um 8% zu reduzieren, gewinnt CO₂ als Kältemittel an aktueller Bedeutung. Durch den Ersatz von R134a durch CO₂ nach einer wahrscheinlichen gesetzlichen Reglementierung können Treibhausgasemissionen reduziert werden, ohne Arbeitsplätze in den betroffenen Industrien zu gefährden.

Auf der Basis der Entwicklung einer CO₂-basierten Klimaanlage wurden weitere Innovationen erbracht. Es wurde eine Tiefkühlanlage für den Transport verderblicher Güter mit dem Kältemittel CO₂ entwickelt. Die Entwicklung einer CO₂ Wärmepumpe könnte in Zukunft konventionelle Standheizungen ersetzen. Mit der Entwicklung eines Klimamoduls für Sammelverkehrsmittel ist eine weitere Innovation gelungen, die zur Reduzierung von Schadstoffemissionen und Produktlebenszykluskosten sowie einer Erhöhung des Passagierkomforts und einer Verbesserung von Servicetätigkeiten führt.