CO2 Kaltwassersatz: R 744 Kältemaschine in Industrie & Gewerbe

Geht es um die Kühlung von Anlagen und Prozessen, spielt der Klimaschutz eine wichtige Rolle. Das gilt vor allem für die Wahl des Kältemittels. Während konventionelle Medien stark zum Treibhauseffekt beitragen können, punkten natürliche Kältemittel mit besseren Eigenschaften. Ein Beispiel dafür ist CO2 (R 744), das unter anderem in Kaltwassersätzen zum Einsatz kommt. Was einen CO2 Kaltwassersatz auszeichnet, wo die Technik zum Einsatz kommt und auf welche Punkte bei einer R 744 Kältemaschine zu achten ist, darum geht es in den folgenden Abschnitten.

✅ Aktualisiert am: 05.07.2024

Die Themen im Überblick

CO2 Kaltwassersatz zur klimafreundlichen Gewerbekühlung

Die zunehmende Erderwärmung und damit einhergehende klimatische Veränderungen zwingen uns in vielen Bereichen zu besonderer Vorsicht. Wichtig ist es dabei, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren, um den sogenannten Treibhauseffekt nicht weiter zu verstärken. Geht es um die Kühlung von Anlagen und Prozessen, funktioniert das beispielsweise mit natürlichen Kältemitteln. Diese haben ein geringes Treibhauspotenzial (GWP für Global Warming Potential) und sind dazu häufig auch in großen Mengen verfügbar. All das sind Eigenschaften, die auch auf R 744 für Kaltwassersätze zutreffen. Das Gas hat eine lange Tradition in der Kältetechnik und erlebt aktuell eine Renaissance – zumindest im Bereich der Gewerbe- und Industriekühlung.

Schon im 19. Jahrhundert war Kohlendioxid als Kältemittel bekannt

Dass sich das in der Luft vorkommende Kohlendioxid als Fluid in Kältemaschinen einsetzen lässt, ist bereits lange bekannt. Denn schon 1850 wurde das Gas in diesem Zusammenhang erstmals erwähnt. Es findet sich in den Patenten des US-Amerikaners Alexander Twinning und kam damals vor allem in Schiffskältemaschinen, Klimaanlagen und Lebensmittelbetrieben zum Einsatz. Nach der Ablösung durch andere Medien, kam der norwegische Wissenschaftler Gustav Lorentzen erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts darauf zurück, CO2 in Kältemaschinen zu verwenden.

Sehr gute Eigenschaften und große Herausforderungen im Einsatz

Als Kältemittel ist Kohlendioxid grundsätzlich eine gute Wahl. Denn es kommt als Gas in der Natur vor und schadet dem Klima deutlich weniger als andere Medien. Gut sind auch thermodynamische Eigenschaften, wie die hohe volumenstrombezogene Kälteleistung. CO2 für Kältemaschinen hat aber auch Nachteile, die einige Herausforderungen mit sich bringen. Begründen lässt sich das mit der niedrigen kritischen Temperatur. Diese liegt bei 31 Grad Celsius und sorgt dafür, dass die Effizienz bei höheren Außentemperaturen sinkt. Als Hochdruckkältemittel stellt R 744 zudem besondere Anforderungen an die gesamte Anlagentechnik.

Transkritische CO2 Kaltwassersätze sorgen für effiziente Kühlung

Bei CO2 Kältemaschinen sprechen Experten oft von transkritischen Systemen oder Zyklen. Dabei handelt es sich um Kältemittelkreisläufe, bei denen der Druck des Verdichters über dem kritischen Druck des Mediums liegt. Da die Unterschiede zwischen der Flüssig- und der Gasphase hier nicht mehr existieren, lässt sich das Kältemittel nicht mehr wie üblich kondensieren.

Folge dessen ist, dass der eigentlich im Verflüssiger auftretende Phasenwechsel ausbleibt. Zum Einsatz kommen stattdessen Gaskühler, die das Kältemittelgas nach der Wärmeabgabe nicht in die flüssige Phase überführen. Bei der Entspannung entsteht außerdem Dampf, der nachverdichtet und in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt werden muss.

Um die Effizienz der Anlagen zu erhöhen, kommen dabei verschiedene konstruktive Lösungen infrage. Dazu gehören:

• Booster-Gruppen (zusätzliche Verdichter für die Druckerhöhung des Kältemittelgases mit Dampf)
• Parallele Verdichter (direktes Verdichten des entstehenden Dampfes)
• Unterkühler (Absenken der Temperatur nach dem Gaskühler unter die Umgebungstemperatur, um weniger Dampf entstehen zu lassen)
• Auswerfer/Ejektor (Anheben des Drucks in anderen Kältemittelleitungen durch die Ausdehnung nach dem Gaskühler)
• Adiabatische Gas-Kühlung (Reduzieren der einströmenden Luft am Luft-Gaskühler durch Verdunstung von Wasser, um die Temperatur nach dem Gaskühler weiter zu senken)
• Wärmerückgewinnung (Auskopplung von Wärme in andere Prozesse; Vorteil: Hohe Medientemperatur möglich)

Durch den transkritischen Prozess und die dabei vorherrschenden Drücke sind spezielle Lösungen gefragt. Diese führen dazu, dass R 744 Kaltwassersätze bei der Anschaffung häufig kostenintensiver sind. Im laufenden Betrieb sorgen die Lösungen jedoch für eine höhere Effizienz und sinkende Ausgaben.

Eigenschaften, Vorteile und Einsatzbereiche von CO2 als Kältemittel

Kohlendioxid trägt die chemische Bezeichnung CO2. Es ist in der Klima- und Kältetechnik als R 744 bekannt und hat zahlreiche positive Eigenschaften. So ist es nicht ozonschädlich (ODP = 0) und die Treibhauswirkung ist mit einem GWP von eins deutlich unter der von anderen Kältemitteln. Das Gas ist zudem nicht giftig, nicht gewässerschädigend und reaktionsträge. Es brennt nicht und reagiert nicht mit üblichen Werkstoffen von Kälteanlagen. Zu beachten ist allerdings, dass CO2 aus Kaltwassersätzen Sauerstoff verdrängt. Es hat eine narkotisierende Wirkung und kann bei höheren Konzentrationen zum Ersticken führen.
Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Eigenschaften von Propan als natürliches Kältemittel:

Die wichtigsten Vorteile und Nachteile von R 744 für Kältemaschinen

Bei CO2 handelt es sich um einen natürlichen Stoff, der in nahezu unerschöpflichem Maße vorhanden ist. Er ist nicht von der F-Gase-Verordnung betroffen und hat auch bei Unfällen keine klimaschädigende Wirkung. Denn: Strömt das Gas durch Leckagen in die Atmosphäre, gelangt es wieder in den Kreislauf, aus dem es entnommen wurde – der CO2-Gehalt steigt bilanziell nicht an. Günstig sind zudem die thermodynamischen Eigenschaften. Dazu gehören ein guter Wärmeübergangskoeffizient, ein hohes Energiespeichervermögen sowie eine relativ hohe Unempfindlichkeit gegenüber Druckverlusten.

Nachteilig ist hingegen die narkotisierende oder erstickende Wirkung, die sich mit einer optimalen Planung jedoch ausschließen lässt. Das Gas hat zudem einen niedrigen kritischen Punkt. Der Kältemittelprozess läuft dadurch häufig transkritisch und bei sehr hohen Temperaturen ab, was zulasten der Wirtschaftlichkeit gehen kann.

Vorteile von CO2 im Kaltwassersatz:

• umweltschonend (ODP = 0)
• klimaschonend (GWP = 1)
• nicht von F-Gase-Verordnung betroffen
• lange und bezahlbar erhältlich
• gute thermodynamische Eigenschaften
• schlanke Leitungen und kompakte Komponenten
• bei Leckagen nicht wassergefährdend
• attraktive Fördermittel vom Staat

Nachteile von Kältemaschinen mit R 744:

• geringer kritischer Punkt (aufwendiger transkritischer Prozess nötig)
• geringere Energieeffizienz bei höheren Außentemperaturen
• besondere Anforderungen durch hohe Betriebsdrücke (ca. 100 bar)
• Sicherheitsvorkehrungen vor allem bei der Innenaufstellung

Typische Einsatzbereiche von CO2 Kaltwassersätzen in der Praxis

CO2 Kältemaschinen und Kaltwassersätze kommen heute überwiegend im gewerblichen und industriellen Bereich zum Einsatz. So finden sich die Lösungen unter anderem:

• im Lebensmitteleinzelhandel (alle Größen)
• bei der Verarbeitung von Lebensmitteln
• in der Industriekälte (auch Tiefkühlung)
• bei der mobilen Klimatisierung von Fahrzeugen
• bei der Warmwasserbereitung mit Brauchwasserwärmepumpen

Hersteller bieten dabei üblicherweise transkritische Anlagen (siehe Beschreibung oben) und Kaskadenanlagen zur Tiefkühlung an. R 744 Kältemaschinen gibt es darüber hinaus aber auch als steckerfertige Geräte wie Getränkekühler.

Besonderheiten für die Planung von CO2 Kaltwassersätzen

Neben den speziellen technischen Anforderungen, die CO2 an Kältemaschinen stellt, sind auch bei der Planung einige Punkte zu beachten. Diese sollen einen sicheren Betrieb garantieren und lange für ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Effizienz sorgen.

Begrenzte Füllmengen in innen aufgestellten R 744 Kältemaschinen

Da Kohlendioxid den Luftsauerstoff in seiner Umgebung verdrängt, kann das Gas narkotisierend oder sogar erstickend wirken. Mit einer optimierten Planung beugen Sie diesem Risiko in der Praxis vor – insbesondere dann, wenn es um die Aufstellung in geschlossenen Räumen geht. Denn die für die Planung maßgebliche DIN EN 378 schreibt eine maximale Füllmenge von 0,07 Kilogramm pro Kubikmeter vor. Wird diese eingehalten, kommt es auch dann nicht zu lebensbedrohlichen Situationen, wenn das gesamte Gas im Havariefall austritt.

Wartung und Service nur durch Fachleute für CO2 Kaltwassersätze

Im Zuge von Wartungs- und Servicearbeiten kann es immer wieder einmal nötig sein, Kältemittel abzulassen. Möglich ist das bei einer Kältemaschine mit R 744 mit speziellen Abdampf-Ventilen. Bei falscher Vorgehensweise dehnt sich das Gas dabei jedoch sehr schnell aus, wobei Trockeneis entstehen kann. Dieses stellt eine Verletzungsgefahr da und kann zudem zu Schäden an Ventilen und Anlagenteilen führen. Um die Bildung von Trockeneis zu verhindern, sind spezielle Verfahren nötig. Ein Grund, aus dem nur erfahrene und ausgebildete Fachleute Wartungs- und Servicearbeiten an CO2 Kaltwassersätzen vornehmen dürfen.

Leistungsbereiche und Spezifikationen der CO2 Kältemaschinen

Möchten Sie einen R 744 Kaltwassersatz kaufen, stehen Anlagen in verschiedenen Größenordnungen zur Verfügung. Den Einstieg bieten Geräte mit einer Leistung von etwa 25 Kilowatt. Aber auch Kältemaschinen mit einer Kälteleistung von über 400 Kilowatt sind heute am Markt erhältlich. Genügt das nicht, lassen sich mehrere Anlagen parallel installieren, um die Leistung weiter nach oben zu skalieren.

Die folgende Tabelle zeigt erhältliche CO2 Kaltwassersätze mit den wichtigsten technischen Daten:

Einsetzen lassen sich CO2 Kaltwassersätze dabei unter anderem zur Gewerbekühlung, für Kühlmöbel in Supermärkten oder zur Industriekühlung.

Optimale Auslegung nach individuellen Voraussetzungen und Kühllasten

Welche Anlage zum Einsatz kommt, hängt von den individuellen Gegebenheiten ab. Grundsätzlich sollte die Leistung des CO2 Kaltwassersatzes dabei nicht höher als nötig sein, um eine hohe Energie- und Kosteneffizienz zu erreichen. Ein Planer prüft das individuell. Er ermittelt die entsprechende Kühllast und wählt die passenden Produkte aus.

Luftkühlung mit Freikühlung oder Wasserkühlung zur Aufstellung innen

Auch in Bezug auf die technischen Spezifikationen bieten Hersteller von CO2 Kältemaschinen heute eine große Auswahl. So stehen grundsätzlich Kaltwassersätze mit Luft- oder Wasserkühlung zur Verfügung. Während erstere die überschüssige Wärme direkt an die Umgebungsluft abgeben, setzen wassergekühlte Anlagen auf einen zweiten Solekreis. Dieser bindet ein Rückkühlwerk oder einen Kühlturm an und erlaubt die Aufstellung der R 744 Kältemaschine im Innenraum. Anlagen mit Luftkühlung haben hingegen den Vorteil, dass sie auch die Freikühlung nutzen können. Sind die Außentemperaturen niedrig genug, geht die Wärme dabei (teilweise) ohne Kältemittelkreislauf an die Umgebung über. Das senkt die Betriebskosten, entlastet die Technik und schont die Umwelt.

Wärmerückgewinnung für den CO2 Kaltwassersatz spart Energiekosten

Eine Besonderheit der R 744 Kältemaschinen ist die Möglichkeit, Wärme auf einem hohen Temperaturniveau auskoppeln zu können. Die sogenannte Wärmerückgewinnung hat gleich zwei Vorteile: Sie optimiert den Kühlprozess und entlastet die Heizung. Die ausgekoppelte Wärme lässt sich dabei unter anderem für die Warmwasserbereitung, die Gebäudeheizung oder andere technische Zwecke einsetzen.

Chiller mit Kohlendioxid: Funktionsweise verständlich erklärt

Geht es um den Einsatz von R 744 als Kältemittel, kommen verschiedene Funktionsweisen infrage. Klassische CO2 Kaltwassersätze arbeiten mit einem transkritischen Prozess. Neben diesem gibt es auch subkritische CO2 Kältemaschinen und Anlagen, die Kohlendioxid selbst als Kühlmittel verwenden.

• Transkritischer Prozess: Die Funktion einer transkritischen CO2 Kältemaschine haben wir oben bereits detailliert beschrieben. Sie basiert auf hohen Drücken und arbeitet durch den niedrigen kritischen Punkt von Kohlendioxid mit Gaskühlern anstelle von Verflüssigern.
• Subkritischer Prozess: Der subkritische Prozess gleicht der Funktionsweise konventioneller Kältekreisläufen. Dabei wird das Kältemittel verdampft, verdichtet, verflüssigt und abschließend wieder entspannt. Durch die besonderen Eigenschaften von Kohlendioxid funktioniert das hier jedoch schrittweise in Kaskadenanlagen, die überwiegend der Tiefkühlung dienen. Möglich ist es, diese mit einer oberen Kühlstufe mit konventionellen Kältemitteln zu koppeln, um den Anlagendruck weiter zu reduzieren.
• Kohlendioxid als Kühlflüssigkeit: Möglich ist es darüber hinaus auch, Kohlendioxid selbst als Kühlmedium zu verwenden. Dabei kühlt ein Kaltwassersatz ohne R 744 das Medium ab, sodass es im flüssigen Zustand bleibt. Verdampft es darauf an einem Wärmeübertrager, nimmt es Wärme aus dem zu kühlenden Bereich oder Prozess auf. Günstig ist das, da Kohlendioxid mehr Energie speichert als andere Kühlflüssigkeiten. Es kommt mit geringeren Leitungsquerschnitten aus und benötigt eine geringere Pumpenleistung.

Möglich ist es darüber hinaus auch, die oben genannten Lösungen in Hybridanlagen zu verbinden. Sprechen Experten vom CO2 Kaltwassersatz für die Gewerbe- oder Industriekühlung, setzt dieser jedoch meist auf den transkritischen Prozess.

FAQ zum CO2 Kaltwassersatz: Häufige Fragen und Antworten

Was ist ein CO2 Kaltwassersatz und was unterscheidet ihn von anderen?

Eine Kohlendioxid Kältemaschine nutzt R 744 (CO2) als natürliches Kältemittel. Sie ist in luftgekühlter oder wassergekühlter Bauweise erhältlich und unterscheidet sich vor allem dadurch von konventionellen Anlagen, dass sie auf einen transkritischen Prozess setzt. Dieser findet oberhalb des kritischen Punktes von Kohlendioxid statt. Er erfolgt bei hohen Druckwerten (bis 100 bar) und setzt anstelle von Verflüssigern auf Gaskühler, da die sonst übliche Verflüssigung in diesem Bereich nicht möglich ist.

Worin liegen die Vorteile von R 744 als Kältemittel für Kältemaschinen?

CO2 für den Kaltwassersatz ist ein natürliches und nahezu unerschöpfliches Kältemittel. Es hat einen ODP von null sowie einen GWP von eins und ist damit deutlich klimafreundlicher als andere Mittel. Gelangt es bei Leckagen in die Atmosphäre, tritt es in den Kreislauf ein, aus dem es entnommen wurde – die CO2-Bilanz verschlechtert sich insgesamt nicht. Zudem muss R 744 für Kältemaschinen nicht extra hergestellt werden. Es ist günstig und bietet zahlreiche technische Vorteile. Dazu gehört unter anderem ein hohes Wärmespeichervermögen. Zudem ermöglicht eine hohe volumenstrombezogene Kälteleistung den Einsatz kleinerer Bauteile (Leitungen, Kompressor etc.).

Hat das Kältemittel R 744 im Kaltwassersatz auch Nachteile?

Durch den niedrigen kritischen Punkt ist der Kälteprozess aufwendiger und die Technik anfangs kostenintensiver. Hinzu kommt die narkotisierende und erstickende Wirkung von CO2, die bei optimierter Planung (begrenzte Kältemittelfüllmenge bei Innenaufstellung) jedoch keine Gefahr darstellt.

In welchen Bereichen kommen die Kühlgeräte zum Einsatz?

CO2 Kältemaschinen eignen sich für die kommerzielle Kühlung. Sie kommen in Gewerbebetrieben, Geschäften, Industrieanlagen oder für die mobile Klimatisierung von Fahrzeugen infrage. Da der Prozess mit steigender Außentemperatur an Effizienz verliert, waren R 744 Kaltwassersätze lange Zeit nur im nördlichen Europa einsetzbar. Weiterentwicklungen ermöglichen den wirtschaftlich sinnvollen Betrieb heute aber auch bei höheren Außentemperaturen wie im südlichen Europa.

Worauf ist bei Planung und Betrieb besonders zu achten?

Damit es bei Leckagen oder Arbeiten nicht zum Ersticken kommt, ist die Kältemittelfüllmenge bei der Aufstellung in Innenräumen zu begrenzen. Darüber hinaus dürfen nur mit der Technik vertraute Fachleute Wartungs- und Servicearbeiten durchführen. Ein Grund dafür: Verdampft Kohlendioxid aus der flüssigen Phase, entsteht Trockeneis. Das kann Armaturen und Ventile beschädigen und zu Verletzungen führen.

In welchen Leistungsklassen gibt es CO2 Kältemaschinen?

Geht es um die Leistung, haben Sie eine große Auswahl. Üblich sind CO2 Kälteanlagen mit 25 bis zu etwa 450 kW. Diese lassen sich parallel betreiben, um die Leistung weiter nach oben zu skalieren. Entscheidend für die Auswahl sind individuelle Anforderungen und Kühllasten, die ein Fachplaner im Rahmen der Beratung/Planung ermittelt.

Autor: Marc Bode

Marc ist Geschäftsführer bei Deutsche Thermo. Er arbeitet seit 2009 in der Energiebranche und hat seine Ausbildung bei einem Anbieter für Flüssiggas gemacht. Seitdem war der Experte für Wärme- und Kältetechniken in vielen verschiedenen Funktionen tätig und hat 2020 Deutsche Thermo gestartet.