Seit über 150 Jahren kommt Ammoniak (NH3) inzwischen als Kältemittel in Kältemaschinen zum Einsatz. Es verfügt über ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften und ist ökologisch weitestgehend unbedenklich. Ammoniak-Kälteanlagen finden sich dabei vor allem in der Industrie. Hier punkten die Lösungen mit Flexibilität und einem effizienten sowie energiesparenden Betrieb in Industriekühlanlagen. Der Einsatz von Ammoniak-Kälteanlagen ist allerdings mit speziellen Voraussetzungen verbunden.
Wir informieren über das Funktionsprinzip und die wichtigsten Vorteile. Außerdem erklären wir, worauf es bei Planung und Betrieb einer NH3-Industriekälteanlage 2024 ankommt.
Die Themen im Überblick
- Ammoniak für Kälteanlagen: Die Eigenschaften
- Funktion der Ammoniak-Kälteanlage: Prinzip und Besonderheiten
- Typische Einsatzgebiete der Ammoniak-Kälteanlagen
- Die wichtigsten Gesetze und Verordnungen
- Sicherheitsanforderungen bei NH3-Anlagen im Überblick
- Einmalige und wiederkehrende Prüfungen
- Vor- und Nachteile der Ammoniak-Kälteanlagen
- Industriekälteanlagen kaufen oder mieten
Ammoniak für Kälteanlagen: Die Eigenschaften
Ammoniak ist ein farbloses Gas, das an seinem stechenden Geruch zu erkennen ist. Als Kältemittel kommt es bereits seit über 150 Jahren zum Einsatz. Denn es ist vergleichsweise umweltfreundlich, mit einer hohen Effizienz verbunden und zugleich günstig. Mit der Entwicklung der sogenannten „Sicherheitskältemittel“ sank der Anteil an Ammoniak-Kälteanlagen. Denn Letztere erfordern besondere Vorsichtsmaßnahmen. Der Grund dafür: NH3 hat eine gesundheitsgefährdende Wirkung. Es ist giftig sowie ätzend und stellt bei Unfällen oder dem unbemerkten Austreten ein Risiko dar.
F-Gase Verordnung sorgt für Ammoniak-Boom
Seit dem Verbot klimaschädlicher Gase durch die F-Gase-Verordnung entscheiden sich wieder mehr Anwender für eine Ammoniak-Kälteanlage. Denn die Technik ist leistungsstark und kostengünstig. Zudem schadet das natürliche Kältemittel weder der Ozonschicht (ODP=0) noch dem Klima (GWP=0).
Die wichtigsten Stoffeigenschaften im Überblick
Ammoniak-Kälteanlagen nutzen NH3 als natürliches Kältemittel. Das Medium ist farblos und giftig, hat durch seinen stechenden Geruch allerdings eine hohe Warnwirkung. Hinzu kommt die Tatsache, dass das Gas leichter als Luft ist.
Kein Treibhauseffekt
Bei einer Leckage oder einem Unfall steigt es dadurch direkt auf. Es sammelt sich unter der Decke und lässt sich von einem Ventilator absaugen. In der freien Natur hat das Kältemittel eine Lebenszeit von etwa sieben bis 14 Tagen. Es hat außerdem den geringsten TEWI (Total Equivalent Warming Impact). Das heißt: Der Treibhauseffekt durch das Medium und den Energieverbrauch einer Ammoniak-Kälteanlage ist sehr gering. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Eigenschaften im Überblick.
| Kriterium | Eigenschaft |
|---|---|
| Bezeichnung | Ammoniak, NH3, R-717 |
| Gestalt | Farbloses Gas |
| Geruch | stark riechend (Wahrnehmungsschwelle bei1-3 ppm) |
| Explosionsgrenze | 15 bis 34 Vol.-% |
| AGW (Arbeitsplatzgrenzwert,Giftigkeit) | 20 ppm für 8h bzw. 14g/m³, giftig ab 2.500 ppm Beachte: geringe Wahrnehmungsschwelle |
| ODP (Ozonabbaupotential; Ozone Depletion Potential) | 0 |
| GWP (Treibhauspotenzial oder Global Warming Potential) | 0 |
| TEWI (gesamter äquivalenter Treibhauseffekt, Total Equivalent Warming Impact) | sehr niedrig, da der Wert durch ODP und GWP nur von der Betriebszeit, dem Jahresenergiebedarf und der CO2-Emission je kWh abhängt und die Effizienz der Ammoniak-Kälteanlagen sehr hoch ist |
| Preis des Kältemittels | vergleichsweise gering |
| Preis derAnlagen | im hohen Leistungsbereich vergleichsweise gering, durch geringen Umlaufmassenstrom (kleine Rohrdurchmesser) und hohe Enthalpiedifferenz (Kälteleistung je Kilogramm sehr hoch) |
Gewinnung des natürlichen Kältemittels R-717
Ammoniak kommt in den natürlichen Stoffkreisläufen der Erde vor und gilt daher als natürliches Kältemittel. Die Herstellung erfolgt trotz dessen synthetisch mit dem sogenannten Haber-Bosch-Verfahren aus Wasserstoff und Stickstoff. Dabei bringen Hersteller das Gasgemisch bei über 200 bar Druck und einer Temperatur von etwa 450 Grad Celsius an einem Eisenoxid-Mischkatalysator zur Reaktion. Während der Stickstoff direkt aus der Luft kommt, gewinnen Produzenten Wasserstoff zumeist bei der partiellen Oxidation von Erdgas. Insgesamt lassen sich mit dem Verfahren über 3.000 Tonnen NH3 pro Produktionslinie und Tag gewinnen.
Funktion der Ammoniak-Kälteanlage: Prinzip und Besonderheiten
Ammoniak-Kälteanlagen funktionieren grundsätzlich wie typische Kompressionskältemaschinen wie ein Kaltwassersatz. Dazu bestehen sie aus einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil. Am Verdampfer geht Wärme vom Verbraucher (Direktverdampfer) oder von einer Wärmeträgerflüssigkeit auf das natürliche Kältemittel R-717 über.
Ammoniak gibt die Wärme ab
Das Medium strömt im nächsten Schritt zu einem Verdichter, der mit dem Druck auch die Temperatur anhebt. Das ist nötig, um die aufgenommene Wärme im Verflüssiger aus dem System auszukoppeln. Während Ammoniak Wärme abgibt, sinkt seine Temperatur. Es strömt über ein Druck reduzierendes Expansionsventil und nimmt seinen Ausgangszustand wieder ein. Im Vergleich zu konventionellen Industriekälteanlagen ergeben sich aus den speziellen Eigenschaften des Kältemittels allerdings einige Besonderheiten.
Betrieb häufig mit überfluteten Verdampfern
Durch die speziellen Eigenschaften des Kältemittels war es lange Zeit erforderlich, Ammoniak-Kälteanlagen mit überfluteten Verdampfern zu betreiben. Diese sind dauerhaft mit flüssigem Kältemittel gefüllt und mit einem Abscheider verbunden. Während flüssiges Ammoniak vom Boden des Abscheiders in den Verdampfer fließt, strömt es über dem Flüssigkeitsstand in den Abscheider zurück. Es verdampft in den Abscheider hinein und lässt sich von oben im gasförmigen Zustand absaugen. Durch dieses Prinzip entsteht nahezu keine Überhitzung und die gesamte Verdampferfläche ist nutzbar. Der Nachteil: Überflutete Verdampfer setzen eine hohe Kältemittelfüllmenge voraus. Bei Ammoniak-Kälteanlagen gilt es allerdings, diese zu minimieren, um das Risiko gering zu halten.
Alternative: Trockenexpansion mit angepasster Regelung
Durch spezielle, mit Ammoniak mischbare Schmieröle, ausgereifte Sensoren und neue Verdampferkonstruktionen ist es heute möglich, auch Ammoniak-Kälteanlagen mit Trockenexpansion zu betreiben. Dabei verdampft das Kältemittel direkt im Wärmeübertrager. Die Kältemittelmenge lässt sich teilweise um über 70 Prozent reduzieren und das Risiko bei Leckagen oder Havarien sinkt deutlich. Aber nicht nur das: Untersuchungen haben gezeigt, dass auch die Effizienz hoch ist. So erreichen Ammoniak-Kälteanlagen Leistungszahlen, die über denen von Industriekälteanlagen mit R134a liegen.
Kältemittel bedingt spezielle Verdichter- und Anlagentechnik
Ammoniak-Kälteanlagen sind außerdem mit ausreichend groß dimensionierten oder zweistufigen Verdichtern auszuführen. Sie benötigen Rohrleitungen, Wärmeübertrager und Armaturen aus Edelstahl und sind vor Inbetriebnahme besonders gründlich zu prüfen. So ist die Kontrolle sämtlicher Schweißnähte an Rohren großer Nennweiten Pflicht. All diese Faktoren sorgen für höhere Anschaffungskosten, die den Einsatz in kleinen Leistungsbereichen aktuell nicht immer rechtfertigen. Benötigen Gebäude oder Prozesse allerdings eine leistungsstarke Industriekälteanlage, spielen NH3-Systeme ihre Vorteile aus.
Typische Einsatzgebiete der Ammoniak-Kälteanlagen
Aufwendigere Planungsprozesse, hohe Sicherheitsanforderungen und preisintensivere Werkstoffe sorgen aktuell noch für hohe Anfangsinvestitionen. Während kleinere Anlagen diese nicht in jedem Fall ausgleichen, punkten die Industriekälteanlagen in großen Leistungsbereichen mit niedrigen Betriebskosten und keinen schadhaften Umweltauswirkungen. Gründe, aus denen Ammoniak-Kälteanlagen vor allem bei der Kühlung großer Gebäude oder energiehungriger Prozesse zum Einsatz kommen. Typische Beispiele dafür sind:
Logistikzentren
Schlachthöfe
Chemieindustrie
Brauereien
Die wichtigsten Gesetze und Verordnungen
Trotz des umweltschonenden und energieeffizienten Betriebs entscheiden sich einige Anlagenbetreiber gegen die Ammoniak-Kälteanlage. Gründe dafür sind die Toxizität des Kältemittels und die damit verbundenen Gefahren für Betreiber sowie Personal. Gesetze und Verordnungen stellen jedoch hohe Anforderungen an die Technik, sodass Havarien in der Praxis nahezu nicht vorkommen. Die folgenden Abschnitte geben einen Überblick.
R-717: Wassergefährdungsklasse 2 nach AwSV
Ammoniak ist giftig, ätzend und daher auch als wassergefährdend zu beurteilen. Genauer erreicht es die WGK 2 (Wassergefährdungsklasse 2) der Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (AwSV). Diese Einstufung ist mit besonderen Vorsichtsmaßnahmen im Betrieb von Ammoniak-Kälteanlagen verbunden.
BImSchG: Pflicht zur Genehmigung nach 4. BImSchV
Die vierte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutz-Gesetzes (Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen – 4. BImSchV) regelt, welche Anlagen eine Genehmigung nach BImSchG bedürfen. Ammoniak-Kälteanlagen zählen dazu, sofern die Füllmenge bei über 3.000 Kilogramm liegt. Benötigen konventionelle Systeme mit überflutetem Verdampfer etwa 1 bis 3 Kilogramm NH3 pro Kilowatt Kälteleistung, trifft das auf Anlagen mit einer Leistung von insgesamt mehr als 1.000 bis 3.000 Kilowatt zu. Anders sieht es aus, wenn die Industriekälteanlage Bestandteil einer genehmigungsbedürftigen Anlage, wie zum Beispiel einer Brauerei ist. Auch in diesem Fall sind die Anforderungen des BImSchG zu beachten.
Besondere Anforderungen der Störfall-Verordnung
Geht von Anlagen eine besonders hohe Gefahr aus, sind außerdem die Anforderungen der zwölften Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutz-Gesetzes (Störfall-Verordnung – 12. BImSchV) zu berücksichtigen. Betroffen sind davon unter anderem Ammoniak-Kälteanlagen mit mehr als 50.000 Kilogramm NH3. Bestehen die Kälteanlagen zu Betriebsbereichen, die grundsätzlich in den Geltungsbereich der 12. BImSchV fallen, gelten die Anforderungen auch unabhängig davon, wie viel Kältemittel vorhanden ist.
TRAS 110: Anforderungen an Ammoniak-Kälteanlagen
Fällt eine Industriekälteanlage unter den Geltungsbereich der BImSchG, sind die Anforderungen der TRAS 110 zu berücksichtigen. Dabei handelt es sich um „Sicherheitstechnische Anforderungen an Ammoniak-Kälteanlagen“ die von der Kommission für Anlagensicherheit (KAS) erarbeitet wurden. Die TRAS gilt für:
neu installierte Ammoniak-Kälteanlagen mit mehr als 3.000 Kilogramm NH3
Kälteanlagen, die nach einer Erweiterung mehr als 3 Tonnen NH3 enthalten
Kälteanlagen, die zu Anlagen für die fabrikmäßige Herstellung von Stoffen durch chemische Umwandlung gehören
Befindet sich die Ammoniak-Kälteanlage in der Nähe von Schutzobjekten, ist die Einhaltung der TRAS auch bei Füllmengen ab 300 Kilogramm ratsam. Zu den Schutzobjekten zählen in diesem Sinne unter anderem Wohngebäude, Kultureinrichtungen oder öffentliche Gebäude.
Die Vorgaben betreffen im Allgemeinen den sicheren Betrieb, die Ausführung verschiedener Komponenten sowie die Gestaltung von Maschinenräumen. Darüber hinaus gibt es detaillierte Vorgaben in Bezug auf Explosionsschutz und Überwachung von Ammoniak-Kälteanlagen.
DIN EN 378 für Kälteanlagen und Wärmepumpen
Die DIN EN 378 „Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen“ ist eine europäische Norm, die hohe Anforderungen an Kälteanlagen enthält. Sie ist in vier Teile gegliedert und regelt neben Begrifflichkeiten und grundlegenden Anforderungen auch Grundsätze der Herstellung, der Aufstellung und des Betriebes. Sie gilt damit gleichermaßen für Hersteller, Planer, Fachhandwerker, Betreiber und Servicepersonal.
Sicherheitsanforderungen bei NH3-Anlagen im Überblick
Die aufgeführten Gesetze und Verordnungen enthalten zahlreiche Anforderungen an Ammoniak-Kälteanlagen. Diese hängen in der Regel von der Füllmenge ab, sodass die konkreten Vorgaben unterschiedlich sein können. Die folgenden Abschnitte geben jedoch einen allgemeinen Überblick darüber, worauf Betreiber einer Ammoniak-Industriekälteanlage achten müssen.
Ausführliche Dokumentation von Technik und Betrieb
Besonders wichtig ist eine detaillierte Dokumentation. Diese enthält neben der Konformitätserklärung auch Explosionsschutzdokumente sowie Störfallbeschreibungen für den Havariefall. Pflicht sind darüber hinaus auch Herstellerbescheinigungen, die die Eignung der Sicherheitseinrichtungen belegen. Das Betriebspersonal benötigt außerdem eine Funktionsbeschreibung und eine Bedienungsanleitung. Weiterhin gehören Schemen, Pumpenkennlinien und Dokumente zur Gefährdungsbeurteilung in die Dokumentationsunterlagen einer Ammoniak-Kälteanlage. Für den laufenden Betrieb ist auch die Einweisung des Personals zu dokumentieren. Das Gleiche gilt für die Entsorgung von NH3, Schmierölen oder anderer wassergefährdender Stoffe.
Anforderungen an den Maschinenraum der Kälteanlagen
Der Maschinenraum ist grundsätzlich der Raum innerhalb oder außerhalb (zum Beispiel Container) eines Gebäudes, in dem Bestandteile der Ammoniak-Kälteanlage untergebracht sind. Dieser darf nur befähigtem Personal zugänglich sein. Der Maschinenraum ist außerdem gasdicht auszuführen und am Boden gegen das Austreten von flüssigem Ammoniak zu versiegeln. Sind Bodenabläufe vorhanden, dürfen diese nur verschlossen oder schnell verschließbar ausgeführt sein. Wichtig ist darüber hinaus eine Belüftung, über die sich gasförmiges Ammoniak im Gefahrenfall absaugen lässt. Die sogenannte Notlüftung kann dabei zum Beispiel mit einer Gaswarnanlage gekoppelt sein, um selbstständig anzulaufen.
Notbeleuchtung und Gaswarnanlage wichtig
Eine Notbeleuchtung sowie die Kennzeichnung von Räumen, Anlagenbestandteilen und Fluchtwegen sorgt zudem für einen hohen Schutz des Bedienpersonals. Letzteres muss die Ammoniak-Kälteanlage außerdem aus der Ferne über einen Not-Aus-Schalter abschalten können.
Wichtig sind außerdem Gaswarnanlagen und gut hörbare Alarmsysteme, die mit einem Akku ausgestattet sind. Die Lösungen funktionieren dann unabhängig von den übrigen Anlagenteilen und gewährleisten in allen Situationen eine hohe Sicherheit.
Einmalige und wiederkehrende Prüfungen
Genau wie vor der Inbetriebnahme sind auch im laufenden Betrieb der Ammoniak-Kälteanlagen Sicherheitsüberprüfungen Pflicht. Neben allgemeinen Wartungsarbeiten geht es dabei vor allem um Dichtheitskontrollen an Armaturen und Leitungen. Zu den wiederkehrenden Prüfungen an der gesamten Anlage gehört aber auch die Kontrolle der Gaswarn- und Sicherheitssysteme. Die Durchführung übernehmen in der Regel Sachverständige, die über speziell ausgebildetes und erfahrenes Prüfpersonal verfügen.
Vor- und Nachteile der Ammoniak-Kälteanlagen
Flexible Einsatzmöglichkeiten, eine hohe Effizienz und die geringen Umweltauswirkungen zählen zu den größten Vorteilen der Industriekälteanlagen. Hinzu kommen die vergleichsweise niedrigen Kältemittel- und Betriebskosten, durch die Anlagenbetreiber viel Geld sparen können. Ein großer Nachteil ist hingegen die Toxizität. NH3 ist giftig, ätzend und bei ausreichend hohen Temperaturen sowie Konzentrationen auch brennbar. Havarien und Gefahren sind in der Praxis zwar äußerst selten, die hohen Anforderungen an Planung, Errichtung und Betrieb dafür aber mit Mehrkosten und einem hohen Aufwand verbunden. Die folgende Tabelle zeigt wesentliche Vor- und Nachteile von Ammoniak-Kälteanlagen im Überblick.
| Ammoniak-Kälteanlagen Vorteile | Ammoniak-Kälteanlagen Nachteile |
|---|---|
| umweltfreundlich, ohne Ozonabbau- oder Treibhauspotenzial | toxisch und stark riechend (nicht in modernen Anlagen) dadurch panikerzeugend |
| ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften | hohe Anforderungen an Werkstoffe und Komponenten der Kältetechnik |
| hohe Effizienz und niedrige Betriebskosten | Bestandsanlagen mit F-Gasen lassen sich nicht umrüsten (Neubau ist erforderlich) |
| geringe Kältemittelpreise | spezielle Kältemittelschmieröle erforderlich |
| hohe Kältemittelverfügbarkeit | hohe Anforderungen an Planung, Errichtung und Betrieb |
| für viele Einsatzbereiche geeignet |
Mit den zahlreichen Vorteilen punkten traditionsreiche Ammoniak-Kälteanlagen gegenüber anderen Industriekälteanlagen. Die aufgeführten Nachteile lassen sich mit fortschreitender Weiterentwicklung zunehmend ausmerzen. So lässt sich die Kältemittelfüllmenge durch den Betrieb mit Trockenexpansion teilweise um über 70 Prozent reduzieren. Das sorgt nicht nur für Kostenersparnis bei der Herstellung – es mindert auch das Gefahrenpotenzial. Die Anforderungen an Betreiber sinken und die Technik gewinnt an Attraktivität.
Industriekälteanlagen kaufen oder mieten
Ammoniak-Kälteanlagen eignen sich für sehr viele Einsatzbereiche. Interessieren sich Anlagenbetreiber für die Technik, müssen sie diese nicht zwangsläufig kaufen. Denn das geht mit aufwendigen Planungsarbeiten und hohen Kosten einher. Sinnvoll ist es auch, eine Ammoniak-Kälteanlage zu mieten.
Ammoniak Mietkälte
Die so genannte Mietkälte ist dabei in einem stabilen und vollausgestatteten Container untergebracht. Dieser stellt den Maschinenraum dar und erfüllt alle technischen Anforderungen, die an einen solchen bestehen. Selbst Licht, Elektrik, Lüftung und Heizung gibt es in den transportablen Anlagen, die sich flexibel auf- und umstellen lassen.
Preise und Kosten einer Ammoniak-Kälteanlage
Die Kosten einer Industriekälteanlage hängen immer von den individuellen Voraussetzungen ab. Fachbetriebe helfen, diese zu definieren und die Technik passgenau auszulegen. Sie erstellen ein günstiges Angebot und kümmern sich auf Wunsch um Planung, Genehmigung und Installation. Während das bei Systemen zum Kauf mit hohen Investitionen verbunden ist, gibt es Mietlösungen für einen Monats- oder Jahrespreis. Letzterer hängt unter anderem von der Leistung und der Mietdauer ab.
