Kohlenstoffdioxid CO2 findet erst seit einigen Jahren erstärkt Anwendung als Kältemittel.
Die Kurzbezeichung von CO2 als Kältemittel (Refrigerant) ist R744.
Ein wesentlicher Vorteil von CO2 ist der geringe Beitrag zum Treibhauseffekt.
Als Maß für den Beitrag zum Treibhauseffekt werden CO2-Äquivalente für andere Kältemittel definiert und als GWP-Wert (GWP = Global Warming Potential) bezeichnet. So hat z.B. das häufig verwendete Kältemittel R134a einen GWP-Wert von 1.300. Der Beitrag von 1 kg R134a zum Treibhauseffekt wiegt damit die Auswirkung von 1.300 kg CO2 auf.
Der GWP von CO2 ist damit definitionsgemäß gleich Eins. Setzt man natürlich gewonnenes CO2 für Kälteprozesse ein, ist der GWP-Wert sogar Null, denn das CO2 stammt aus natürlichen Quellen, z.B. aus der Umgebungsluft oder Gärungsprozessen.
CO2 hat auf kein ozonschichtabbauendes Potential. Es handelt sich deshalb um ein natürliches Kältemittel mit vergleichsweise äußerst geringen Umwelteinwirkungen.
Was die technische Nutzung von CO2 als Kältemittel lange erschwert hat, sind die hohen Drücke, die in CO2-Kälteanlagen herrschen müssen. Diese liegen rund eine Zehnerpotenz höher als bei konventionellen Kältemitteln.
Der kritische Punkt liegt bei etwa 31°C und ca. 74 bar. Oberhalb von 31°C lässt sich CO2 nicht mehr verflüssigen. Bei transkritischen Kälte- oder Wärmepumpenprozesse findet keine Kondensation des Kältemittels mehr statt, sondern nur noch eine Gaskühlung.
Transkritische Kälte- oder Wärmepumpenprozesse verfügen damit über mindestens einen Verdampfer und einen Gaskühler.
Durch die Verdichtung auf hohe Drücke werden sehr hohe Verdichtungsendtemperaturen erreicht. In realen Maschinen sind das etwa 120°C, im Diagramm wurden aber 160°C gewählt, um die Charakteristika des transkritischen Prozesses noch besser verdeutlichen zu können.
Der Gaskühler schneidet Isotherme für Isotherme, d.h. das CO2-Heißgas kühlt sich kontinuierlich ab und kann dabei kontinuierlich ein Medium, z.B. Wasser aufheizen.
In folgendem Beispiel sind ein HT-Gaskühler, ein NT-Gaskühler und ein innerer Wärmetauscher zur Kältemittelüberhitzung vor dem Verdichter und weiteren Kältemittelkühlung nach dem NT-Gaskühler vorgesehen. Durch den inneren Wärmetausch wird der Entspannungsdampfanteil noch einmal deutlich reduziert.
Interessant sind solche Einsatzfälle, wo die HT- und NT-Wärme sonst unter Brennstoffeinsatz erzeugt werden müsste.
Man erkennt an diesem Beispiel aber auch eine zentrale Schwierigkeit der transkritischen CO2-Prozesse. Trotz des inneren Wärmetausches liegen etwa 30% des CO2 nach der Entspannung schon als Entspannungsdampf vor und tragen nicht mehr wesentlich zur Kühlleistung bei. Um den Entspannungsdampfanteil zu reduzieren, muss am „kalten Ende“ der Gaskühlung ein kühlendes Medium bereit gestellt werden. Dies kann im Sommer z.B. das netz-kalte Trinkwasser für die Warmwasserbereitung oder ähnliches sein. Fehlt die gesicherte Abnahme am kalten Ende und kann nur mit Umgebungsluft gekühlt werden, reduziert sich die Kälteleistung erheblich. Bezüglich der reinen Kältebereitstellung wäre eine solche Kältemaschine im Sommer ungünstig.
Anders sieht der Fall aber im Winter aus. Hier kann man das CO2-Gas in einem dem inneren Wärmetauscher nachgeschalteten Umgebungskühler weiter abkühlen und so den Entspannungsdampfanteil deutlich reduzieren. Die Gaskühlung findet dabei noch bei moderaten Luft-Temperaturen von bis zu ca. +20°C statt. Die durch die Luftkühlung gewonnene Kälteleistung kann aber, in Folge des Druckabfalls bei der Entspannung, im Temperaturbereich um oder unter Null Grad Celsius bereit gestellt werden. Dabei fällt zudem noch jede Menge Wärme ab, mit welcher man einen Brennstoffeinsatz vermeiden kann.
Zieht man diese Besonderheiten in Betracht, ergeben sich einige sehr interessante Anwendungen für transkritische CO2-Prozesse, gerade in der Industrie.
Fazit: Transkritische CO2-Prozesse eröffnen neue interessante Anwendungsgebiete in der Industrie. Die Technik darf aber nicht einfach „übergestülpt“ werden, sondern muss genau zu den Industrieprozessen passen.
Transkritischer CO2-Prozess mit HT-Gaskühler und NT-Gaskühler und innerem Wärmetausch (IWT)
