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Im folgenden Kapitel werden die Grundlagen, Funktionsweisen, Einsatzbereiche in Handwerksbetrieben und Effizienzpotenziale von Kälteanlagen beschrieben. Ferner wird nur das Thema Prozesskälte betrachtet, die Gebäudekühlung/ Klimatisierung wird hier nicht betrachtet. In Deutschland werden 14% des Stromverbrauches und 6% des Primärenergieverbrauches für die Kälteerzeugung benötigt. 67% davon entfallen auf die Nahrungsmittelindustrie.

Tangierende Querschnittstechnologien:

Heizung/Klima/Lüftung

Kraft-Wärme-Kopplung

Abwärmenutzung

Einsatzbereiche von Prozesskälte

Fleischereien, Bäckereien, Konditoreien sowie Hersteller von Speiseeis benötigen Prozesskälte. Ebenso wird in der Gastronomie, im Einzel- und Großhandel für das Kühlen von Waren in Lagerhäusern sowie zur Lagerung von Halb-und Fertigprodukten in Kühlräumen oder Gefrierräumen/Truhen, Kälte eingesetzt.

Innerhalb von Produktionsprozessen spielt Kältetechnik ebenfalls eine wichtige Rolle (z.B. bei der Wurstherstellung in Fleischereien wird dem Kutter zum Abkühlen des Wurstbräts Eis oder Eiswasser in die Masse zugegeben.

Physikalische / chemische Grundlagen

Physikalisch betrachtet, ist Kälte zunächst ein Temperaturunterschied. Sie ist ein Energieniveau, das unter dem seiner Umgebung liegt. Um zu kühlen, muss Wärme entzogen werden, die an anderer Stelle wieder abgegeben wird. Dieser thermodynamische Kreisprozess findet in der Kältemaschine statt. Für diesen Prozess wird elektrische oder thermische Energie aufgewendet. Die beiden Hauptverfahren der Kältetechnik sind der Kompressionskälteprozess und der Absorptionskälteprozess.Überwiegend werden Kompressionskälteanlagen (mechanische) eingesetzt, deren Verdichter (Kompressor) meist mit Strom angetrieben wird. Absorptionskälteanlagen dagegen erzeugen mittels thermischer Energie Kälte.

Kompressionskälteanlagen (marktbeherrschend und vielfältig)

In handelsüblichen Kompressionskältemaschinen (KKM) wird durch den Einsatz von elektrischem Strom ein flüssiges Kühlmittel, das sich in einem Kreisprozess befindet, erst verdampft, anschließend verdichtet, dann verflüssigt und am Ende wieder entspannt. Hierbei wird vom Kühlmittel die unerwünschte Wärme auf der einen Seite aufgenommen (Kühlzelle), um sie auf der anderen Seite wieder abzugeben - der Entzug von Wärme wird somit durch Verdampfen einer Flüssigkeit (Kältemittel) erreicht. Dazu werden spezielle Kältemittel eingesetzt, die schon bei tiefer Temperatur und niedrigem Druckniveau verdampfen. Nach der Verdampfung wird das Kältemittel durch einen Kompressor verdichtet und bei höherem Druck und höherer Temperatur kondensiert (verflüssigt). Bei der Verflüssigung wird die Verdampfungswärme wieder freigesetzt und muss über den Kondensator an die Umgebung abgegeben werden. Je geringer die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen der kalten Seite (Verdampfer) und der warmen Seite (Verflüssiger) ist, umso besser die Leistungszahl der Anlage und damit deren Energieeffizienz. 

Absorptionskältemaschine

In der Regel kommen in Handwerksbetrieben zur Kälteerzeugung Kompressionskälteanlagen zum Einsatz. Alternativ kann die Nutzung von Absorptionskältetechnik energetisch sinnvoll und wirtschaftlich sein, wenn ausreichend thermische Energie aus Abwärme/Produktionsprozessen, Solarkollektoren oder einem BHKW zur Verfügung steht und der benötigte Kältebedarf nicht zu tief ist. Hierbei muss man zwischen zwei Kältemitteln/ Arbeitsstoffen unterscheiden. Da wäre zum einen Ammoniak (Kältemittel) – Wasser (Lösungsmittel) zu nennen, bei denen Kühltemperaturen von bis zu minus 60°C möglich sind. Zum zweiten gibt es Wasser (Kältemittel) und Lithiumbromid (Lösungsmittel) bei dem Kühltemperaturen nur bis zu plus 4,5°C möglich sind.

Vorteile der Nutzung von Absorptionskälte:

• Einsatz umweltfreundlicher Kältemittel wie Wasser möglich,


• längere Lebensdauer – wenig bewegliche Teile, niedrigere Betriebskosten (Einsparung elektrischer Energie), dafür aber höhere Investitionskosten


• relativ geringes Temperaturniveau (ca. 85°C bis 160°C) nötig, hierfür kann z.B. die Abwärme eines BHKW genutzt werden, des Weiteren wird dadurch die Laufzeit des BHKW verlängert (Stichwort: Kräft-Wärme-Kälte-Kopplung)
  
   

Mehr zur Absorptionskälteerzeugung am Beispiel der Nutzung von Solarthermie siehe Kapitel Solartechnik.

Kältemittel

Welches Kältemittel im Prozess verwendet wird, hängt von der gewünschten Kühltemperatur und den unterschiedlichen Einsatzerfordernissen ab.

Weitere Kriterien sollten das Ozonabbaupotenzial, der Grad der Treibhausschädigung sowie der Energieverbrauch sein. Der Austausch des Kältemittels ist jedoch meist eine komplexe Aufgabe und sollte daher immer einem Fachmann überlassen werden.

Natürliche Kältemittel:



(überwiegend eingesetzt bei Absorptionskälteanlagen)

• Ammoniak (NH3),


• Lithiumbromid (LiBr)


• Wasser


• Kohlendioxid (CO²)


• Kohlenwasserstoffe (z.B. Propan, Butan)

Synthetische Kältemittel:

• Halogenierte Kohlenwasserstoffe: FKW, HFCKW und FCKW (seit 1990 in der Bundesrepublik Deutschland verboten)

Anforderungen an Verhalten und Eigenschaften von Kältemitteln

• thermisches und thermodynamisches Verhalten
  
  
  
  
  • die kritische Temperatur und der kritische Druck des Kältemittels sollten immer über dem „kritischen Zustand“ der Kältemaschine liegen
  
  
  • der „kritische Zustand“ ist der Punkt, ab dem keine Phasentrennung des Kältemittels zwischen flüssig und gasförmig stattfindet (Verdampfung und Kondensation sind nicht mehr gegeben)
  
  
  
  


• chemisches Verhalten bzgl. Mischungsfähigkeit, Fließfähigkeit, Schmierfähigkeit, aber auch Sicherheitsaspekte
  
  (Druckbelastung / Brennbarkeit)


• physiologische Eigenschaften (Gesundheitsgefahren z.B. bei Neubefüllungen, Wartung und Recycling oder bei Leckagen)


• ökologische Anforderungen (Treibhauseffekt, Ozonabbaupotenzial)

Gruppierung von Kältemitteln

Kältemittel werden entsprechend ihrer Brennbarkeit und Giftigkeit eingeordnet und in verschiedene Sicherheitsgruppen eingeteilt. (EN 378-1 Anh. E):

A1, A2, A3, B1, B2, B3.

Das Kältemittel R22 kann durch folgende Kältemittel ersetzt werden:

R404A, R507, R407C, R410A, R290 (Propan), R717 (Ammoniak), R744 (CO₂)

Zeitplan: Verbote des Inverkehrbringens  (Artikel 11 Abs. 1 Anhang III der F-Gas-Verordnung)