CO2 / R744 unter Druck

Regulatorische Vorgaben greifen direkt in Konstruktion und Betrieb ein

Mit der F-Gase-Verordnung der EU werden Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial schrittweise eingeschränkt. Massgeblich ist der GWP-Wert (Global Warming Potential): Während viele synthetische Kältemittel Werte im vierstelligen Bereich erreichen, liegt CO2 als Referenzgrösse bei 1 und unterliegt damit keinen vergleichbaren Beschränkungen.

Für Betreiber zeigt sich das unmittelbar im Anlagenbetrieb. Einschränkungen beim Inverkehrbringen sowie verschärfte Anforderungen an Dichtheitsprüfungen und Dokumentation erhöhen den Aufwand und beeinflussen die Auslegung neuer Systeme.

Konkret gelten für bestimmte Anwendungen Grenzwerte von 150 GWP. Wird dieser Wert überschritten, sind regelmässige Dichtheitsprüfungen sowie Leckortungssysteme vorgeschrieben. Damit wird die Dichtheit nicht nur technisch relevant, sondern Bestandteil regulatorischer Vorgaben.

Die Wahl des Kältemittels wirkt sich somit direkt auf die Konstruktion aus. Druckniveaus, Werkstoffe und Verbindungen werden von Beginn an auf die Anforderungen des eingesetzten Mediums ausgelegt. CO2 (R744) wird dabei eingesetzt, weil es diese regulatorischen Anforderungen dauerhaft erfüllt und gleichzeitig für industrielle Anwendungen verfügbar ist.

CO2-Systeme: Druck als massgebliche Auslegungsgrösse

CO2-basierte Kälteanlagen arbeiten unter höheren Druckniveaus als Systeme mit fluorierten Kältemitteln. Diese ergeben sich aus den thermodynamischen Eigenschaften von R744 und beeinflussen die Auslegung sämtlicher drucktragender Komponenten.

Rohrleitungen, Verbindungen und Bauteile sind im Betrieb dauerhaften mechanischen Belastungen sowie Druck- und Temperaturwechseln ausgesetzt. Diese Beanspruchungen wirken direkt auf Schweissverbindungen, die damit nicht nur mechanische, sondern auch funktionale Anforderungen erfüllen müssen.

Unregelmässigkeiten wie Poren, Bindefehler oder unzureichende Durchschweissung können unter diesen Bedingungen zu Leckagen führen. Undichtigkeiten führen zu Druckverlusten im System und verändern die Betriebsbedingungen des Kältekreislaufs. Um die geforderte Kälteleistung aufrechtzuerhalten, muss die Anlage diese Verluste kompensieren, was zu einer erhöhten Systemlast und einem steigenden Energiebedarf führt. Gleichzeitig sinkt die Effizienz, während zusätzlicher Wartungsaufwand durch Lecksuche und Nachregelung entsteht. Darüber hinaus sind Undichtigkeiten relevant für die Einhaltung regulatorischer Vorgaben, insbesondere im Hinblick auf Dichtheitsprüfungen.

CO2 wird dabei nicht ausschliesslich aus regulatorischen Gründen eingesetzt. Das Kältemittel bietet eine hohe Kälteleistung, ist kostengünstig verfügbar und verursacht geringe Entsorgungskosten. Diese Kombination macht R744 auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten attraktiv für industrielle Anwendungen.

Entscheidend ist daher nicht allein die Festigkeit der Verbindung, sondern ihre dauerhafte Dichtheit unter realen Betriebsbedingungen. Schweissprozesse müssen reproduzierbar ausgeführt werden, um diese Anforderungen zuverlässig zu erfüllen.

Der Wurzelschutz (z.B. Formieren mit Schutzgas: schützt die Unterseite einer Schweissnaht bzw. das Innere von Rohren vor Sauerstoff, um Oxidation, Verzunderung und den Verlust der Korrosionsbeständigkeit zu verhindern) unterstützt die Ausbildung einer sauberen Nahtwurzel und schafft damit eine wichtige Voraussetzung für die Dichtheit im späteren Betrieb.

Technische Gase sichern Systemsauberkeit und Dichtheit

Technische Gase übernehmen in Kälte- und Klimaanlagen unterschiedliche Aufgaben. Je nach Prozessschritt dienen sie zur Spülung des Rohrsystems, zur Dichtheitsprüfung oder als Kältemittel im späteren Betrieb. Nach Montage oder Reparatur können Luft, Feuchtigkeit und Partikel in das Rohrsystem gelangen. Diese Verunreinigungen beeinträchtigen die Wärmeübertragung, führen zu erhöhtem Verschleiss und können die Effizienz des Kältekreislaufs dauerhaft reduzieren. Zur Entfernung wird Stickstoff eingesetzt, der als Inertgas das System spült und definierte Ausgangsbedingungen vor der Inbetriebnahme schafft.

Die anschliessende Dichtheitsprüfung erfolgt mit Formiergas, üblicherweise einem Gemisch aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff. Während Stickstoff als Trägergas dient, ermöglicht der Wasserstoffanteil aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften eine hochsensitive Lecksuche. Dadurch lassen sich insbesondere bei komplexen Rohrsystemen selbst kleinste Undichtigkeiten zuverlässig und reproduzierbar detektieren.

Erst nach erfolgreicher Prüfung wird das System mit R744 (CO2) befüllt. Das Kältemittel wird als trockenes Kohlendioxid mit definiert niedrigem Wasseranteil eingesetzt und übernimmt im Betrieb die Funktion des eigentlichen Kühlmediums. Die Reinheit des Gases ist dabei ein entscheidender Faktor, da bereits geringe Verunreinigungen die Effizienz und die Betriebssicherheit der Anlage beeinträchtigen können.

In der Schweiz unterstützt Carbagas Betreiber und Anlagenbauer mit Versorgungs- und Anwendungslösungen für Kälte- und Klimaanwendungen. Mit der zunehmenden Verbreitung von CO2-Systemen steigen auch die Anforderungen an die Verfügbarkeit der benötigten Gase und an eine Gasversorgung, die zur jeweiligen Kälte- und Klimaanlage passt. Zwar ist R744 als Kältemittel seit Langem bekannt, regulatorische Veränderungen und neue Anforderungen an nachhaltige Kältekonzepte verschieben seinen Einsatz heute jedoch zunehmend in industrielle Standardanwendungen. Carbagas hat diese Entwicklung früh erkannt und sein Angebot gezielt auf die Anforderungen moderner CO2-Anwendungen ausgerichtet.

Unabhängig vom eingesetzten Versorgungskonzept bleibt dabei entscheidend, dass Schweissverbindungen, Prüfprozesse und Gasqualität präzise aufeinander abgestimmt sind. Erst dieses Zusammenspiel ermöglicht einen stabilen und effizienten Anlagenbetrieb.

Anwendungen: Steigende Anforderungen in etablierten Einsatzfeldern

CO2-basierte Kältesysteme werden heute vielfältig eingesetzt. Dazu zählen neben industriellen und gewerblichen Anwendungen auch die Transportkühlung sowie Klimaanlagen und Wärmepumpen.

In all diesen Einsatzfeldern kommt es darauf an, die geforderte Kälteleistung zuverlässig aufrechtzuerhalten und unnötige Energieverluste zu vermeiden. Gleichzeitig müssen die Anlagen den geltenden regulatorischen Anforderungen entsprechen.

Die Qualität der Fügeverbindungen trägt wesentlich dazu bei, dass die Anlage auch unter diesen Bedingungen zuverlässig arbeitet.

Jede Naht wird zum Teil des Systems

Mit R744 rücken Anforderungen in den Fokus, die weit über die Wahl des Kältemittels hinausgehen. Höhere Betriebsdrücke und die geforderte Dichtheit betreffen die Kälteanlage als Ganzes und verbinden Bereiche, die auf den ersten Blick getrennt voneinander erscheinen: Kältetechnik, Fügetechnik und Gasversorgung. Wie Zahnräder greifen sie ineinander.

Ändern sich die Bedingungen im Kältekreislauf, müssen auch Verbindungen, Prüfprozesse und Gasversorgung darauf abgestimmt sein. Hinzu kommen regulatorische Vorgaben, die die Anforderungen an einen sicheren und zuverlässigen Anlagenbetrieb weiter prägen.

Ob fehlerhafte Schweissnaht, unzureichende Dichtheitsprüfung oder eine nicht auf die Anlage abgestimmte Gasversorgung – die Ursachen liegen an unterschiedlichen Stellen, ihre Auswirkungen treffen jedoch dasselbe System. R744 zeigt damit beispielhaft, dass es heute nicht mehr ausreicht, einzelne Prozessschritte isoliert zu betrachten. Die Aufgabe besteht vielmehr darin, das grosse Ganze zu sehen.

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