Einsatz von R-454A im Kühllager

Die erfolgreiche Implementierung des Kältemittels R-454A bei Park Cakes ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Kältemittellieferanten Chemours und Dawsonrentals temperature control solutions, einem britischen Spezialisten für Kühllagerlösungen für temperaturempfindliche Produkte. Sie unterstreicht, wie der Einsatz neuer Technologien Unternehmen wie Park Cakes Ltd. dabei unterstützen kann, neue Kälteanlagen zu installieren, die die Anforderungen der Europäischen F-Gas-Verordnung erfüllen. Sie ist zugleich ein gutes Beispiel, wie sich mögliche, durch die Weiterverwendung herkömmlicher HFKW mit hohem GWP-Wert bedingte Fallstricke vermeiden lassen.

F-Gas-Verordnung und Verringerung der Quoten

Mit der F-Gas-Verordnung (EU) Nr. 517/2014 stehen Kältemittel mit hohem GWP-Wert auf Grund der schrittweisen Reduktion der auf dem Markt zur Verfügung stehenden CO₂-Äquivalente unter enormen Druck. Dies hat zu einer Verknappung von Produkten wie R-404A, R-410A, R-407C und sogar R-134a geführt. Daher sind Anwender auf der Suche nach Alternativkältemitteln mit niedrigem GWP.

Hier stehen die folgenden Optionen zur Verfügung:

Kohlendioxid (CO₂) – erfordert beträchtliche Entwicklungskosten, begrenzte Auswahl an verfügbaren Anlagen. Die zur Verfügung stehenden Anlagen sind im Vergleich mit auf Fluorkohlenstoffen basierenden Kältetechnologien mit höheren Kosten verbunden. Zudem sind Leistung und Zuverlässigkeit für solche Anwendungen noch nicht ausreichend getestet.

Kohlenwasserstoffe – bereits verbreitet im Einsatz, jedoch gibt es Füllmengenbeschränkungen. Zudem erfordert ihr sicherer Einsatz kostspielige Vorkehrungen, denn sie sind in die ASHRAE-Sicherheitsklasse 3 (hoch entzündlich) eingestuft.

Alternative fluorierte Niedrig-GWP-Kältemittel – Chemours hat ein HFO-Blend mit sehr niedrigem GWP (239) für den Einsatz in nichthermetisch geschlossenen Systemen entwickelt. „Opteon XL40“ eignet sich für speziell designte Neuanlagen. Obwohl es in die ASHREAE-Sicherheitsklasse 2L (schwer entzündbar) eingestuft ist, lässt es sich gemäß der 2016 veröffentlichten Norm EN 378 sicher einsetzen.

Auf Grund der signifikanten Reduktion der zur Verfügung stehenden HFKW-Quoten im Jahr 2018 und den darauffolgenden Jahren sowie dem ab 2020 geltenden Service- und Installationsverbot für Anlagen mit Kältemitteln mit einem GWP von mehr als 2500 benötigt die Industrie erprobte und getestete Lösungen, die dazu beitragen können, die Klimaziele der EU zu erreichen. Kurzfristig gesehen stehen bereits schnelle und einfache Lösungen wie das A1-HFO-Blend „Opteon XP40“ (R-449A) von Chemours zur Verfügung. Da jedoch die zur Verfügung stehenden Quoten weiter abnehmen werden, sind auf lange Sicht Lösungen gefragt, die einen signifikant geringeren GWP-Wert besitzen. Dies bedeutet auch den Einsatz von auf Grund ihrer chemischen Struktur brennbaren Kältemitteln. Mit Hilfe von Produkten wie „Opteon XL40“ (R-454A) von Chemours können Anwender die durch den Einsatz von brennbaren Kältemitteln bedingten Gefahren reduzieren, denn sie sind lediglich in die Sicherheitsklasse A2L (schwer entzündbar) eingestuft.

Entwicklungen bei Chemours

Seit 2011 arbeitet Chemours an der Entwicklung von Niedrig-GWP-Blends auf der Basis von HFO-1234yf. Die ersten kommerzialisierten Produkte waren nicht brennbare Kältemittelgemische für den Ersatz von herkömmlichen HFKW in bestehenden Systemen. Produkte wie „Opteon XP40“ (R-449A) haben sich auf dem Markt etabliert und sind verbreitet im Einsatz.

Auf der Chillventa 2016 hat Chemours die „Opteon XL“-Reihe vorgestellt. Dabei handelt es sich um HFO-Blends mit sehr niedrigem GWP für neue Kälte- und Klimaanlagen. Nach der 2016 erfolgten Veröffentlichung der EN 378 existieren nun klare Richtlinien für den Einsatz schwer entzündbarer A2L-Kältemittel wie R-454A, einem Blend aus R-32 und R-1234yf (35 % bzw. 65 %) für den Ersatz von R-404A in neuen Kälteanlagen, z. B. Verflüssigungssätzen.

Umweltvorteile

Der GWP von „Opteon XL40“ liegt bei lediglich 239 (R-404A: 3922). Dies bedeutet eine Reduktion um 94 %. Darüber hinaus besitzt dieses HFO-Blend eine ähnliche Kälteleistung wie R-404A, und sein COP ist höher, sowohl bei Normal- als auch bei Tiefkühlanwendungen. Dies ermöglicht eine Verringerung der gesamten, durch Leckagen (direkt) und dem Energieverbrauch der Anlage (indirekt) resultierenden Treibhausgasemissionen. „Opteon XL40“ ist eine im Hinblick auf die F-Gas-Verordnung nachhaltige Lösung und daher eine gute Wahl für den Ersatz von R-404A/R-507A in Kälteanlagen, die die Sicherheitsanforderungen gemäß EN 378 erfüllen.

Langfristige Lösung für den Ersatz von R-404A

Dawsonrentals hat das Konzept der mobilen Kühllager in Europa kommerzialisiert und bietet aktuell mehr als 1.500 mobile Kühlzellen, gewerbliche Tiefkühlschränke, Schockfroster und Temperiergeräte zur Miete an. Damit gilt das Unternehmen als Marktführer für Mietkältelösungen. Viele dieser Systeme verwenden nach dem Verbot von die Ozonschicht schädigenden Substanzen das Kältemittel R-404A an Stelle von R-22.

Dawsonrentals suchte nach einem langfristigen Ersatz für R-404A für Neuinstallationen und hat an seinem Standort im britischen Sutton-in-Ashfield die neuen A2L-Blends getestet – in enger Zusammenarbeit mit Chemours. Diese Tests haben gezeigt, dass sich R-454A ideal für den Ersatz von R-404A in zahlreichen Anwendungen eignet. Herkömmliche Anlagendesigns erfordern lediglich geringfügige Modifikationen, um die Anforderungen der neuen Norm EN 378 zum Einsatz von A2L-Kältemitteln zu erfüllen.

Nach der Kommerzialisierung von „Opteon XL40“ plante Dawsonrentals dessen Einsatz bei einem seiner aktuellen Projekte in Großbritannien, bei Park Cakes in Oldham.

Installation bei Park Cakes

Park Cakes Ltd. gilt als ein führender Hersteller von Premium-Backwaren und -Desserts in Großbritannien. Das umweltbewusste Unternehmen liefert seine Produkte an zahlreiche bekannte Handelsketten, die ihrerseits ebenfalls hohe Anforderungen hinsichtlich Nachhaltigkeit stellen. So wandte sich Park Cakes vor der Installation eines neuen Tiefkühllagers an seinen Anlagenlieferanten Dawsonrentals, auf der Suche nach einem Niedrig­-GWP-Kältemittel für die Kälteanlage.

Dawsonrentals stand in engem Kontakt mit Chemours und hat „Opteon XL40“ bereits in seinen mobilen Miet-Kühlzellen erfolgreich getestet. So empfahl das Unternehmen Park Cakes den Einsatz dieses Kältemittels.

Das 1.805 m³ große Kühlhaus wurde von Dawsonrentals konzipiert und installiert. Mangels zu dieser Zeit verfügbarer Leistungsdaten für „Opteon XL40“ wurden die Systeme zunächst für R-407F ausgelegt und mit diesem Kältemittel in Betrieb genommen. Die Kälteanlage umfasst drei Zanotti-Verflüssigungssätze („HCU5180B941J“) mit jeweils einem halbhermetischen Verdichter von Bitzer „4HE-18Y-40P“ mit „BSE 32“-Schmiermittel und einem thermostatischen Expansionsventil von Danfoss „TE5 R407A/F“ mit Düseneinsatz #2.

Für den Einsatz von „Opteon XL40“ hat Dawsonrentals eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt. Diese hat ergeben, dass keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind. Nach der ersten Inbetriebnahme wurde die R-407F-Füllung in allen drei Einheiten durch 23 kg „Opteon XL40“ ersetzt. Da sich der Maschinenraum im Freien befindet (Klasse II), der Zugang zum Kühllager nur befugten Personen gestattet ist (Kategorie C) und sich nur wenige Personen zugleich im Raum befinden (<1 Person/10 m²), bestehen hinsichtlich der Füllmenge keine Beschränkungen. Auch bei der für eine höhere Belegung geltenden Höchstfüllmenge von 25 kg erfüllt das Design immer noch die Anforderungen der EN 378.

Das neue Kühllager von Park Cakes, das im Oktober 2017 in Betrieb ging, ersetzt zehn modulare Lager mit einer Kapazität von jeweils 36 Paletten. Das neue Gebäude, dessen Kälteanlage mit dem Kältemittel R-454A betrieben wird, kann dieselbe Anzahl an Paletten aufnehmen, allerdings auf einer kleineren und somit viel besser zu überwachenden Fläche.

Die Halle ist komplett mit Hochregallagern ausgestattet und kann mit dem Gabelstapler bedient werden und ermöglicht so einen schnelleren und einfacheren Zugriff auf die gelagerte Ware.

Die für die Installation der Kälteanlage zuständigen Mitarbeiter waren in Handhabung und Einsatz von brennbaren Kältemitteln geschult. Die Installation erfolgte gemäß der in einschlägigen Normen wie EN 378 festgelegten Richtlinien.

Dazu Kevin Smith, technischer Leiter bei Dawsonrentals: „Für die Kälteanlage setzten wir die neuesten, energieeffizienten Komponenten ein, in Kombination mit dem Kältemittel ‚Opteon XL40‘, das einen sehr niedrigen GWP-Wert von 239 besitzt. Unser Team vor Ort brauchte lediglich 22 Wochen, um das Lager zu errichten und in Betrieb zu nehmen.“

Leistungsdaten der Kälteanlage

Park Cakes ist mit der Leistung des Kühllagers sehr zufrieden. Dieser Abschnitt fasst die aufgezeichneten Daten des zum Haupteingang der Halle am nächsten gelegenen Verflüssigungssatzes zusammen. Da keine Aufzeichnungen für R-407F vorlagen, war ein direkter Vergleich nicht möglich. Jedoch konnten unter der Annahme, dass die Betriebsparameter identisch zu „Opteon XL40“ wären, die Leistungsdaten für R-407F und R-404A abgeleitet werden. So ergab sich für „Opteon XL40“ eine höhere Kälteleistung von 6 % bzw. 11 % gegenüber R-407A und R-404A sowie eine verbesserte Energieeffizienz von 14 % bzw. 12 %.

Zur Aufzeichnung der Daten kam ein Climacheck-Datenlogger zum Einsatz. Die Messfühler protokollierten die Drücke und Temperaturen auf der Saug- und Druckseite sowie die Temperatur in der Flüssigkeitsleitung im Abstand von fünf Sekunden.

Während der Datenaufzeichnung wurde das Kühllager mit Ware bestückt. Da die Tür in dieser Zeit sehr oft offen stand, war die Kälteanlage fast durchgehend in Betrieb, während sie im Normalfall nur bei Bedarf anspringt. Da die Temperatur am Verdampferausgang nicht gemessen werden konnte, wurde angenommen, dass die Überhitzung kon­stant bei den aufgezeichneten 10 K lag. Mit Hilfe der protokollierten Daten wurden die Mittlere Verflüssigungstemperatur, Mittlere Verdampfungstemperatur, gesamte Sauggasüberhitzung, gesamte Flüssigkeitsunterkühlung, Kälteleistung sowie der COP berechnet.

Aus den aufgezeichneten Anlagendaten (Grafik 1) und den errechneten Betriebsparametern (Grafik 2) konnten dann Rückschlüsse auf die Leistung von R-4047A und R-404A unter denselben Bedingungen gezogen werden (Tabelle 1). Auf Grund der Referenzdaten aus der Bitzer-Software lag die Vermutung nahe, dass bei R-407F zur Steuerung der Druckgastemperaturen Flüssigkeitseinspritzung zum Einsatz kam. Daher wurde für die Auslegung angenommen, dass Druckgastemperaturen von mehr als 108 °C (dem für „Opteon XL40“ gemessenen Höchstwert) immer Flüssigkeitseinspritzung erforderlich ist.

Schlussfolgerungen

Der Einsatz von „Opteon XL40“ war in jeder Hinsicht ein Erfolg – von der Installation über die allgemeine Performance der Anlage bis hin zur Reduktion des GWP-Werts. Die Installation der Anlage war nicht komplexer als bei einem R-407-basierenden System. Die Gefährdungsbeurteilung ergab keine Situationen, in denen zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich waren, und auch die Berechnung der Füllmengen stellte keine Hürde dar.

Park Cakes ist mit den Ergebnissen sehr zufrieden. Dazu George Walsh, Supply Chain Manager des Unternehmens: „Unsere ursprünglichen Planungen basierten auf einer vermeintlich kostengünstigen Lösung mit auf R-404A-basierenden modularen Einheiten. Wir mussten aber schnell feststellen, dass dies weder eine langfristige noch innovative Lösung sein würde. Daher bin ich sehr froh über die Zusammenarbeit mit Dawsonrentals bei diesem Projekt. Das neue Gebäude hat zahlreiche Vorteile: Es bietet dieselbe Lagerkapazität bei gleicher Grundfläche und ermöglicht zudem geringere Betriebskosten sowie einen einfacheren Zugang. Es ist in jeder Hinsicht wirtschaftlicher und praktischer. Die Tatsache, dass wir nun nicht zehn verschiedene Türen öffnen und schließen müssen und das Kältemittel R-454A im Einsatz haben, trägt signifikant zur Reduktion unseres Umwelteinflusses bei.“

Seit der Installation im Oktober 2017 läuft das System ohne Probleme. Die auf den aufgezeichneten Daten basierenden Berechnungen deuten darauf hin, dass das System eine höhere Leistung erreicht als R-407A oder R-404A bei identischen Betriebsparametern. „Opteon XL40“ hat sich als ein sehr gutes Ersatzkältemittel für R-404A erwiesen. Es ­ermöglicht eine Verbesserung der Leistungsdaten sowie eine Reduktion des GWP-Werts um 94 %.