Im Spannungsfeld der F-Gas-Verordnung

Ausgangslage

Der Klimawandel und seine Folgen sind deutlicher spürbar denn je. Schon früh haben die globalen Klimaabkommen wie das Montreal- und Kyoto-Protokoll und deren Nachfolger einen Rahmen geschaffen, durch den die Auswirkungen u. a. infolge der globalen Erderwärmung minimiert werden sollen. Der wesentliche Beitrag liegt in der Reduktion der Emissionen treibhauswirksamer Gase.

Die Ratifizierung der globalen Abkommen durch die Europäische Union (siehe u.a. [1], [2]) führt dann durch Erlass von verpflichtenden Rechtsakten von der Absichtserklärung zur Umsetzungsverpflichtung auf nationaler Ebene (direkt bei Verordnungen und Beschlüssen bzw. indirekt zur Umsetzung in nationales Recht bei Richtlinien).

Mit Relevanz für die Kältetechnik werden direkte Emissionen auf Europäischer Ebene durch die „Ozonzerstörende Stoffe“-Verordnung [3], die F-Gas-Verordnung [4] und „MAC“-Richtlinie [5] adressiert.

Indirekte Emissionen ergeben sich aus dem Energieverbrauch einer Anlage, d.h. sie werden durch den Energiebedarf einer Anwendung und die Effizienz der Anlage zur Bereitstellung des benötigten Temperaturniveaus bestimmt. Einflüsse auf die Effizienz haben u.a. das Anlagenkonzept, die Arbeitsstoffe und Komponenten aber auch die Betriebsweise und Regelung. Zusätzlich hat der Energiemix und der sich daraus ergebende Primärenergiefaktor einen erheblichen Einfluss auf die indirekten Emissionen. Die Zusammenhänge sind komplex und werden durch eine Vielzahl von Regularien geregelt. Exemplarisch seinen hier die „Öko-Design“ (ErP)-Richtlinie [6] genannt sowie die Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden [7], die in den kommenden Monaten in deutsches Recht umgesetzt werden muss.

Die Anforderungen der verschiedenen Regularien sind in den meisten Fällen nicht aufeinander abgestimmt, sind unterschiedlich aktuell und spiegeln nicht immer den technologischen Stand wider. Für Hersteller und Betreiber führt dies zu erheblichen Verunsicherungen und es ist fraglich, ob die Klimaschutzziele im Kontext der unterschiedlichen Regularien realisierbar sind.

Technologie und Anwendung aus Kältemittelperspektive

Die F-Gas-Verordnung beeinflusst die Einsetzbarkeit eines Kältemittels (KM) in verschiedenen Anwendungen; auf spezielle Anwendungen wird in den Verwendungsverboten eingegangen. Der wesentliche Hebel und damit der maßgebliche praktischen Einfluss auf die kältetechnischen Anwendungen ergibt sich aus dem Phase-down, der Quotierung der CO₂-Äquivalente – diese ist im Gegensatz zum Verwendungsverbot universell und ergibt sich aus dem Treibhauspotential (GWP) der Kältemittel und deren verwendeter Menge im Mix. Die derzeit wahrgenommenen Auswirkungen sind die Verfügbarkeit bestimmter Kältemittel mit höherem GWP und der deutlich gestiegene Preis für diese etablierten Kältemittel.

Auf der Suche nach Ersatzstoffen mit geringerem GWP und deren praktischer Einsatzbarkeit ergeben sich entlang der Wertschöpfungskette einer Kälteanlage verschiedene Abhängigkeiten (Abbildung 1).

Die erforderlichen Temperarturniveaus innerhalb einer kältetechnischen Anwendung lassen sich nur bedingt bzw. in bestimmten Grenzen beeinflussen. So sind notwendige Prozess- bzw. Lagertemperaturen in bestimmten Grenzen einzuhalten und selbst im Anwendungsfall subjektiver thermischer Behaglichkeit lassen sich die Grenzen nicht beliebig verschieben.

Mit der Verdampfungstemperatur (unterhalb der Anwendungstemperatur) und der Verflüssigungstemperatur (oberhalb der Temperatur der Wärmesenke) muss ein geeignetes Kältemittel gefunden werden, das hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften geeignet ist. Der Leistungsbedarf lässt sich ggf. durch technologische Maßnahmen beeinflussen (dieser Ansatz führt u. a. zur Energieeinsparverordnung (EnEV) [8]), gleiches gilt für die notwenigen Füllmengen und die Anlageneffizienz, wobei geringe Füllmengen (z.B. durch indirekte Anlagen) ggf. auch zu Lasten der Effizienz gehen. Grundsätzlich bestimmt die Anwendung damit auch die notwendige Menge des Kältemittels.

Für die ausgewählten Kältemittel müssen geeignete und freigegebene Komponenten verfügbar sein, die der Hersteller unter Berücksichtigung der einzuhaltenden Normen zu einer Anlage komplettiert. Da die Normen ggf. die Anwendbarkeit z.B. aufgrund der erlaubten Füllmengen einschränken, schließt sich der Kreis von der Anwendung über das Kältemittel zur Anwendung. Die Anwendung bestimmt die Auswahl des Kältemittels (thermodynamisch), schränkt dessen Einsatzbarkeit aber ggf. auch wieder ein (normativ und ökonomisch) – es ist wenig wie die Frage nach der Henne und dem Ei.

Diese für Kältetechniker so banalen Zusammenhänge werden bei einer rein auf ein CO₂-Äquivalent (d.h. GWP und Füllmenge) ausgerichteten Betrachtung nicht ausreichend berücksichtigt.

Die ökonomischen Folgen durch ggf. aufwändigere Anlagentechnik (z. B. aus Gründen der Effizienz oder der Sicherheit) lassen sich zum jetzigen Zeitpunkt nur sehr schwer qualifiziert abschätzen.

Die Abbildung 2 gibt schematisch einen Überblick über die zurzeit diskutierten Ersatzkältemittel je nach Anwendungsbereich. Die Übersicht stellt lediglich einen Ausschnitt dar und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit; die Zusammenfassung in den Anwendungsbereichen ist vereinfacht und dient der besseren Orientierung. Die Zuordnung der KM erfolgt auf Basis der verfügbaren Herstellerinformationen bzw. der allgemein zugänglichen Fachliteratur. Es werden vier Bereiche unterschieden:

Gruppe „R410A“: Typische Anwendungen: Wärmepumpen (WP), kleine Kaltwassersätze (KW) und Klimaanlagen (Split, Multi-Split) …

Gruppe „R404A“: Typische Anwendungen: Gewerbe-Kälte (Tiefkühlung), Transportkälte, …

Gruppe „R407C“ (hier findet sich in einigen Darstellungen auch die Referenz zu R22):  Typische Anwendungen: Wärmepumpen (WP), Klimaanlagen, ...

Gruppe „R134a“: Typische Anwendungen: Gewerbe-Kälte (Normalkühlung), Warmwasser-WP, große Kaltwassersätze (KW), Mobile Klimaanlagen, ...

Es ist absehbar, dass langfristig einsetzbare Kältemittel entweder brennbar (A2, A2L, A3) oder Hochdruck- (R744) bzw. Niederdruck-Kältemittel (R718) sind.

Reduktionszenarien aus Anwendungsperspektive

Die Stufen im Phase-down der F-Gas-Verordnung sind klar definiert. Im Folgenden wird in einer einfachen Modellrechnung überprüft, ob die Ziele der Verordnung, mit Hilfe der derzeit angebotenen alternativen Kältemittel, erreichbar sind.

Die Betrachtung bezieht sich auf die kältetechnische Anwendung im deutschen Markt, da hier über das Statistische Bundesamt eine Datenbasis zugänglich war, die eine differenzierte Betrachtung ermöglicht [9a, 9b]. Dies war für die europäische Ebene auf Basis der zugänglichen Daten der Europäischen Umweltagentur (EEA) nicht möglich [10], da hier nur die Ebene der Einzelstoffe betrachtet wird.

Im Jahr 2017 wurden in Deutschland ca. 7.100 t F-Gase als Kältemittel verwendet [9b] (2016 ca. 6.700 t. [9a]), das zugehörige CO₂-Äquivalent sank 2017 auf ca. 10 Mio. t (2016 ca. 12 Mio. t). Die Reduktion ist praktisch ausschließlich auf den Einsatz von R1234yf in Kfz-Klimaanlagen zurückzuführen, der vermehrte Einsatz von R449A wurde durch Mehrverbräuche über alle anderen Kältemittel kompensiert. Eine Übersicht zeigen die Abbildungen 3a und 3b, die Gruppe der anderen Kältemittel umfasst u.a. R422A, R422D, R407A, R407F, R417A, R23 und R14.

Für die Modellrechnung wurden die Kältemittelmengen zur Verwendung in Wärmepumpen (WP) aus den Einzelverbräuchen herausgerechnet. Die Basis hierfür bildete eine Statistik des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) [11] und eine Analyse der von den verschiedenen Marktteilnehmern verwendeten Kältemittel der Größenklassen sowie einer Abschätzung der Füllmenge je Gerätklasse. Für die Modellrechnung wurden die Kältemittelverbräuche des Jahres 2016 als Basis verwendet.

Zur Abschätzung des Potentials je Anwendungsgebiet wurden die Kältemittel in Gruppen zusammengefasst. Jeder Gruppe wurde ein Szenario zugeordnet. Bei der Berechnung wurde die Menge des Kältemittels als konstant angenommen (d.h. es wird unterstellt, dass kein Marktwachstum stattfindet) und die resultierenden CO₂-Äquivalente bei Verwendung der verfügbaren Kältemittel mit geringerem GWP ermittelt. Die Anteile der Ersatzstoffe je Szenario basieren auf einer Abschätzung unter Annahme einer möglichen praktisch realisierbaren Verteilung.

KM-Gruppe /Szenario Kfz: KM: R134a und R1234yf, Annahme: Im Jahr 2030 ist R134a vollständig durch R1234yf bzw. R744 ersetzt.

KM-Gruppe /Szenario R134a: KM R134a ohne Kfz, Annahme: Im Jahr 2030 ist R134a zu 50 % durch HFO (R1234ze) und zu 50 % durch R513A/R450A ersetzt.

KM-Gruppe /Szenario „Gewerbe“: KM R404A und R507A: Annahme: Im Jahr 2030 sind diese KM zu 25 % durch R744, zu 25 % durch R290 und zu 50 % durch R449A/R448A vollständig ersetzt.

KM-Gruppe /Szenario „Klima“: KM R410A: Annahme: Im Jahr 2030 ist R410A zu 25 % durch R32, zu 25 % durch R290 und zu 25 % durch R454C ersetzt. 25 % bleiben R410A – dieser Mix führt annähernd zum gleichen Ergebnis wie ein vollständiger Ersatz durch R32.

KM-Gruppe /Szenario „WP750“: KM R410A, R404A, R407C: Annahme: Im Jahr 2030 sind die KM bei allen Geräten für Außenaufstellung durch R290 ersetzt, bei allen Innengeräten durch ein KM mit GWP <750 (R32)

R407C und andere KM wurde in keinem weiteren Szenario berücksichtigt, da hier die praktische Zuordnung der Ersatzstoffe weniger eindeutig ist.

Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 zusammengefasst. Sollten sich die Ersatzstoffe tatsächlich aufgrund der technologischen, ökonomischen und regulativen Randbedingungen so einsetzen lassen, so können die Zielvorgaben der F-Gas-Verordnung bis 2030 erreicht werden; durch weitere Maßnahmen für R407C und andere KM wahrscheinlich auch die Kigali-Ziele für 2036 – Voraussetzung ist ein konstantes Marktvolumen.

Einfluss der Klimapolitik auf die Reduktionsszenarien

Wie wenig realistisch eine Annahme konstanter Mengen ist, zeigt sich, wenn die Klimaziele der Bundesregierung – eine Reduktion der treibhauswirksamen Gase bis 2050 um 80 bis 95 % – und mögliche Szenarien zur Zielerreichung betrachtet werden und in die oben dargestellten Reduktionsszenarien integriert werden.

Die dena – Deutsche Energie-Agentur GmbH hat in einer Studie Szenarien zur Umsetzung der Energiewende im Gebäudesektor betrachtet [11]. Es wurden verschiedene Einflussgrößen auf die Emissionen von Treibhausgasen im Gebäudesektor untersucht. Dazu gehörten u. a. die Gebäudehülle, die Anlagentechnik der Beheizung und die Energieerzeugung. Es wurden drei Leitszenarien untersucht:

RF: Referenz: Aktuelle Entwicklung wird fortgesetzt, keine Änderungen

EL: Elektrifizierung: weitgehende Elektrifizierung der Heizung (Teilszenario EL80: das Ziel Verringerung der Treibhausgasemissionen wird zu 80 % erreicht, EL95: Das Ziel wird zu 95 % erreicht.)

TM: Technologiemix: verschiedenste Technologien, erneuerbarer Strom und synthetische Brennstoffe (Teilszenarien TM80 und TM95: Das Ziel wird zu 80 bzw. 95 % erreicht.)

Bei allen Szenarien, die zur Zielerreichung führen, kommt es zu einem erheblichen Anstieg des Einsatzes von Wärmepumpen (Abbildung 5).

Integriert man diese Ergebnisse mit einem Anstieg der jährlich installierten Wärmepumpen in die Reduktionsszenarien, so wird deutlich, dass das Phase-down-Ziel der F-Gas-Verordnung für 2030 nur noch schwer erreicht werden kann, selbst wenn für alle WP im Innenbereich ein KM mit einem GWP von < 150 eingesetzt würde (Abbildung 4). Die Szenarien ergeben sich wie folgt:

KM-Gruppe /Szenario „TM80_750“: Annahme: Im Jahr 2030 sind die KM bei allen Geräten für Außenaufstellung durch R290 ersetzt, bei allen Innengeräten durch ein KM mit GWP <750 (z. B. R32), die Anzahl der WP steigt von ca. 75.000 auf 210.000 pro Jahr.

KM-Gruppe /Szenario „EL95_750“: Annahme: Im Jahr 2030 sind die KM bei allen Geräten für Außenaufstellung durch R290 ersetzt, bei allen Innengeräten durch ein KM mit GWP <750 (z.B. R32), die Anzahl der WP steigt von ca. 75.000 auf 560.000 pro Jahr.

KM-Gruppe /Szenario „EL95_150“: Annahme: Im Jahr 2030 sind die KM bei allen Geräten für Außenaufstellung durch R290 ersetzt, bei allen Innengeräten durch ein KM mit GWP <150, die Anzahl der WP steigt von ca. 75.000 auf 560.000 pro Jahr.

Umsetzbarkeit aus Normungssicht

Da praktisch alle Ersatzkältemittel erhöhte Anforderungen an die Sicherheit haben, ist es notwendig, die Einsetzbarkeit dieser KM in den gewählten Anwendungen aufgrund der bestehenden Regelwerke zu prüfen. Aufgrund der Komplexität und des Umfanges werden an dieser Stelle nur die wesentlichen Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefasst. Es bietet sich an, die Betrachtung aus Hersteller- bzw. Produktperspektive, aus Betriebsperspektive und aus Anwendungssicht durchzuführen. Für jede der drei Sichtweisen lässt sich eine Analyse auf Basis der Europäischen Richtlinien, der nationalen Gesetzgebung und darunterliegender spanischer Regelungen z.B. auf Landesebene durchführen.

Produktebene: Schutzziel Produktsicherheit – Freier Warenverkehr

Der Fokus auf europäischer Ebene liegt auf der Gerätesicherheit als Basis für den freien Warenverkehr. Dieses setzt sich prinzipiell auch auf nationaler Ebene fort. Die detaillierten Anforderungen der harmonisierten Normen schränken die Verwendung der brennbaren KM hinsichtlich der Füllmengen und Aufstellorte ein. Kälteanlagen mit brennbaren KM sind nach Produktsicherheitsgesetz immer überwachungsbedürftige Anlagen, was zu erhöhtem Aufwand auf Betriebsebene führt.

Betriebsebene: Schutzziel Arbeitssicherheit

Diese Ebene hat das Hauptziel, den Arbeitnehmer vor Gefahren zu schützen. Darunter fallen das Arbeitsschutzgesetz mit der Betriebssicherheitsverordnung, Gefahrstoffverordnung und der Arbeitsstättenverordnung sowie die zugehörigen Technischen Regeln (TRBS, TRGS, ASR). Die notwendigen Gefährdungsbeurteilungen müssen unabhängig davon ausgeführt werden, ob das KM brennbar ist oder nicht, nur führt die Bewertung ggf. zu einem anderen Ergebnis. Besonderes Augenmerk gilt Instandsetzungs- und Servicearbeiten, da hier vermehrt mit dem Freisetzen des KM zu rechnen ist. Zusätzlich kommen noch die Anforderungen der Sozialversicherungsträger hinzu z.B. die DGUV-R-Regelwerke.

Anwendung: Schutzziel Sicherer Betrieb

In dieser Ebene lassen sich die Anforderungen an die Anwendung aus verschiedenen Perspektiven zusammenfassen. Hierzu gehören auch die landespezifischen Verordnungen wie etwa die Bauordnungen. Obwohl in Fachkreisen immer wieder von speziellen Verboten für brennbare KM auf dieser Ebene berichtet wird, konnte keine spezielle Verordnung identifiziert werden, die die Anwendung mit brennbaren Kältemitteln grundsätzlich untersagt.

Zusammenfassung

Die F-Gas-Verordnung ist ein Werkzeug zur Durchsetzung der Klimaschutz-Ziele. Zum Erreichen der Ziele müssen alternative Kältemittel mit geringerem GWP eingesetzt werden. Es sind derzeit eine Reihe von Alternativen für viele Anwendungen verfügbar, die theoretisch zum Erreichen der Ziele beitragen können. Praktisch alle identifizierten längerfristigen Alternativen stellen allerdings erhöhte Anforderungen an die Sicherheitstechnik.

Die rein stoffliche Betrachtung ohne Mengenbetrachtung durch Marktdynamiken kann die Wirksamkeit einzelner Maßnahmen negativ beeinflussen. Offensichtlich ergeben sich dann Zielkonflikte, wenn verschiedene Klimaschutz-Maßnahmen zusammenkommen.

Die Gesetze, Verordnungen und Normen lassen den Einsatz der Alternativen grundsätzlich zu, schränken die Verwendung aber stark ein. Eine Umsetzung der theoretischen Modelle ist somit praktisch noch nicht möglich.

Literaturhinweise