Auftraggeber:	Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Zeitraum:	11/2009 – 11/2011
Status:
Partner:	www
Kontakt:	Yvonne Müller      +49 - 351 - 4081- 758      email

Werkstoffverhalten unter überkritischen CO₂-Bedingungen

Kohlendioxid (CO₂) als Arbeitsstoff hat eine lange Tradition in der Kältetechnik. Ende des 19. Jahrhunderts war CO₂ neben Ammoniak (NH₃) und Schwefeldioxid (SO₂) das Standardkältemittel. Nachfolgend wurde es jedoch mit der Einführung  der Sicherheitskältemittel weitgehend aus der industriellen und gewerblichen Kälte verdrängt. Dank seiner Umweltverträglichkeit, kein Ozonabbaupotential (ODP-Wert; Ozon Depletion Potential) und seines vernachlässigbaren direkten Treibhauseffekts (Global Warming Potential; GWP₁₀₀ = 1), wird es heute wieder vermehrt für Anwendungen interessant.

Während auch andere „natürliche“ Kältemittel – wie Ammoniak und Kohlenwasserstoffe – diese Umweltverträglichkeit für sich beanspruchen können, ist CO₂ darüber hinaus weder giftig noch geruchsintensiv oder brennbar. Zudem erreichen CO₂-Anlagen wegen der hohen volumetrischen Kälteleistung und Dichte eine hohe Kompaktheit (Verdichter, Leitungsquerschnitte) was sich besonders gekoppelt mit möglichen Direktverdampfungssystemen positiv auf die Baugröße und den anlagentechnischen Aufwand auswirkt.

Technisch etabliert sind heute Anwendungen, bei denen das CO₂ in der Tieftemperaturstufe  von Kaskadenkälteanlagen eingesetzt wird. Durch spezielle technische Gestaltungen wird dabei abgesichert, dass auch bei Anlagenstillstand und Umgebungstemperaturen über der kritischen Temperatur von 31 °C keine Gefährdungen entstehen.

Hinsichtlich seines Verhaltens gegenüber Werkstoffen und Materialien ist das CO₂ im unterkritischen Bereich durchaus vergleichbar mit HFKW. Andere Sachverhalte können sich beim überkritischen Einsatz  ergeben.

Oberhalb der kritischen Isobaren von 73,773 bar sowie oberhalb der kritischen Temperatur des CO₂ von 31 °C besteht die Gefahr, dass CO₂ Eigenschaften annimmt, die sich vom gasförmigen CO₂ wesentlich unterscheiden. Die beim transkritischen Betrieb auftretenden Wechselwirkungen mit den Komponenten von kältetechnischen Kreisläufen können zu frühzeitigen Alterungserscheinungen von Materialien und damit zum Ausfall der Anlagen führen. Die Schädigungsmechanismen sowie die wechselseitigen Beeinflussungen von Kältemittel, Schmierstoffen sowie Konstruktions- und Dichtwerkstoffen in hochbeanspruchten CO₂-Anlagen sind noch weitgehend unerforscht und stellen ein Hemmnis bei der breiteren Anwendung transkritischer CO₂-Kreisläufe dar. Es stellt sich insbesondere die Frage, in wie weit die bisher verfügbaren Elastomere, Kunststoffe und Lacke für entsprechende Anwendungen (Ventildichtungen, Hochdruckschläuche, Isolierlacke) dauerhaft geeignet sind. Überkritische Zustände treten sowohl beim Betrieb der Anlage als auch im Anlagenruhezustand bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 31 °C auf.

Das Forschungsvorhaben beinhaltet die Entwicklung einer Verfahrensmethodik zur wissenschaftlichen Untersuchung und Charakterisierung verschiedener Materialien, die in CO₂-Kältekreisläufen Anwendung finden hinsichtlich ihres Langzeitverhaltens bzw. ihrer Beständigkeit in überkritischem Kohlendioxid. Eine Zusammenarbeit mit Herstellern dieser Materialien wird ausdrücklich angestrebt. Die Untersuchungsergebnisse sollen es ermöglichen, Qualitätsverbesserungen und Optimierungen an den Materialien in Hinblick auf Langzeitstabilität und Beständigkeit vorzunehmen.

Gerne treten wir mit Firmen in Kontakt, die an dieser Thematik Interesse haben oder bereits schon eigene Erfahrungen beim Umgang mit überkritischen CO₂ gesammelt haben.