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Lachgas (N2O) als Kältemittelersatz für R-23

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

04/2016 – 09/2018

Dr. Joachim Germanus

+49-351-4081-777

Nichtbrennbares, natürliches Tieftemperatur-KM

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, dass bisher weitestgehend nur theoretisch betrachtete Hochdruck-Tieftemperaturkältemittel R-744A (N2O) für die Tieftemperaturkühlung nutzbar zu machen und damit eine Alternative zum bislang verwendeten, nichtbrennbaren R-23 (Global Warming Potential: 14.800) anzubieten. Lachgas ist eine unter normalen Bedingungen stabile Verbindung mit vorteilhaften thermodynamischen Eigenschaften für kältetechnische Anwendungen. Als natürliches und nicht brennbares Kältemittel hat es einen 50mal niedrigeren GWP-Wert als R-23. Nachteilig sind seine oxidierende Wirkung und chemische Instabilität. Bei erhöhten Drücken und Temperaturen zersetzt es sich spontan unter Energiefreisetzung in Stickstoff und Sauerstoff. Deshalb wird zunächst im Rahmen von experimentellen Untersuchungen geprüft, in welchen Konzentrationen ein geeignetes Phlegmatisierungsmittel zugesetzt werden muss, um unter den kältetechnischen Bedingungen eines Kompressionskältekreislaufes eine Zersetzung auszuschließen. Aufgrund seiner hohen Oxidationskraft können keine für kältetechnischen Anwendungen üblichen Schmierstoffe, wie beispielsweise PAG- oder POE-Öle, verwendet werden. Nur perfluorierte Verbindungen kommen  aufgrund ihrer chemischen Stabilität in Frage und müssen auf ihre kältetechnische Eignung untersucht werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll eine Kühlkaskade ausgelegt und als Funktionsmuster aufgebaut werden, in der in der Tieftemperaturkühlstufe Lachgas im Gemisch mit einer weiteren Komponente als Kältemittel eingesetzt wird. Zwar besitzt Lachgas einen etwas niedrigeren Dampfdruck als Kohlendioxid, jedoch liegt sein Tripelpunkt deutlich niedriger als der des Kohlendioxids, so dass vergleichsweise tiefere Verdampfungstemperaturen erreicht werden können, ohne dass das Kältemittel in den festen Aggregatzustand übergeht und es zur Verstopfung des Expansionsventils kommen kann. Abbildung 1 zeigt eine Gegenüberstellung verschiedener Dampfdrücke von Tieftemperaturkältemitteln. Da für den Bereich der R-744-Kältetechnik seit einigen Jahren eine Vielzahl hochdruckstabiler Kältekreislauf-komponenten am Markt erhältlich sind und diese problemlos eingesetzt werden, erwarten wir, dass die beim Einsatz von R-744A entstehenden höheren Drücke ebenso wie bei R-744 beherrschbar sind. Anwendungsgebiete für Temperaturen unterhalb von -50 °C gibt es zahlreich. Als Beispiele seien hierbei auf Anwendungen in den Bereichen Umweltsimulation, Medizin- und Pharmatechnik, Kryokonservierung, Gefriertrocknung und Lebensmitteltechnik verwiesen. Bei erfolgreichem Abschluss des Forschungsvorhabens wird eine Voraussetzung geschaffen, um R-23 in diesen bisherigen Haupteinsatzgebieten durch ein umweltfreundlicheres Kältemitte zu ersetzen. 


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