Wie sich Kältemittelverfügbarkeit und F-Gase-Verordnung vertragen

Der regulatorische Hintergrund ist die F-Gase-Verordnung von 2014, in der beginnend im Jahr 2015 eine Begrenzung und stufenweise Reduzierung der HFKW-Vermarktungsmengen in der EU durch eine Quotenregelung festgelegt ist (Tabelle 1).

Die Gesamtmenge (100 Prozent) entspricht dabei den in den Referenzjahren 2009 bis 2012 im Jahresdurchschnitt produzierten und importierten HFKW-Mengen. Die in vorgefüllten Geräten importierten Mengen sind in dieser Gesamtmenge nicht enthalten.

Die Quotenzuteilung erfolgte dann an zwei „Typen“ von Quotenempfängern:

• „Incumbents“ sind diejenigen Firmen, die in den Referenzjahren 2009 bis 2012 die Produktion oder den Import von HFKW an die EU-Kommission gemeldet haben. Dies sind im Wesentlichen die etablierten Kältemittelhersteller und Kältemittelimporteure und damit die Lieferanten in die traditionelle Lieferkette Kältemittelhersteller-Kältemittelhändler. Diese „Incumbents” erhielten für 2015 eine Menge von 89 Prozent der in den Jahren 2009 bis 2012 gemeldeten jährlichen Durchschnittsmenge zugeteilt.
• „New Entrants“ (Neueinsteiger) sind Firmen, die in den Referenzjahren 2009 bis 2012 kein HFKW produziert oder importiert haben, dies jedoch in der Zukunft tun wollen. Für diese „New Entrants“ wurden für 2015 elf Prozent der Quoten reserviert. Firmen konnten sich 2014 für die Zuteilung einer Importquote bewerben und elf Prozent der Gesamtmenge wurden auf alle Bewerber verteilt. Wegen der großen Zahl der Bewerber war die jeweils zugeteilte Quote jedoch relativ klein.

Wie werden nun die Quoten berechnet und wie ergeben sich daraus die im Markt verfügbaren Kältemittelmengen? Dazu sollen zunächst ein paar Grundlagen erläutert werden. Die Quoten werden nicht als HFKW-Mengen, sondern als CO₂-equivalente Mengen zugeteilt (CO₂eq-Tonnen). Eine zentrale Größe ist hierbei das GWP („Global Warming Potential” oder “Treibhauspotenzial”) eines Kältemittels.

Das GWP bezeichnet den Beitrag eines Stoffes zum Treibhauseffekt relativ zu CO₂ und ist keine messbare Stoffgröße, sondern resultiert aus der Betrachtung und Interpretation verschiedener Prozesse in der Atmosphäre, unter anderem aus dem Absorptionsverhalten des Stoffes im mittleren Infrarotbereich (behindert die Abkühlung der Atmosphäre) und der Verweildauer des Stoffes in der Atmosphäre.

Die GWP-Werte werden durch die Arbeitsgruppe 1 des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) auf Basis der jeweils neuesten Kenntnisse der Atmosphärenprozesse festgelegt und in „Assessment Reports“ (Sachstandsberichte) veröffentlicht. Die Werte werden regelmäßig überprüft und beim Vorliegen neuerer Erkenntnisse angepasst und in aktualisierten Sachstandsberichten veröffentlicht. Die GWP-Werte einiger gebräuchlicher Kältemittel in den bisher erschienenen fünf Sachstandsberichten AR1 bis AR5 sind in Tabelle 2 zusammengefasst:

Es wird deutlich, dass die durch das IPCC für verschiedene Kältemittel festgelegten GWP-Werte sich aufgrund neuerer Kenntnisse der Abläufe in der Atmosphäre ändern können, Angaben der GWP-Werte sollten daher immer mit dem Hinweis auf den zugrunde liegenden Sachstandsbericht versehen werden. Die in der F-Gase-Verordnung verwendeten und damit für die Quoten maßgeblichen Werte sind die des 4. Sachstandsberichts (AR4) von 2007.

Die CO₂-äquivalente Menge für eine bestimmte Masse eines Stoffes ergibt sich dann als „Masse x GWP-Wert“ eines Stoffes. Die CO₂-äquivalente Menge für eine Tonne HFKW-134a ist demnach 1430 CO₂-equivalente Tonnen (nach AR4).

Wie wurde nun für 2015 die Ausgangsquote für eine Firma ermittelt, die in den Jahren 2009 bis 2012 HFKW produziert oder importiert hat („Incumbent“)? Dazu ist in Tabelle 3 ein Beispiel für einen fiktiven Importeur dargestellt. Die durchschnittlichen Jahresmengen für jedes Kältemittel wurden mit dem jeweiligen GWP-Wert (nach AR4) multipliziert. Daraus ergab sich für jedes Kältemittel eine Jahresmenge in CO₂eq Tonnen und somit in diesem Beispiel eine Gesamtmenge von knapp 12 Mio. CO₂eq Tonnen. Von diesen 12 Mio. CO₂eq Tonnen wurden dem fiktiven „Incumbent“ in diesem Beispiel 89 Prozent für das Jahr 2015 zugeteilt. Der Produktmix, für dessen Import diese Quote verwendet wird, ist nicht festgelegt und darf vom Produktmix in den Referenzjahren abweichen. So kann das Portfolio an die Marktbedürfnisse angepasst werden.

Wie entwickeln sich nun die Quoten eines typischen „Incumbent“. Wie in Tabelle 1 dargestellt sieht die F-Gase-Verordnung eine stufenweise Reduzierung der Quoten bis zum Jahr 2030 vor. Die einen „Incumbent“ betreffenden Reduktionsschritte bis 2023 ergeben sich dann wie in Tabelle 4 errechnet. Im Rahmen der „Reviews“ 2017 und 2020 werden die tatsächlichen Vermarktungsmengen der Vorjahre ermittelt („Referenzwert“) und dementsprechend die Quoten für die Folgejahre festgelegt. Bei Ausschöpfung der Quoten in den Vorjahren ergeben sich die dargestellten Maximalwerte.

Durch die Zuweisung von Quoten an „New Entrants“ in 2015, 2018 und 2021 sinkt die Quotenverfügbarkeit für „Incumbents“ deutlich schneller als die Gesamtquoten, während der Anteil der „New Entrants“, deren Einzelquoten wegen der großen Anzahl sehr klein sind, steigt: Die Entwicklung der Quoten von „Incumbents“ und „New Entrants“ verdeutlicht Bild 1.

Wie bereits erwähnt sind „Incumbents“ im Wesentlichen die Lieferanten in die traditionellen Lieferketten. Die Quoten zur Versorgung dieser traditionellen Lieferketten sinken stärker als die Gesamtmengen. Dagegen steigt der Quotenanteil der „New Entrants“, die wegen der großen Anzahl der Bewerber nur sehr geringe Einzelquoten zur Verfügung haben und die die entsprechenden Mengen dem Markt möglicherweise nicht zur Verfügung stellen können. In den Jahren 2021 bis 2023 werden von der Gesamtquote von 45 Prozent nur noch knapp zwei Drittel (28 Prozent) auf traditionelle Lieferwege entfallen und mehr als ein Drittel (17 Prozent) auf „New Entrants“.

Die Vorgaben des Phase-Down müssen nun durch den Einsatz von weniger Kältemitteln und/oder durch den Einsatz von Kältemitteln mit niedrigeren GWP-Werten, und damit geringerem „Quotenverbrauch“ beim Inverkehrbringen, erfüllt werden. Welche Moleküle stehen dafür zur Verfügung?

Ideale Kältemittelkomponenten sollten sicher (geringe Toxizität und möglichst nicht entzündlich), mit den bestehenden Technologien einsetzbar (Materialverträglichkeit, Siedepunkte, chemische Stabilität) und wirtschaftlich (Energieverbrauch, Herstellungskosten, Verfügbarkeit) sein. Einige technisch attraktive Kandidaten kommen letztlich aufgrund von Toxikologie oder Entzündlichkeit nicht infrage. Die aus heutiger Sicht geeigneten Komponenten sind in Tabelle 5 dargestellt.

Es wird deutlich, dass die weitaus meisten der zukünftig einsetzbaren Kältemittel alte Bekannte sind. In dem für Kältemittel interessanten Normalsiedebereich von –50 °C bis 0 °C finden sich neben den seit Langem bekannten Komponenten R32, R125, R134a, und R152a lediglich zwei Kandidaten mit sehr niedrigen GWP-Werten, nämlich HFO-1234yf und HFO-1234ze.

Um optimale Eigenschaften für die verschiedenen Anwendungen in der Kälte- und Klimatechnik zu erhalten, werden in Zukunft mehr noch als in der Vergangenheit Kältemittelgemische zum Einsatz kommen. Dabei werden Kältemittel mit sehr niedrigem GWP mit anderen Kältemitteln gemischt, um die Brennbarkeit zu reduzieren und die gewünschte Kälteleistung zu erreichen.

Eine Zusammenstellung der gegenwärtigen Vorschläge zum Ersatz von HFKW-134a zeigt Tabelle 6: Im Wesentlichen werden hier die GWP-Werte durch Beimischung von HFO-1234yf oder HFO-1234ze zu R134a reduziert. Bei HFO-Beimischungen in der Größenordnung von etwa 50 Prozent sind die Gemische nicht entzündlich und weisen GWP-Werte von etwa 600 auf. Eine weitere Reduzierung der GWP-Werte kann durch höhere HFO-Anteile erzielt werden, diese Gemische sind dann in die Sicherheitsklasse 2L ein­zuordnen.

Ähnlich lassen sich Gemische für die Anwendung im Klimabereich als Alternativen zu R410A und R407C formulieren. Die wesentlichen Komponenten der bisher eingesetzten Kältemittel R407C und R410A sind HFKW-32 und HFKW-125, im R407C ist zudem HFKW-134a enthalten, um den Druck zu reduzieren.

Wie in Tabelle 7 gezeigt enthalten auch die „neuen“ Kältemittelgemische als Hauptkomponente das bekannte HFKW-32. Der Anteil von HFKW-125 mit seinem hohen GWP wurde auf ein Minimum reduziert und stattdessen HFO-1234yf oder HFO-1234ze eingesetzt. Durch den hohen Anteil von R32 sind die neuen Kältemittelgemische in der Regel brennbar und in die Klasse 2L eingestuft. Auch die Entwicklung von Alternativen für R404A in der Tiefkühlung folgt ähnlichen Prinzipien.

Wie in Tabelle 8 dargestellt sind die R404A-Hauptkomponenten HFKW-125 und HFKW-143a. Letzteres weist einen sehr hohen GWP-Wert auf und wird in keinem der Alternativkältemittel eingesetzt. Der Einsatz von HFKW-125 lässt sich jedoch in Kältemitteln für die Tiefkühlung kaum vermeiden.

Als weitere Komponente mit niedrigem Siedepunkt wird wie bereits in den Kälte­mitteln der 407-Serie in den neuen Kälte­mitteln HFKW 32 statt HFKW-143a eingesetzt. Letztlich sind die neuen HFO-enthaltenden Kältemittelgemische den Kälte­mitteln der 407-Serie recht ähnlich.

Die niedrig siedenden Komponenten sind weiterhin HFKW-32 und HFKW-125, das in den 407-Kältemitteln zur Regulierung von Druck und Heißgastemperatur eingesetzte HFKW 134a wird in den neuen Gemischen ganz oder teilweise durch HFO-1234yf oder HFO-1234ze ersetzt und somit der GWP-Wert reduziert.

Zusammenfassung

Die Verfügbarkeit in der traditionellen Lieferkette für HFKW-Kältemittel wird durch die F-Gase-Verordnung stärker eingeschränkt als der Gesamtmarkt, der Anteil der „New Entrants“ an den zugeteilten Quoten steigt dagegen. Hier sind neue Konzepte gefragt, um die in der Regel sehr kleinen Einzelquoten dieser Neueinsteiger dem Markt zur Verfügung zu stellen.

Bei der Betrachtung der zur Verfügung stehenden Kältemittelkomponenten zeigt sich, dass bekannte HFKW-Kältemittel wie R32, R134a, und auch R125 nicht nur Teil des Problems, sondern auch Teil der Lösung sind. Auch in den neuen HFO-haltigen Kältemitteln mit reduzierten GWP-Werten kann auf diese HFKW nicht verzichtet ­werden.

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