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Eigenschaften von Propan/R290
Herausforderung Sicherheit – Gefährdungsbeurteilung für den Betrieb
Kälteanlagentechnik bei Propan
Praxisbeispiele Propankälteanlagen
Fachbegriffe: Erläuterung
Eigenschaften von Propan/R290
Herausforderung Sicherheit – Gefährdungsbeurteilung für den Betrieb
Kälteanlagentechnik bei Propan
Praxisbeispiele Propankälteanlagen
Fachbegriffe: Erläuterung
Propan wird aufgrund seiner hochentzündlichen Eigenschaft gemäß DIN EN 378-1 in die Sicherheitsklasse A3 eingestuft. Dies führt in der Planung, beim Transport, bei Wartungsarbeiten und im Betrieb zu einem erhöhten sicherheitstechnischen Aufwand. Die hohen Sicherheitsanforderungen stellten in der Vergangenheit für viele Betreiber ein Hindernis dar. Abgesehen von den Sicherheitsvorschriften handelt es sich bei Propan um ein einfach handzuhabendes Kältemittel. [16]
| Eigenschaften | R290 | R744 |
|---|---|---|
| Normalsiedepunkt in °C | -42,2 | -78,4 |
| Kritische Temperatur in °C | 96,7 | 31,0 |
| Druck bei Siedetemperatur von 40 °C | 13,7 bar | 90 -120 bar |
| Brennbarkeit | ja | nein |
| Toxizität | nein | >10 % nein |
| GWP | 3 | 1 |
| Vol. Verdampfungswärme bei 0 °C | 3.880 kJ/m^3 | 22.550 kJ/m^3 |
Im direkten Vergleich zu CO2 ist zu erkennen, dass der Einsatzbereich von Propan eher im Normal- und Klimabereich zu verordnen ist. Die höhere Lage der kritischen Temperatur ermöglicht es auch bei hohen Außentemperaturen im Sommer im Gegensatz zu CO2 im energieeffizienten subkritischen Betriebsbereich zu bleiben. Aufgrund der niedrigeren volumetrischen Verdampfungswärme ist für die gleiche Kälteleistung eine höhere Füllmenge an Kältemittel notwendig. Positiv hervorzuheben ist jedoch die niedrige Drucklage, wodurch die Regeltechnik deutlich einfacher aufgebaut ist. Prinzipiell ist der Standardaufbau der Kälteanlage beim Einsatz von Propan einfach zu übernehmen, was die Anwendung für Betreiber und Kälteanlagenbauer in vielen Fällen erleichtert. [1]
Für den sicheren Betrieb der Propananlage ist eine Gefährdungsbeurteilung vom Betreiber (ggfs. mit Unterstützung des Anlagenherstellers) zu erstellen. Der Inhalt der Beurteilung orientiert sich an den drei Hauptpunkten: Gasansammlungen ausschließen, Zündquellen vermeiden und Sicherheitszonen definieren. Hierbei wird die Gefahr der drei Hauptgefährdungen eingeschätzt und das Auftreten mittels erforderlicher Schutzmaßnahmen minimiert. [17]
Vermeidung von Gasansammlungen aufgrund der höheren Dichte von Propan durch bauliche oder lüftungstechnische Maßnahmen, wie:
Weitere Einzelheiten sind in der DIN EN 378-3 nachzulesen.
[17]
Umgebungsbedingungen nach relevanten Zündquellen überprüfen:
Maßnahmen: Ausführung der elektrischen Geräte nach ATEX-Richtlinie, fachgerechte Erdung der Betriebsmittel, Entfernung bzw. aktive Kühlung von Wärmequellen.
[17]
GefStoffV schreibt Einteilung der unmittelbaren Umgebung der Propan-Anlage in Sicherheitszonen vor:
Betreten der Zonen ist nur durch berechtigte Personen erlaubt Es sind Umzäunungen und Warnhinweisen anzubringen.
[17]
Beim Einsatz von Propan als Kältemittel verändert sich im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln kaum etwas am klassischen Aufbau der Kälteanlage. Somit handelt es sich um den bereits viel erprobten Aufbau einer Verdichtungskälteanlage. Durch die Veränderung des Aggregatzustands des Kältemittels im Kältekreislauf, wird dem zu kühlenden Raum Wärme entzogen und an die Umgebung abgegeben. Das Funktionsprinzip und der Aufbau der Kälteanlage können wie folgt beschrieben werden:
![Arbeitsweise einer Verdichtungskälteanlage [7]](https://www.zvkkw.de/wp-content/uploads/2024/09/r290_komponenten.jpg "Arbeitsweise einer Verdichtungskälteanlage [7]")
Der Kältekreislauf kann in einem sogenannten Druck-Enthalpie-Diagramm (log p,h) dargestellt werden. Ein solches Diagramm ist in der unteren Abbildung für einen idealen (s = konst.) Kältekreisprozess dargestellt. Die einzelnen Zahlen stellen hierbei die verschiedenen Zustandspunkte dar, wodurch der Wechsel der Zustandsänderungen der natürlichen Kältemittel nachvollzogen werden kann.
Idealisiert arbeitet die Kälteanlage zwischen zwei Temperaturniveaus: einer hohen Verflüssigungstemperatur, bei der Wärme abgegeben wird, und einer tiefen Verdampfungstemperatur bei gleichzeitiger Wärmeaufnahme. Bei Kältekreisläufen handelt es sich um sogenannte linksläufige Kreisprozesse, bei denen durch den Antrieb mit elektrischer Energie Wärme entgegen dem Temperaturgefälle transportiert/ übertragen wird.
![Darstellung eines idealen linksläufigen Kältekreisprozesses im log p,h-Diagramm [7]](https://www.zvkkw.de/wp-content/uploads/2024/09/r290_kaeltekreislauf.jpg "Darstellung eines idealen linksläufigen Kältekreisprozesses im log p,h-Diagramm [7]")
In der Kälteanlagentechnik von Propan werden je nach Kältemittel-Füllmenge unterschiedliche Arten von Kälteanlagen gebaut. Dies hat mit den Sicherheitsanforderungen für Propan-Kälteanlagen zu tun. Grundsätzlich wird zwischen direkt und indirekt verdampfenden Kälteanlagen unterschieden. Bei einem direkten System wird das Kältemittel durch alle Rohrleitungen geführt und verbindet in einem Kreislauf den Kühlraum mit der Umgebung. Bei einem indirekten Kältekreislauf erfolgt die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe des Kältemittels an Zwischenkreisläufe, die den Transport der Wärme aus dem Kühlraum an die Umgebung übernehmen. Ziel ist es wenige Gebäudeteile durch die Anwesenheit von Propan zu gefährden, sodass der Sicherheitsbereich möglichst auf eine Räumlichkeit begrenzt wird. [18]
| Temperaturbereich | NK, Klima |
| Temperaturbereich | < 150 g |
| Anwendungen | Kleingeräte, Wärmepumpe, Kühlschränke |
| Leistungsbereich | Klein |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Typische Kälteanlage; geringe Kältemittel-Füllmenge durch Verwendung von Wärmetauschern mit kleiner Querschnittfläche |
| Bewertung | + keine zusätzlichen Maßnahmen für Explosionsschutz & Vorschriften für Verdichter + viel Expertise vorhanden, da typischer Aufbau |
| Temperaturbereich | NK, TK, Klima |
| Temperaturbereich | > 150 g |
| Anwendungen | Supermarkt, Kaltwassersatz |
| Leistungsbereich | Mittel, Groß |
| Aufbau / Funktionsprinzip | indirekte Aufnahme von Wärme durch Glykol (Wärmeträger) auf ND-Seite; direkte Verflüssigung auf HD-Seite |
| Bewertung | + geringes Sicherheitsrisiko auf der Kühlseite, da kein Kontakt mit Kältemittel + unkomplizierte und ungestörte Wartung + Minimierung der Propan-Füllmenge - Verluste durch zusätzlichen Wärmeübergang |
| Temperaturbereich | NK, TK, Klima |
| Temperaturbereich | > 150 g |
| Anwendungen | Supermarkt mit Abwärmenutzung, Wärme- und Kälteversorgung |
| Leistungsbereich | Mittel, Groß |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Aufbau/ Funktionsprinzip Indirekte Verdampfung und Verflüssigung über Sekundärkreislauf mit sicherheitsunbedenklichem Kälteträger (z.B. Glykol) |
| Bewertung | + Nutzung der Wärme möglich (KWKK) → höhere Effizienz + Minimierung der Propan-Füllmenge + Sicherheitsbereich kann von Außenkontakt abgegrenzt werden + Größere Freiheit bei der Wahl des Aufstellungsortes des Propan-Kreislaufs Möglichkeit zur Wahl eines Aufstellungsortes mit geringeren Sicherheitsanforderungen - Zusätzliche Komponenten und höhere Kosten - Verluste durch zusätzliche Wärmeübergange |
Propan (R290) eignet sich aus energetischer Sicht als natürliches Kältemittel am besten in der Anwendung im Normalkühl- (NK) und Klimatisierungsbereich (- 40 bis + 70 °C). Im Vergleich zu FCKWs, FKWs und HFKWs konnten in vielen ausgeführten Anlagen Effizienzsteigerungen von 5 – 15 % beobachtet werden. Aktuell erfolgt die Anwendung von Propan meistens in kleinen Systemen mit Füllmengen bis zu 150 g, wie steckerfertige Kühltruhen oder Kühlschränken, die direktverdampfend ausgeführt werden. Aufgrund der Einordnung von Propan als A3-Gefahrenstoff, sind zusätzliche Sicherheitsanforderungen bei der Installation, der Wartung und Herstellung der Anlagen einzuhalten. Grundsätzlich werden Propananlagen auch in größeren Flüssigkeitssätzen, in der Lebensmittel- oder Chemieindustrie sowie in Supermärkten eingesetzt. Die Anwendung von Propan-Kälteanlagen in Supermärkten erfolgt oft als doppelt oder einfach indirektes System mit Propylenglykol als Kälteträger in den Kühlräumen. Für den Tiefkühlbereich eignet sich eine zusätzliche CO2-Kaskade. Auch für die Klimatisierung und Beheizung des Gebäudes eignet sich eine mit Propan befüllte Wärmepumpe. [7]
| Anwendungen | Kühlung von Serverräumen; Kaltwasserbereitstellung |
| Typ | Wassergekühlter Kaltwassersatz |
| Temperaturbereich | 14 / 8 °C |
| Leistungsbereich | 5 kW und 15 kW Kälteleistung (unterschiedlicher Leistungsbedarf) |
| Kältemittelfüllmenge | 0,38 kg (5 kW); 1 kg (15 kW) |
| Aufstellungsort | Aufstellungsort Draußen, spezielles Schutzgehäuse |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Wärmeentzug aus Kaltwasser, Verflüssigung durch Abgabe an Sole als Wärmeträger am Verflüssiger (43/ 48 °C) |
| Anwendungen | Klimatisierung und Beheizung von Büroräumen |
| Typ | Umschaltbare luftgekühlte Propan-Kälteanlage |
| Temperaturbereich | 12/7 °C Kaltwasser 30/37 °C Warmwasser |
| Leistungsbereich | 30 kW Kälteleistung 27 kW Wärmeleistung |
| Kältemittel | 6,8 kg Propan |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb möglich: Kaltwasser- und Warmwasserbereitstellung; Heizwasser wird als Kälteträger verwendet |
| Typ | Integriertes Anlagenkonzept |
| Anwendungsfall | Kälteversorgung für ein gewerbliches Lebensmittel-Großlager (6.500 m2) |
| Kältemittel/-träger | Propan, CO2 |
| Temperaturbereich | NK und Klimatisierung (Propan), Tieftemperatur (CO2) |
| Leistungsbereiche | 660 kW NK; 180 kW Klimatisierung; 220 kW TK |
| Aufbau | Gesamtanlage bestehend aus folgenden R290- Kälteanlagen: 1) Luftgekühlter Propanchiller (jeweils 4 x 7,7 kg Propan): vier Kältemittelkreisläufe zur Bereitstellung von Kaltsole (-2/-6 °C) für NK-Räume und Rückkühlung der TK-Verbunde; Wärmenutzung für Heizkreis Indirekte Kälteanlage 2) 4 x Propan-Kompakt Chiller (jeweils 2,5 kg Propan): Klimatisierung des Verwaltungsbereichs über Kaltwassernetz (12/7 °C); Abfuhr der Wärme über Sekundärkreislauf mit Rückkühler Doppelt indirekte Kälteanlage |
| Typ | Integriertes Anlagenkonzept mit Latent-Energiespeicher („IceAge-Verfahren“) und Absorptionskälteanlage |
| Anwendungsfall | Kälteversorgung für den Herstellungsprozess von Bier |
| Kältemittel/-träger | Propan |
| Temperaturbereich | NK, Klima |
| Leistungsbereiche | 100 kWth für Absorptions-KM; 260 kWth für Propan-KM |
| Aufbau und Funktionsprinzip | IceAge-Verfahren: Regenerative Kälteversorgung durch Erzeugung von Schnee (Schneelanzen, auch bei T > 0 °C) Abkühlung des Kälteträgers durch Abschmelzen des Schnees auf mit Sole durchflossenem Wärmeübertrager-Feld Deckung von 33 % des jährlichen Kältebedarfs. Restlicher Kältebedarf: Indirekte Kälteanlage mit Propan/LiBr als Kältemittel. Nutzung von Abwärme (95 °C) aus Gasturbine zur Erzeugung von -5 °C Kaltsole in Absorptions-KM (LiBr) zur Grundbedarfsdeckung; Zusätzliche Propan-Kälteanlage mit 4 Verdichtereinheiten zur Lastspitzendeckung; Kopplung beider Kältesysteme über gemeinsamen Soletank |
| Herausforderungen in der Planung und im Betrieb | Überwachung und Automatisierung des Gesamtsystems; Einbindung aller Komponenten in ein System |
| Vorteile im Betrieb | Einfacher Aufbau der Schneelanzen > wartungsfrei, geringe Kosten Erzeugung von Strom für Netzeinspeisung (PV-Anlage) Senkung des Gesamtenergiebedarfs um 11 % Reduktion der CO2-Emissionen um 4,99 kg/100 l |
Die Verordnung zum Schutz vor gefährlichen Stoffen (kurz GefStoffV) regelt umfassend die Schutzmaßnahmen für Beschäftigte bei Tätigkeiten mit Gefahrstoffen. Ihr Hauptziel ist es, die Gesundheit und Sicherheit der Arbeitnehmer vor den Gefahren zu schützen, die mit der Handhabung, Lagerung und Verwendung dieser Stoffe verbunden sind.
Die ATEX-Richtlinie ist eine EU-Gesetzgebung, die Sicherheitsanforderungen für Arbeitsplätze festlegt, in denen explosive Atmosphären auftreten können. Die Richtlinie umfasst Vorschriften für die Konstruktion, Herstellung und den Einsatz von Geräten sowie für Arbeitsverfahren und den Arbeitsschutz in explosiven Umgebungen.
Ein durch elektrische Energie angetriebener technischer Kreisprozess, welcher einer Wärmequelle bei niederen Temperaturen Energie entnimmt und diese einer Wärmesenke auf höherem Temperaturniveau zuführt. Für den Transport entgegengesetzt des natürlichen Temperaturgefälles ist das Durchlaufen eines speziellen Kälteprozesses notwendig. [8]
Der Coefficient of Performance (kurz COP), auch Leistungszahl genannt ist die Bewertungsgröße für die Effizienz einer Wärmepumpe. Sie entspricht dem Quotienten aus Nutzen (Wärmeleistung) und Aufwand (elektrische Leistung) und liegt stets oberhalb von 1 (100 %). [20]
Der Energy Efficiency Ratio (kurz EER), stellt analog zum COP die Bewertungsgröße der Effizienz einer Kälteanlage dar. In diesem Fall besteht der Nutzen aus der Kälteleistung der Anlage, weshalb der EER aus dem Quotienten von abgeführter Wärmeleistung (Nutzen) und elektrischer Leistung (Aufwand) definiert ist. Der EER einer Kälteanlage ist immer um 1 kleiner als der COP desselben Kreisprozesses. [20]
Bei direkten Kälteanlagen ist die Wärmesenke und -quelle direkt mit dem Kältemittel (über die Rohrleitungen) in Kontakt. Das Kältemittel fließt hierbei durch alle Anlagenteile, weshalb es in großen Füllmengen in der Kälteanlage vorliegt. Bei sicherheits- und umwelttechnisch unbedenklichen Kältemitteln werden diese Systeme aufgrund geringerer Kosten und höherer Effizienz eingesetzt. [21]
Bei indirekt verdampfenden Systemen erfolgt die Änderung des Aggregatszustands des Kältemittels nicht direkt im Kontakt mit der Wärmequelle/-senke. Stattdessen wird ein Kälteträger in einem (einfach indirekt) oder zwei (doppelt indirekt) Zwischenkreisläufen eingesetzt, welche über einen Wärmeübertrager die Wärme ein- bzw. auskoppelt. Der Einsatz indirekt verdampfender Systeme erfolgt vor allem bei sicherheits- oder umwelttechnisch bedenklichen Kältemitteln, da die kompakte Bauweise eine geringe Kältemittelfüllmenge ermöglicht. [22]
Der GWP-Wert (engl.: Global Warming Potential) ist eine Bewertungsgröße, um die Treibhausaktivität verschiedener Stoffe miteinander vergleichen zu können. Hierbei wurde die Klimawirkung von CO2 als Referenzpunkt gesetzt (GWP = 1). . F-Gase besitzen meist ein hundert- bis tausendfach höheres Treibhauspotenzial als CO2. [10]
