Vorteile und Herausforderungen des Kältemittels CO₂ (R744) in Kfz-Klimaanlagen

Vorteile des CO₂-Kältemittels

1. Sicherheit und Umweltfreundlichkeit

Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist CO₂ als natürliches Kältemittel nicht brennbar, ungiftig, hat kein Ozonabbaupotenzial (ODP) und ein extrem niedriges Treibhauspotenzial (GWP). Diese Eigenschaften machen es zur idealen Wahl für umweltfreundliche und sichere Kältemittelanwendungen.

Kältemittel	R134a	R1234yf	R744
Molekulare Formel	CF3CH2F	CF3CF=CH2	CO2
Standardsiedepunkt /℃	-26.1	-30	-78.5
Kritische Temperatur /℃	101.1	95	31.1
Kritischer Druck /MPa	4.07	3.38	7.38
GWP-Wert	1430	4	1
ODP-Wert ①	0	0	0
Sicherheitsgruppe ②	A1 (Ungiftig, nicht brennbar)	A2L	A1 (Ungiftig, nicht brennbar)
Kosten / (RMB/kg)	48	400	6
Beispiele für Guchen-Kompressormodelle	GC20A12	GC66B600	In Entwicklung

① ODP: Ozonabbaupotenzial
② ASHRAE-Sicherheitsklassifizierungssystem
A: Geringe Toxizität;
1, 2L, 2, 3: Entflammbarkeitsstufen.
1: Nicht brennbar.
2L: Leicht entflammbar mit geringer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit.
2: Entzündlich.
3: Leicht entzündlich.

Im Gegensatz zu synthetischen Kältemitteln entfällt bei der Verwendung von CO₂ in Kfz-Klimaanlagen die Notwendigkeit einer Kältemittelrückgewinnung bei der Fahrzeugverschrottung. CO₂ ist außerdem weit verbreitet und kostengünstig und bietet erhebliche Kostenvorteile gegenüber Kältemitteln wie R1234yf.

2. Außergewöhnliche Heizleistung

WärmepumpensystemeIn Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kommt es häufig zu einer verminderten Heizleistung. Dies liegt an der verringerten Dichte des Kältemittelgases bei niedrigen Temperaturen, was zu geringeren Massenströmen führt, und daran, dass der Ansaugdruck des Systems durch Begrenzung der Kompressorgeschwindigkeit positiv gehalten werden muss.
Die Abbildungen 1 und 2 veranschaulichen, dass CO₂ im Vergleich zu R134a oder R1234yf eine viel höhere Gasdichte und einen viel höheren Verdampfungsdruck aufweist, sodass es auch bei niedrigen Temperaturen eine überlegene Heizleistung aufrechterhalten kann.

Abbildung 3 zeigt die Heizleistung (in Bezug auf den Kompressorhubraum in cm³) für drei Arten von Kältemitteln bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen. Die Heizleistung der CO2-Anlage ist bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen 7 bis 11 Mal größer als die der R134a- oder R1234yf-Anlagen. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen behält das CO2-System weiterhin eine hohe Heizleistung bei, so dass Wärmepumpensysteme mit CO2 als Kältemittel auch in Regionen oder Jahreszeiten mit niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden können. Darüber hinaus ermöglicht ein solch hohes Heizpotenzial theoretisch, dass Elektrofahrzeuge, die CO2 als Wärmepumpenkältemittel verwenden, auf die üblicherweise verwendeten Elektroheizungen verzichten können, wodurch die Energieeffizienz verbessert und die Systemkosten gesenkt werden.
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Herausforderungen des CO₂-Kältemittels

1. Geringere Effizienz beim Kühlen und Heizen

CO₂-Systeme arbeiten typischerweise in transkritischen Zuständen, wobei das Kältemittel auf der Hochdruckseite überkritisch ist. Der erhebliche Energieverlust während der Expansionsdrosselungsphase führt zu einer geringeren Zykluseffizienz.
Studien zeigen, dass CO₂-Systeme eine um 20–40 % geringere Kreislaufeffizienz aufweisen als R134a- oder R1234yf-Systeme, wobei dieser Nachteil bei höheren Umgebungstemperaturen noch deutlicher wird. Ein geringerer Wirkungsgrad führt zu einer verringerten Energieleistung, einem höheren Kraftstoffverbrauch bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder einem höheren Stromverbrauch bei Elektrofahrzeugen.
Bei extrem niedrigen Temperaturen (unter -10 °C) übertrifft die Effizienz von CO₂-Wärmepumpen jedoch die von R134a- oder R1234yf-Systemen. Dies liegt daran, dass letztere Systeme aufgrund ihrer begrenzten Wärmepumpenkapazitäten eine elektrische Zusatzheizung benötigen, was die Heizeffizienz erheblich verringert. Fortschrittliche Technologien wie Ejektoren und Expansionsgeräte werden erforscht, um die Effizienz des CO₂-Kreislaufs zu verbessern. Diese befinden sich jedoch noch im experimentellen Stadium und stehen vor technischen Hürden, die eine sofortige kommerzielle Anwendung behindern.

2. Hohe Kohlenstoffemissionen im Lebenszyklus

Die CO2-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus von Kältemitteln für Kfz-Klimaanlagen umfassen direkte und indirekte Emissionen. Direkte Emissionen entstehen durch Kältemittellecks während des Befüllens, des Betriebs, der Wartung und der Rückgewinnung am Ende der Lebensdauer, während indirekte Emissionen durch den Energieverbrauch während des Systembetriebs und der Kältemittelproduktion/-transport entstehen.
Während CO₂ einen vernachlässigbaren GWP-Wert hat, führt seine geringe Energieeffizienz im Betrieb zu deutlich höheren Kohlenstoffemissionen über den gesamten Lebenszyklus im Vergleich zu R134a oder R1234yf. Dies ist insbesondere in Regionen wie China relevant, wo die Vorteile von CO₂-Wärmepumpen bei niedrigen Temperaturen aufgrund des gemäßigten und subtropischen Klimas weniger stark zum Tragen kommen.

3. Kosten und Leckageprobleme im Zusammenhang mit hohem Betriebsdruck

CO₂-Systeme arbeiten bei Drücken über 15 MPa, wobei die Hochdruckdifferenz häufig 12 MPa übersteigt und die Austrittstemperaturen über 160 °C erreichen. Diese extremen Bedingungen erfordern eine Neukonstruktion aller Komponenten des Kältemittelkreislaufs, um diesen hohen Drücken und Temperaturen standzuhalten, was die Komponentenkosten erheblich erhöht.
Obwohl CO₂ selbst kostengünstig ist, können Komponenten wie zKompressorenWärmetauscher, Kältemittelleitungen, Abscheider, Ventile und Drucksensoren sind teurer als ihre Gegenstücke in R134a- oder R1234yf-Systemen, was die Gesamtsystemkosten um mindestens ¥ 2500 erhöht.
Darüber hinaus erhöht die kleinere Molekülgröße von CO₂ das Leckagerisiko durch Schläuche oder Anschlüsse unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen. Obwohl spezielle Dichtungsmaterialien für CO₂-Systeme entwickelt wurden, ist ihre Wirksamkeit nach wie vor nicht optimal und erfordert häufigeres Nachfüllen von Kältemittel, um die Systemleistung aufrechtzuerhalten.

4. Sicherheitsbedenken

Obwohl CO₂ ungiftig und geruchlos ist, könnte ein Austreten in den Fahrzeuginnenraum ein Gesundheitsrisiko darstellen. CO₂-Konzentrationen von nur 1 % können zu Unwohlsein und Schläfrigkeit führen, während CO₂-Konzentrationen von 2 % zu Kopfschmerzen und Konzentrationsverlust führen können. Bei 5 % kann es zu Bewusstlosigkeit oder sogar zum Tod kommen.
Um Risiken zu mindern, müssen Fahrzeuge, die CO₂-Kältemittel verwenden, mit CO₂-Sensoren ausgestattet sein. Ein alternatives Design beinhaltet den indirekten Wärmeaustausch, bei dem die Kältemittelkreisläufe auf den Motorraum beschränkt sind und gekühlte Luft in den Innenraum zirkuliert. Dieser Ansatz verringert jedoch die Effizienz des Wärmeaustauschs, wodurch die Kühlleistung des Systems weiter sinkt.
Die hohen Drücke von CO₂-Systemen erhöhen auch die Sicherheitsrisiken bei Entwicklung, Tests und Wartung.

Ausblick für CO₂-Kältemittelanwendungen

Basierend auf der Analyse der Eigenschaften von CO₂ und den aktuellen technologischen Einschränkungen kommt Guchen Industry zu dem Schluss, dass eine groß angelegte Einführung von CO₂-Autoklimaanlagen kurzfristig aus folgenden Gründen unwahrscheinlich ist:
◆ Effizienz und Kohlenstoffemissionen: Die geringere Energieeffizienz von CO₂-Systemen erhöht die Kohlenstoffemissionen über den gesamten Lebenszyklus und steht im Widerspruch zu den globalen Zielen zur Energieeinsparung und Kohlenstoffneutralität.
◆ Klimatauglichkeit: CO₂-Wärmepumpen sind in kalten Klimazonen hervorragend geeignet, in Regionen mit gemäßigtem Klima, wie etwa in den meisten Teilen Chinas, sind die Vorteile jedoch weniger deutlich.
◆ Kosten- und Sicherheitsherausforderungen: Hochdruckbetrieb führt zu erhöhten Kosten, Leckagerisiken und Sicherheitsrisiken, deren Bewältigung weitere technologische Fortschritte erfordert.

Allerdings sind die natürlichen Eigenschaften von CO₂, darunter Nichtbrennbarkeit, geringe Toxizität, kein Ozonabbau und Kostenvorteile, in Kombination mit seinem außergewöhnlichen Heizpotenzial vielversprechend für die zukünftige Einführung. Mit der Weiterentwicklung der Technologie könnten CO₂-basierte Fahrzeugklimaanlagen für ein breiteres Anwendungsspektrum nutzbar werden.