F-Gase einfach erklärt

Klimaerwärmung durch Treibhauseffekt

Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO₂), Methan und fluorierte Gase (F-Gase) lassen die kurzwelligen Sonnenstrahlen ungehindert durch die Atmosphäre auf die Erdoberfläche treffen, die sich dadurch erwärmt. Die von der Erde zurückgestrahlte Wärmeenergie (terrestrische Strahlung) wird aber von den Treibhausgasen absorbiert und es kommt in der Folge zu einer zusätzlichen Erwärmung der Erdatmosphäre, dem sogenannten Treibhauseffekt.

Wegen ihres sehr hohen Treibhauspotentials fällt den F-Gasen bei der Verringerung klimaschädlicher Emissionen eine besondere Rolle zu.

Historische Entwicklung

Zeitliche Entwicklung der Kältemittel

F-Gase wurden in Form der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als synthetische Sicherheitskältemittel für Kälteanlagen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt. Nachdem man herausfand, dass diese Substanzgruppe für den Ozonabbau in der Stratosphäre und folglich für das Ozonloch verantwortlich war, wurden die FCKW durch das Montreal Protokoll 1987 international verboten.

Die Industrie hatte bereits begonnen, Alternativen zu entwickeln und so kamen die teilfluorierten-(HFKW) oder perfluorierten Kohlenwasserstoffe (FKW) als Kältemittel auf den Markt. Aber auch diese F-Gase haben einen Nachteil: Sie verfügen über ein sehr hohes Treibhauspotential. Je nach chemischer Zusammensetzung bis zu 14.300-mal stärker als CO₂.
Der Anteil der fluorierten Treibhausgase an allen Treibhausgasemissionen in Deutschland betrug laut Umweltbundesamt im Jahr 2023 1,4%, das entspricht 9,4 Mio t CO₂-Äquivalente. Das stellt einen Rückgang der F-Gase-Emissionen von knapp 40% gegenüber dem Basisjahr 1995 dar.

Grundlage für den Rückgang der F-Gase-Emissionen ist das 1997 von den Vereinten Nationen beschlossene Kyoto-Protokoll mit dem Ziel des Klimaschutzes. In der Folge verpflichtete sich auch die Europäische Union (EU) zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und die erste F-Gase-Verordnung trat 2006 in Kraft. In der Umsetzung kam es zu einer wiederholten Überarbeitung der F-Gase-Verordnung. In der aktuellen Fassung von 2024 ist nun ein vollständiges Verbot für Neuware bis 2050 vorgesehen. Bis dahin erfolgt eine schrittweise Reduzierung der erlaubten (H)FKW-Menge – bis 2030 bereits auf nur noch 5 % des Referenzjahres 2015.

Um Kälte- und Klimaanlagen und inzwischen auch Wärmepumpen weiterhin mit synthetischen Kältemitteln betreiben zu können, wurden F-Gase mit geringem Treibhauspotential entwickelt. Diese sogenannten Hydrofluorolefine (HFO) besitzen allerdings eine andere umweltproblematische Eigenschaft: Sie werden je nach chemischer Zusammensetzung in unterschiedlich hohem Ausmaß in der Atmosphäre zu Trifluoressigsäure (TFA) – einer sogenannten "Ewigkeitschemikalie" – abgebaut.

Parallel zu diesem letzten Entwicklungsschritt werden seit einigen Jahren wieder zunehmend natürliche Kältemittel in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt. Diese wurden bereits zu Beginn der Kältetechnik seit Mitte des 19. Jahrhunderts verwendet, wurden dann aber wegen Eigenschaften wie Brennbarkeit und Giftigkeit durch die sicheren FCKW ersetzt. In modernen Anlagen werden diese Risiken durch entsprechende Sicherheitsvorkehrungen minimiert. Aufgrund ihrer umweltpositiven Eigenschaften und Effizienz werden sich die natürlichen Kältemittel voraussichtlich zunehmend auf dem Markt durchsetzen.

Einsatzbereiche

Neben dem Einsatz von teilfluorierten (HFKW) oder perfluorierten Kohlenwasserstoffen (FKW) als Kältemittel in stationären und mobilen Kälte- und Klimaanlagen sowie Wärmepumpen kommen F-Gase auch als Treib-, Isolier- und Füllgase zum Einsatz. In diesen Anwendungen werden auch andere fluorierte Verbindungen eingesetzt, die ebenfalls zu den F-Gasen zählen. Dabei handelt es sich aber nicht immer um (H)FKW.

Beispielsweise wird in elektrischen Schaltanlagen Schwefelhexafluorid (SF₆) als Isoliergas eingesetzt. Mit einem GWP (Global Warming Potential; siehe Treibhauspotential) von 24.300 CO₂-Äquivalenten ist es der "Klimakiller" schlechthin unter den F-Gasen. Es wurde in der Vergangenheit auch als Isoliergas in Schallschutzscheiben und in Autoreifen eingesetzt. Hier ist es seit 2007 verboten. Emissionen treten allerdings immer noch bei der Entsorgung dieser Produkte auf. Die Verwendung von SF₆ in elektrischen Schaltanlagen wird ab Januar 2026 schrittweise verboten.

Eine weitere Gruppe von F-Gasen sind fluorierte Ether, die als Inhalationsnarkosemittel verwendet werden. Desfluran (GWP 2.540) wurde in der Humanmedizin über viele Jahre am häufigsten eingesetzt. Ab Januar 2026 ist es verboten. Sevofluran als mögliche Alternative hat ein deutlich geringeres Treibhauspotential (GWP 130).

Einsatzbereiche im Überblick

• Stationäre Kälteanlagen (Beispiele: Kühlregale in Supermärkten, Industriekälte für Lebensmittelproduktion und Medizin),
• Wärmepumpen und stationäre Klimaanlagen (Beispiele: Ein- und Mehrfamilienhäuser, Bürogebäude, Gewerbe und Industrie),
• Mobile Klimaanlagen (Beispiel: Kfz),
• Mobile Kühlfahrzeuge (Beispiel: Lebensmitteltransport),
• Füllgase in Schaumstoffen (Beispiel: Polystyrol),
• Isoliergas in elektrischen Schaltanlagen,
• Treibmittel in Spraydosen,
• Dosier-Aerosole (Beispiel: Asthmasprays).

F-Gase mit niedrigem Treibhauspotential

Hydrofluorolefine (HFO) sind Kältemittel mit geringem Treibhauspotential (sogenannte Low GWP Kältemittel). Diese Gruppe von fluorierten Gasen wurde von der Industrie entwickelt, um klimafreundliche Kältemittel für Kälteanlagen und Wärmepumpen bereitzustellen. Sie werden als Einzelstoffe oder in Mischungen eingesetzt. In der Atmosphäre zerfallen diese Verbindungen relativ schnell und tragen deshalb nur wenig zum Treibhauseffekt bei. Allerdings wird bei diesem Prozess in unterschiedlichem Ausmaß Trifluoressigsäure (TFA) als Abbauprodukt gebildet. Gerade das Kältemittel, das in Autoklimaanlagen seit 2018 hauptsächlich eingesetzt wird und in vielen Mischungen für stationäre Anlagen zum Einsatz kommt, wird zu 100 % zu TFA abgebaut.

HFO zählen wie auch die meisten anderen F-Gase zur Gruppe der PFAS. Unklar ist derzeit, wie sich ein mögliches PFAS-Verbot, welches auf europäischer Ebene diskutiert wird, auf den Kältemittelmarkt auswirkt. Derzeit sind HFO von einem Verbot durch die F-Gase-Verordnung ausgenommen. Es gelten lediglich Aufzeichnungspflichten und Regelungen zu Dichtheitskontrollen ab einer bestimmten Füllmenge.

Alternative zu F-Gasen: Natürliche Kältemittel

Im Bereich der Wärmepumpen, Kälte- und Klimaanlagen besteht die Möglichkeit, die fluorierten Kältemittel durch natürliche Kältemittel zu ersetzen. Ein einfaches Austauschen ist dabei nicht möglich. Die Anlagen müssen hinsichtlich ihrer Komponenten und Größe auf das jeweilige Kältemittel abgestimmt sein. Zu den natürlichen Kältemitteln gehören Ammoniak (NH₃), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenwasserstoffe (KW) wie Propan oder Butan, Wasser und Luft.

Während die in der Vergangenheit eingesetzten F-Gase nicht brennbar und ungiftig sind, haben die natürlichen Kältemittel teilweise Eigenschaften, die höhere Sicherheitsstandards erfordern. Kohlenwasserstoffe sind leicht entzündbar, Ammoniak ist giftig, Kohlendioxid hat erstickende Wirkung und erfordert sehr hohe Anlagendrücke. Zu den Vorteilen gehört, dass sie ein geringes oder kein Treibhauspotential haben und keine schädlichen Abbauprodukte bilden. Sie sind ausreichend verfügbar und Industrie und Anlagenbauer haben in den vergangenen Jahren effiziente Anlagen entwickelt. Folglich ist der Strombedarf in der Regel geringer als bei alten Anlagen mit F-Gasen.

Beispiele von Anwendungsbereichen

• Kohlendioxid: Kühlregale in Supermärkten, Industrie-Kälteanlagen, mobile Klimatisierung (Bahn, Kfz),
• Ammoniak: Groß- und Industrie-Kälteanlagen, z.B. Eisstadien, Kühlhäuser,
• Butan: Haushaltskühl- und Gefrierschränke,
• Propan: Wärmepumpen, gewerbliche Kühlgeräte,
• andere Kohlenwasserstoffe: Groß- und Industrie-Wärmepumpen, Prozesswärme,
• Wasser: Kühlung von Servern und Industrieprozessen,
• Luft: Raumfahrt.

Aktuelle Forschung und Entwicklung erweitern die möglichen Anwendungsbereiche fortlaufend. Dabei stehen wirtschaftliche Anforderungen und Sicherheit im Vordergrund.

Kältemittel in Wärmepumpen und Klimaanlagen

Zentraler Kreislauf einer Wärmepumpe

Als synthetische Kältemittel werden teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) in verschiedenen Zusammensetzungen in Wärmepumpen und Klimaanlagen verwendet. Das Kältemittel ist das zentrale Betriebsmittel, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und dabei mittels Wärmetauscher aus der Umwelt Wärme aufnimmt und diese anschließend an den Heizkreislauf wieder abgibt. Dabei entstehen aus 1 kWh Strom 3 bis 4 kWh Wärme. Bei einer Klimaanlage läuft der Kreislauf in umgekehrter Richtung. Dadurch wird der Raumluft Wärme entzogen.

Welches Kältemittel das richtige ist, hängt davon ab, in welchem Temperaturbereich die Anlage laufen soll. Auch alle anderen Bauteile sind darauf abgestimmt. Deshalb ist es nicht möglich, in einer Anlage das Kältemittel einfach auszutauschen.

F-Gase können bei Arbeiten an der Wärmepumpe entweichen

In der Regel sind stationäre Anlagen dicht. Geringe Emissionen können dennoch an Ventilen auftreten. Größere Mengen an Kältemittel können allerdings bei unsachgemäßer Inbetriebnahme, Wartung und Entsorgung entweichen. Daher dürfen nur zertifizierte Fachleute diese Arbeiten durchführen. Selten kommt es im Betrieb zu Leckagen und damit zu Kältemittelemissionen. Das war in der Vergangenheit nicht immer so. Deshalb wurden mit der 1. F-Gase-Verordnung 2006 unter anderem Dichtheitskontrollen verpflichtend eingeführt.

Um die Treibhausgasemissionen weiter zu reduzieren, werden bestimmte fluorierte Gase seit 2014 durch die EU auch mengenmäßig begrenzt. Das hat auch Auswirkungen auf den Kältemittelmarkt für Wärmepumpen. Während der Einsatz von Neuware an Hoch-GWP-Kältemitteln, also F-Gasen mit sehr hohem Treibhauspotential, bereits verboten ist, kommt es bei den (noch) zugelassenen Gasen schon jetzt zu Preissteigerungen. Eine ausreichende Versorgung ist in Zukunft nicht sicher. Service und Wartung können möglicherweise nicht mehr garantiert werden.

Im Moment noch zugelassen ist beispielsweise Difluormethan (R32, GWP 675) und weitere fluorierte Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotential. Alternativ stehen natürliche Kältemittel zur Verfügung, welche nur ein geringes oder kein Treibhauspotential haben (GWP < 10). Bei Letzteren entstehen keine schädlichen Abbauprodukte, sollten sie in die Atmosphäre gelangen. Bei Wärmepumpen wird am häufigsten Propan (R290) eingesetzt.

Propan (R290) ist ein umweltfreundliches Kältemittel für Wärmepumpen

Propan hat einen Nachteil: Es ist brennbar. Deshalb kann es nicht überall eingesetzt werden. Aber durch hohe Sicherheitsstandards und eine sachgemäße Installation durch einen Fachbetrieb werden Risiken minimiert und ein sicherer Betrieb gewährleistet. Und neben der Umwelt- und Klimafreundlichkeit gibt es weitere Vorteile: Die neu entwickelten Propan-Wärmepumpen weisen eine sehr hohe Energieeffizienz auf und können Vorlauftemperaturen von bis zu 75 °C erreichen. Damit sind sie besonders gut geeignet für Bestandsgebäude. Bei einem Heizungstausch bietet der Bund aktuell eine zusätzliche Förderung von 5 % für den Einsatz von Propan als Kältemittel. Außerdem unterliegt Propan keiner gesetzlichen Quotierung. Folglich ist auch in Zukunft mit einer gesicherten Versorgung und Preisstabilität zu rechnen.

Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen, die im Außenbereich als Monoblock-Anlagen aufgestellt werden, ist die Verwendung von Propan als Kältemittel inzwischen Stand der Technik. Für die Innenraumaufstellung werden von einigen Firmen erste Modelle mit Propan sowohl als Luft- als auch als Erdwärmepumpen angeboten. Hier ist ein wachsendes Angebot zu erwarten.

Schwieriger ist es bei Luft-Luft-Wärmepumpen und Klimaanlagen. Während steckerfertige Raumklimageräte eine schlechte Energieeffizienz aufweisen, zirkuliert das Kältemittel bei Splitanlagen auch im Wohnbereich. Deshalb werden hier bisher fast ausschließlich F-Gase eingesetzt. Aktuell bieten lediglich zwei asiatische Hersteller Monosplit-Klimaanlagen mit Propan an. Die Marktentwicklung ist noch nicht absehbar.

Fragen und Antworten