Ammoniak NH3 (R717)

Ammoniak kommt in den Stoffkreisläufen der Natur vor. Die Stoffeigenschaften als Kältemittel, auch bezeichnet als NH3 oder R717, sind vortrefflich: ODP = 0, GWP = 0, hohe spezifische Kälteleistung, günstige TEWI-Bilanz.

Seit über 100 Jahren wird es erfolgreich in Industriekälteanlagen eingesetzt. Nichtsdestotrotz geht es dabei um einen Gefahrstoff, der beherrschbar sein muss. Neben den sicherheitstechnischen Standards im Umgang mit dem Kältemittel bedarf es einer fachkompetenten Planung und Errichtung einer Anlage. Aber wie gefährlich ist Ammoniak wirklich?

• Ammoniak ist toxisch (CAS-Nummer 7664-41-7). 
Der Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) liegt bei 20 ppm, wobei bereits geringste Konzentrationen aufgrund des stehenden Geruchs riechbar sind. Ab einer Konzentration von 500 ppm treten Reizungen von Augen, Nase und Kehle auf, die bei einer Einwirkzeit unter 1 Stunde jedoch noch keine schädlichen Auswirkungen haben. Gesundheitlich gefährdend wird es erst ab etwa 1.000 ppm und damit deutlich über der Erträglichkeitsgrenze. 
Ammoniak gilt als schwer entzündlich (Sicherheitsgruppe B2L).
 Unter bestimmten Voraussetzungen kann Ammoniak zum Brennen gebracht werden. Die Zündgrenze liegt zwischen 15 % und 34 % Ammoniak-Konzentration in der Luft und die Zündtemperatur bei 630 °C. Nur durch eine Stützflamme lässt sich die Verbrennung aufrecht halten.
 Ammoniak ist ein wassergefährdender Stoff (WGK II).
 Bereits kleine Konzentrationen wirken toxisch auf die in einem betroffenen Gewässer vorhandenen Organismen. Ammoniak unterliegt dem Wasser- und Abfallrecht (WHG/VaWS). 
Demzufolge sind Ammoniakanlagen nach den gültigen Verordnungen und Richtlinien als technisch dicht auszuführen und zu betreiben.


Die Vorteile von Ammoniak als Kältemittel überzeugen.


Durch technische Maßnahmen kann der Brandfall praktisch ausgeschlossen werden. Aufgrund der hohen Eigenwarnwirkung von Ammoniak sind bereits kleinste Leckagen erkennbar. Daneben ermöglicht die hohe spezifische Verdampfungsenergie und die in Kälteanlagen auftretenden Drücke eine vorteilhaft kleine Dimensionierung der Verdichter und Wärmeüberträger, sowie eine geringe Kältemittelfüllmenge.


Kohlenstoffdioxid CO2 (R744)

Kohlendioxid ist im industriellen Anlagenbau neben Ammoniak eines der klassischen Kältemittel mit ausgezeichneten thermodynamischen Eigenschaften und einer hohen Umweltverträglichkeit: ODP = 0, GWP = 1, sehr hohe volumetrische Kälteleistung.

Die Möglichkeiten zur Gewinnung von CO2 sind vielzählig. Im Wesentlichen genannt werden der Abbau natürlicher Vorkommen, die Gewinnung aus Rauchgas oder aus chemischen, wie auch Gärprozessen. CO2 ist zu einem günstigen Preis verfügbar, Entsorgungskosten sind in aller Regel nicht relevant.
Aufgrund der sehr hohen volumetrischen Kälteleistung können kleinere Verdichter und Rohrquerschnitte eingesetzt werden. Kleine Druckverhältnisse erzielen einen guten Verdichter-Wirkungsgrad.

Die Vorzüge von R744 sind jedoch an Bedingungen geknüpft und sollten geordnet werden.

• Der unterkritische Bereich zur Verflüssigung des Kältemittels liegt bei 20 °C, darüber muss mit einem Gaskühler bei sehr hohen Drücken transkritisch kondensiert werden (z. B. bedeuten 20 °C ein Systemdruck von über 57 bar). Die kritische Temperatur liegt bei etwa 31 °C. Demzufolge findet R744 bei Großkälteanlagen maßgebend in der Niedertemperaturstufe von Kaskadenanlagen Verwendung.
• Für R717/R744-Kaskadenanlagen ist die heftige Reaktion zwischen Kohlensoffdioxid und Ammoniak von besonderer Bedeutung. Im Fall einer Wärmeübertrager-Leckage bildet sich das Reaktionsprodukt Ammoniumcarbamat, auch bekannt als Hirschhornsalz, welches sich an der Leckagestelle bindet und als weißes Pulver, in Form eines ziemlich festen Belags an Oberflächen niederschlägt. Dies führt bei betroffenen Anlagen in der Regel zum totalen Ausfall. Die Reinigung und Wiederaufarbeitung des Systems stellt sich dabei als aufwendig und schwierig bis wirtschaftlich unmöglich dar.
• Auch schon die natürliche Wärmeeinwirkung kann zu einem gefährlich hohen Druck in der Anlage führen, was geeignete Sicherheitseinrichtungen voraussetzt. Insbesondere der Anlagenstillstand ist dabei zu Berücksichtigen.
• Kohlenstoffdioxid ist geruchs- und geschmacksneutral und wirkt damit nicht natürlich alarmierend auf den Menschen. Ab etwa 5 % Kohlenstoffdioxid in der eingeatmeten Luft treten Kopfschmerzen und Schwindel auf und bei höheren Konzentrationen bereits Atemnot und Bewusstlosigkeit, die sogenannte Kohlenstoffdioxid-Narkose.
• Das Gas ist schwerer als Luft. Demzufolge sind Schächte und Kanäle gegen das Eindringen des Gases zu schützen und der Bodenbereich entsprechende zu belüften.