Fluorkohlenwasserstoffe

Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) sind fluorierte Derivate der Kohlenwasserstoffe. Bei den Fluorkohlenwasserstoffen wird zwischen den teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (H-FKW) und den vollständig halogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) unterschieden. Sind FKWs vollständig fluoriert (enthalten also keine Wasserstoff-Atome mehr), dann nennt man diese auch perfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe oder Perfluorcarbone.

Eigenschaften

Niedrigmolekulare FKWs sind Gase (bis zu etwa sechs Kohlenstoffatomen) oder leichtflüchtige Flüssigkeiten. Sie sind – mit Ausnahme von Fluormethan CH₃F und Difluormethan CH₂F₂ – in Wasser nur wenig löslich; mit zunehmender Kettenlänge und Fluorierungsgrad nimmt die Löslichkeit ab. Vollfluorierte Vertreter besitzen durch ihre Stabilität eine erhebliche Lebensdauer in der Atmosphäre; sie werden erst in der Ionosphäre zersetzt.^[1]

Einige wichtige niedermolekulare fluorierte Kohlenwasserstoffe und deren Eigenschaften:

Bezeichnung	ASHRAE- Kennung	Halbstrukturformel	Siedepunkt	Löslichkeit (Wasser [g·l−1])	GWP[2]	Lebenszeit (Atmosphäre [Jahre]) [1]
Tetrafluormethan	R 14	CF4	−127,8 °C	0,019 (25 °C)   [3]	7.390	50.000
Trifluormethan	R 23	CHF3	−82,2 °C	1,000 (20 °C)   [4]	14.800	250
Difluormethan	R 32	CH2F2	−51,7 °C	280,000 (20 °C)   [5]	675	6
Fluormethan	R 41	CH3F	−78,4 °C	227,000 (20 °C)   [6]	150	?
Hexafluorethan	R 116	CF3CF3	−78,2 °C	0,008 (25 °C)   [7]	9.200	10.000
Pentafluorethan	R 125	CF3CHF2	−48,1 °C	0,900 (25 °C)   [8]	3.500	36
1,1,1,2-Tetrafluorethan	R 134a	CF3CH2F	−26,0 °C	2,040 (25 °C)   [9]	1.430	14
1,1,1-Trifluorethan	R 143a	CF3CH3	−47,6 °C	?	4.470	55
1,1-Difluorethan	R 152a	CHF2CH3	−24,9 °C	3,200 (25 °C) [10]	140	1,5
Fluorethan	R 161	CH2FCH3	−37,6 °C	2,160 (25 °C) [11]	?	?
Octafluorpropan	R 218	CF3CF2CF3	−36,6 °C	0,006 (25 °C) [12]	?	?
Tetrafluorethylen	R 1114	F2C=CF2	−75,6 °C	0,179 (20 °C) [13]	?	?
Decafluorbutan	?	CF3CF2CF2CF3	−1,9 °C	0,002 (25 °C) [14]	?	?

Verwendung

Tetrafluormethan (CF₄) in der Atmosphäre ist teilweise natürlichen Ursprungs. Größere Emissionen stammen auch aus der Primäraluminiumproduktion. Das Gas wird in Plasmaätzverfahren eingesetzt, wobei die Ionen CF₃⁻ und CF₂⁻ gebildet werden. Fluorierte Derivate der Kohlenwasserstoffe Ethan und Propan (C2, C3) werden als Kältemittel eingesetzt. Oft werden azeotrope und zeotrope Gemische verschiedener Sorten eingesetzt, um die Eigenschaften zu optimieren. Einige höhermolekulare fluorierte Kohlenwasserstoffe (C6–C8) werden als Reiniger eingesetzt. Der technisch wichtigste Fluorkohlenwasserstoff Tetrafluorethylen dient aus Ausgangsstoff zur Herstellung von Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon®).

Weitere, oft patentierte, Mischungen sind gebräuchlich, wie zum Beispiel R 407c, das ein im Massenverhältnis 25% R125 / 23% R32 / 52% R134a gemischtes Produkt bezeichnet. Diese Mischungen werden entwickelt, um gefährliche oder verbotene Reinprodukte so gut wie möglich, also bestenfalls mit identischen technischen Eigenschaften, zu ersetzen.

Auswirkung auf die Umwelt

Die Fluorkohlenwasserstoffe beeinflussen in der Atmosphäre das Klima. Sie tragen zur Erderwärmung (Treibhauseffekt) bei, da die Moleküle die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche absorbieren. Der GWP-Wert (Global Warming Potential) der einzelnen fluorierten Kohlenwasserstoffe ist sehr unterschiedlich und liegt etwa um den Faktor 100 bis 15.000 über dem von Kohlenstoffdioxid. Im Gegensatz zu den FCKWs haben die fluorierten Kohlenwasserstoffe kein Ozonabbaupotential, und wurden daher als Ersatzkältemittel beim Ausstieg aus den FCKW-Kältemitteln verwendet.

In der europäischen F-Gase-Verordnung (veröffentlicht am 14. Juni 2006) sind Maßnahmen zur Reduzierung von Kältemittel-Emissionen aus Kälteanlagen getroffen worden. Es handelt sich im Gegensatz zu der FCKW-Halon-Verbots-Verordnung nicht um ein Verwendungsverbot, sondern durch höhere Anforderung an die Ausführung und Wartung von Kälteanlagen sollen die Leckagemengen reduziert werden. Die Verordnung sieht vor, dass regelmäßige Dichtheitsprüfungen durch sachkundiges Personal durchgeführt werden und das Ergebnis nachvollziehbar protokolliert wird. Im Jahr 2011 soll überprüft werden, ob die Ziele der Verordnung erreicht werden oder weitergehende Verwendungsverbote auferlegt werden müssen.

Da PKW-Klimaanlagen bauartbedingt sehr hohe Leckraten aufweisen, wurden für diese Anlagen stärkere Restriktionen verabschiedet. Ab dem 1. Januar 2011 dürfen nur F-Gase mit einem GWP unter 150 eingesetzt werden oder es müssen alternative Kältemittel eingesetzt werden. Als FKW kommt nur das Kältemittel R 152a (1,1-Difluorethan, GWP 124) in Betracht. Eine der Erfolg versprechendsten Alternativen stellt das natürliche Kältemittel Kohlenstoffdioxid dar, das mit einem GWP von 1 nur bei großen Emissionsquellen (Verbrennung von Kohlenstoff in Kraftwerken und Motoren) relevant zum Treibhauseffekt beiträgt. Es wurde bereits in zahlreichen Fahrzeugen getestet und hat sich als energieeffiziente Lösung bewährt.

Normen

EN 378-1 (2000): Kälteanlagen und Wärmepumpen; Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Definitionen, Klassifikationen und Auswahlkriterien

Quellen

1. ↑ ^{a b} H. Hulpke, H. A. Koch, M. Adinolfi: RÖMPP-lexikon Umwelt. 2. Auflage, S. 313ff, Georg Thieme Verlag, 2000, ISBN 978-3-13-736502-0
2. ↑ P. Forster, P., V. Ramaswamy et al.: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge und New York 2007, S. 212−213, (PDF)
3. ↑ Tetrafluormethan bei ChemIDplus
4. ↑ Eintrag zu Trifluormethan in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 13. Dezember 2007 (JavaScript erforderlich)
5. ↑ Eintrag zu Difluormethan in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 2. März 2008 (JavaScript erforderlich)
6. ↑ Fluorkohlenwasserstoffe bei ChemIDplus
7. ↑ Hexafluorethan bei ChemIDplus
8. ↑ Eintrag zu Pentafluorethan in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 2. März. 2008 (JavaScript erforderlich)
9. ↑ 1,1,1,2-Tetrafluorethan bei ChemIDplus
10. ↑ 1,1-Difluorethan bei ChemIDplus
11. ↑ Fluorethan bei ChemIDplus
12. ↑ Octafluorpropan bei ChemIDplus
13. ↑ Eintrag zu Tetrafluorethen in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 13. Dezember 2007 (JavaScript erforderlich)
14. ↑ Decafluorbutan bei ChemIDplus

Weblinks

• Auswirkung der F-Gase-Verordnung auf Kältetechnik & Wärmepumpen / News zur Reduzierung von FKWs (eng.)
• Westfalen AG – Lexikon Fachbegriffe; und dort speziell unter K (wie Kältemittel)
• Refron

Weiterführende Literatur

• J. M. Calm, G. C. Hourahan: Refrigerant Data Summary, Engineered Systems, 18(11):74–88, November 2001