Von: Ilana Koegelenberg
Ammoniak (NH3/ R717) dominiert weiterhin industrielle Anwendungen in den Vereinigten Staaten und der Europäischen Union. Der Sektor befindet sich jedoch in einem tiefgreifenden Wandel, da Betreiber die traditionellen Vorteile mit sich verändernden Sicherheitsanforderungen, Herausforderungen beim Fachkräfteangebot und dem Wettbewerb durch alternative Kältemittel in Einklang bringen müssen. Während Ammoniak seine starke Stellung in Großanlagen behauptet, verändern neue Technologien und regulatorischer Druck die Herangehensweise der Branche an Systemauslegung und Umsetzung. Wie verändert sich die Marktlandschaft?
Marktdominanz gerät zunehmend unter Druck
In den Vereinigten Staaten (USA) ist Ammoniak in der Industriekälte weiterhin außerordentlich stark vertreten und nimmt nach Angaben von Kurt Liebendorfer, VP of Industrial Refrigeration Business Development bei Evapco, schätzungsweise 80 % bis 90 % des Marktes ein. Diese Dominanz hat im vergangenen Jahrzehnt jedoch leicht abgenommen, da sich Kälteanlagen mit Kohlendioxid (CO2/ R744) vom Supermarkt- und Einzelhandelssektor zunehmend auch auf den industriellen Bereich ausweiten. „Dieser Rückgang erfolgte hauptsächlich im Segment neuer Kühllager, in dem im selben 10-Jahres-Zeitraum zahlreiche neue Kühllager errichtet wurden und einige Endnutzer sich für Lösungen ohne Ammoniak entschieden haben“, erklärt Liebendorfer.
Das Wettbewerbsumfeld verändert sich, da CO2-Systeme insbesondere bei kleineren industriellen Anwendungen an Boden gewinnen. Bernhard Blaeser, Head of Industrial Refrigeration bei Bitzer, weist darauf hin, dass CO₂ im Industriekältesektor mit geringeren Leistungen in der Europäischen Union (EU) aufgrund von Fördermitteln und anfänglichen Preisvorteilen bei bestimmten Anwendungen sowie durch die Expansion traditioneller Erstausrüster (OEMs) für gewerbliche CO₂-Systeme in die Industriekälte offenbar an Boden gewinnt. Er erklärt jedoch, dass Ammoniak aufgrund seiner hocheffizienten thermodynamischen, ökologischen und wirtschaftlichen Eigenschaften im industriellen Hochleistungssegment nach wie vor sehr stark vertreten ist. „Dies dürfte auf absehbare Zeit so bleiben, da sich die Investitionskostendifferenz zwischen diesen beiden Kältemitteln mit zunehmender Anlagengröße verringert.“
Ein Teil des Rückgangs des Ammoniakmarktanteils entfiel auch auf kompakte industrielle Systeme mit HFC und HFC/HFO-Gemischen in neuen Kühllagern, erklärt Liebendorfer. Da in den USA jedoch bevorstehende HFC-Beschränkungen gemäß dem American Innovation and Manufacturing (AIM) Act der Environmental Protection Agency (EPA) in Kraft treten, stellt er eine teilweise Umkehr dieses HFC-Zuwachses fest, von der sowohl Ammoniak als auch CO₂ profitieren.
Trotz dieses Wettbewerbsdrucks bleiben die grundlegenden Vorteile von Ammoniak überzeugend. „Ammoniak war und bleibt in industriellen Kälteanwendungen vorherrschend, selbst wenn andere Kältemitteloptionen angenommen und wieder aufgegeben werden“, sagt Mike Sansom, Engineering Manager bei Superior Industrial Refrigeration (SIR). „Ammoniak kommt von Natur aus in der Umwelt vor, ist reichlich verfügbar und kostengünstig. Seine Risiken sind gut dokumentiert und bekannt und lassen sich relativ einfach minimieren.“
Hürden in der Branche überwinden
Obwohl Ammoniak weiterhin eine starke Marktpräsenz aufweist, beeinflussen mehrere Hürden nach wie vor die Einführungsmuster. Sansom nennt Fehlvorstellungen und Fehlinterpretationen als wesentliche Hindernisse. Er weist jedoch darauf hin, dass die Nutzung von Ammoniak als Kältemittel auf gesetzgeberischer Ebene weiterhin breite Unterstützung genießt, was Organisationen wie dem International Institute of All-Natural Refrigeration (IIAR, früher bekannt als International Institute of Ammonia Refrigeration) zu verdanken ist, die Standards für Systemauslegung und Betrieb festlegen. Es gibt eine fortlaufende Kampagne, um die Öffentlichkeit und gewählte Amtsträger über die Vorteile natürlicher Kältemittel aufzuklären und zu informieren.
Die mit der Toxizität von Ammoniak verbundenen Gefahren für Leben und Gesundheit stellen Liebendorfer zufolge die größte Hürde dar, ebenso wie die zusätzlichen Kosten für die damit verbundenen technischen Abhilfemaßnahmen. Eine weitere Hürde sind die Kosten von Ammoniaksystemen für kleinere Anlagen. Je größer eine industrielle Kälteanlage ist, desto eher liegt der optimale Einsatzbereich vor, in dem Ammoniak die bevorzugte Lösung darstellt, sagt er.
Regulatorisches Umfeld prägt die Strategie
Die regulatorischen Rahmenbedingungen beeinflussen weiterhin die Einführung von Ammoniak, wobei die Auswirkungen je nach Region und Anwendung erheblich variieren. In den USA hat der AIM Act der EPA laut Liebendorfer in den vergangenen 18 Monaten zu einem jüngsten Anstieg bei der Nutzung von Ammoniaksystemen mit geringer Füllmenge und transkritischen CO₂-Systemen geführt.
Die regulatorische Unsicherheit bleibt jedoch ein Faktor. Liebendorfer weist darauf hin, dass die derzeitige Regierung in den USA einige bundesstaatliche Vorschriften zurücknehmen möchte und interessierte Akteure aus dem HFC-Bereich deshalb für eine Überarbeitung des AIM Act eintreten, durch die das zulässige Global Warming Potential (GWP) für Kühllager vom derzeitigen Grenzwert von 150 auf 700 GWP angehoben würde. Das Ergebnis dieser Bemühungen wird darüber entscheiden, ob der regulatorische Druck zugunsten natürlicher Kältemittel bestehen bleibt.
In der EU erschweren strengere lokale Rechtsvorschriften in bestimmten Ländern zunehmend den Betrieb kleinerer Ammoniakanlagen, was den Umstieg auf CO₂ erleichtert, erklärt Blaeser. Der Ammoniaksektor reagiert jedoch mit Gegenmaßnahmen, darunter die Installation weiterer Ammoniaklösungen mit geringer Füllmenge und Direktexpansion (DX), um diesen Rechtsvorschriften Rechnung zu tragen.
Systeme mit geringer Füllmenge treiben Innovationen voran
Der bedeutendste Trend, der den Ammoniakkältesektor verändert, ist die rasche Einführung von Systemen mit geringer Füllmenge, die weniger Kältemittel als herkömmliche Systeme verwenden. Dieser Wandel trägt sowohl Sicherheitsbedenken als auch regulatorischen Anforderungen Rechnung und erhält zugleich die thermodynamischen Vorteile von Ammoniak.
Werkseitig kompaktierte und vor Ort errichtete Ammoniaksysteme mit geringer Füllmenge setzen sich bei Neuinstallationen zunehmend gegenüber den herkömmlichen Ammoniaksystemen mit „größerer Füllmenge“ durch, sagt Liebendorfer. OEMs wie Evapco bauen und verkaufen aktiv kompakte Ammoniaksysteme mit geringer Füllmenge. Hinzu kommen zahlreiche Industriekälteanlagenbauer, die solche Systeme installieren und zum Teil auch eigene kompakte Einheiten fertigen.
Der Trend zu Systemen mit geringer Füllmenge ist mehr als nur eine Verbesserung der Sicherheit. Hernan Hidalgo, Director of Sales for Industrial Refrigeration bei Danfoss Climate Solutions, erklärt, dass innovative Ammoniaksysteme mit geringer Füllmenge wie NeoCharge von Danfoss Effizienzsteigerungen von bis zu 20 % ermöglichen und die Ammoniakfüllmenge um bis zu 50 % reduzieren können. Die Technologie eignet sich sowohl für Neuinstallationen als auch für Nachrüstungen und bietet Algorithmen für maschinelles Lernen, die Effizienz gewährleisten und die erforderlichen Eingriffe des Bedienpersonals reduzieren.
Liebendorfer nennt aktuelle technologische Verbesserungen bei kompakten Ammoniaksystemen mit geringer Füllmenge. Dazu zählen fortschrittliche Regelungen, innovative Systemintegration, Verfahren zur Kältemittelzufuhr wie Injektoren und Direktexpansion sowie die Verfügbarkeit alternativer Verflüssigungstechnologien. Diese Entwicklungen machen Systeme mit geringer Füllmenge für Betreiber, die Leistung mit Sicherheit und regulatorischer Konformität in Einklang bringen möchten, zunehmend attraktiv.
Hidalgo weist außerdem darauf hin, dass eine verstärkte Konzentration auf die mechanische Integrität von Rohrleitungen und Komponenten zur Einführung von Edelstahlventilen und weiteren relevanten Ausrüstungskomponenten geführt hat.
Forschung und Entwicklung treiben den Fortschritt voran
In der Branche gibt es umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, die auf die Optimierung der Leistung von Ammoniaksystemen und die Verringerung ihrer Umweltauswirkungen ausgerichtet sind. Forschungsinitiativen in der EU sind besonders bemerkenswert. Auf jüngsten Fachkonferenzen haben sich mehrere zentrale Untersuchungsbereiche herauskristallisiert.
Blaeser nennt Beispiele aus Fachbeiträgen und Fallstudien, die verschiedene führende europäische Komponentenhersteller auf der jüngsten Industrial Refrigeration Network Conference (IRN2025) vorgestellt haben, die im Juni stattfand. In Laboruntersuchungen werden die energieeffizientesten Verfahren zum Abtauen von Ammoniakverdampferregistern untersucht. Dazu gehört die Optimierung von Methoden, Zeitpunkt, Dauer, Abtauzyklen und Temperatur. Zudem werden fortschrittlichere Systeme zur Regelung des Dampfgehalts entwickelt, um die Verdampferleistung zu optimieren und Ammoniaksysteme mit geringer Füllmenge und Direktexpansion einfacher betreiben zu können.
Darüber hinaus schreiten die Arbeiten zur Verringerung der Füllmenge großer Ammoniaksysteme voran, indem die Umwälzrate in Pumpenumlaufsystemen reduziert wird. Dadurch lässt sich bei gleicher Füllmenge die Leistung für künftige Erweiterungen erhöhen, ohne dass das System neu ausgelegt werden muss. Außerdem wird untersucht, wie sich der spezifische Energieverbrauch großer Kühllager durch integrierte Echtzeit-Regelkreise senken lässt, die drehzahlgeregelte Antriebe an sämtlichen Verdichter-, Verflüssiger- und Verdampferlüftern sowie Pumpen interaktiv steuern und kontinuierlich an den Betriebsbedarf anpassen.
Hybride Lösungen und konkurrierende Technologien setzen sich durch
Eine interessante Entwicklung in diesem Sektor ist die zunehmende Einführung hybrider Kälteanlagen, die Ammoniak mit CO₂ kombinieren. Blaeser berichtet, dass „eine zunehmende Zahl von CO₂/Ammoniak-Kaskadenanlagen in Betrieb geht, bei denen die Boosterstufe mit subkritischem CO₂ und die Hochdruckstufe mit Ammoniak arbeitet. Diese Kältemittelkombination bietet dem Betreiber innerhalb der jeweils optimalen Betriebsbereiche die besten Leistungszahlen.“
Dieser hybride Ansatz ermöglicht es Betreibern, die Stärken beider Kältemittel zu nutzen und gleichzeitig spezifische Anwendungsanforderungen und regulatorische Einschränkungen zu berücksichtigen.
Unterdessen entwickelt sich die CO₂-Technologie weiterhin rasant weiter. Hidalgo weist darauf hin, dass Fortschritte bei Leistung und Zuverlässigkeit von Verdichtern unter hohem Druck, SPS-basierte Regelungen sowie größere und zuverlässigere Hochdruckventile und Ejektoren die Auslegung größerer CO₂-Systeme für höhere Leistungen ermöglichen und zugleich die erforderliche Sicherheit und Leistung gewährleisten.
Liebendorfer stellt fest, dass die „Industrialisierung“ kompakter transkritischer CO₂-Systeme den US-Markt für Industriekälte verändert. CO₂-Systeme, die aus dem gewerblichen Einzelhandel in den Industriemarkt gelangten, werden auf wesentlich größere Anlagen skaliert. Gleichzeitig kommen „stärker industriell ausgerichtete“ Regelungen, elektrische Ausrüstungen, Dämmsysteme und verschiedene von industriellen Anwendern geforderte bedienerfreundliche Funktionen zum Einsatz.
Fachkräfteprobleme geben weiterhin Anlass zur Sorge
Eine anhaltende Herausforderung für den Ammoniakkältesektor ist der sinkende Erfahrungsstand der ausgebildeten Fachkräfte. Sansom bezeichnet dies als bedeutenden Branchentrend und merkt an, dass er „gerne eine Zunahme der Ausbildungsprogramme für Kälteservicekräfte und Techniker sehen würde, um die Lücken zu schließen, die durch das Ausscheiden der erfahrenen Fachkräfte unserer Branche in den Ruhestand entstehen“.
Diese Herausforderung beim Fachkräfteangebot geht über die reine Zahl der Beschäftigten hinaus und betrifft auch das für Ammoniaksysteme erforderliche Spezialwissen. Die Komplexität moderner Systeme mit geringer Füllmenge und fortschrittlicher Regelungstechnologien erfordert Techniker, die sowohl über traditionelle Erfahrung mit Ammoniak als auch über Kenntnisse der neuen Technologien verfügen.
Marktwachstum und Ausbau der Infrastruktur
Trotz des Wettbewerbsdrucks expandiert der gesamte Industriekältemarkt weiter und schafft damit Chancen für Ammoniaksysteme. Sansom berichtet: „Der Trend geht hinsichtlich des Volumens industrieller Kühlflächen in Richtung Expansion. Zumindest ist es das, was ich beobachte. Kühllager werden modernisiert und erweitert, und die Lebensmittelproduktion wächst bei steigender Nachfrage.“
Statistische Daten stützen diesen Wachstumspfad. Laut dem ATMOsphere-Marktbericht 2024 Natürliche Kältemittel: Stand der Branche gab es im Dezember 2024 in Nordamerika 1.230 Industriestandorte mit Ammoniaksystemen mit geringer Füllmenge, was einem Anstieg von 17 % gegenüber 2023 entspricht. Darin enthalten sind 842 Standorte in den USA und 388 in Kanada. Die Wachstumsrate kompakter Einheiten gegenüber dem Vorjahr war mit 38 % besonders hoch, verglichen mit 15 % bei zentralen Systemen.
In Europa fiel das Wachstum noch deutlicher aus. ATMOsphere schätzt, dass es in Europa 3.600 Industriestandorte mit Ammoniaksystemen mit geringer Füllmenge gab, was einer Wachstumsrate von 7 % gegenüber 2023 entspricht. Laut dem Marktbericht ist die Zahl der Industrieanlagen in Europa, die Ammoniak mit geringer Füllmenge einsetzen, von Juni 2021 bis Dezember 2024 um 47 % gestiegen.
Ausblick
Der Ammoniakkältesektor steht an einem Scheideweg, an dem die traditionellen Vorteile mit den sich wandelnden Marktanforderungen in Einklang gebracht werden müssen. Während Ammoniak aufgrund seiner überlegenen thermodynamischen, ökologischen und wirtschaftlichen Eigenschaften seine Dominanz bei industriellen Großanwendungen behauptet, passt sich die Branche durch technologische Innovationen erfolgreich an, wobei CO2 bei einigen Anwendungen an Boden gewinnt.
Die Entwicklung von Systemen mit geringer Füllmenge, fortschrittlichen Regelungen und hybriden Lösungen zeigt, dass sich der Sektor weiterentwickeln und zugleich seine wesentlichen Vorteile bewahren kann. Hidalgo fasst zusammen: „Es ist eine spannende Zeit, um Effizienzsteigerungen voranzutreiben, Verschwendung zu reduzieren und zur Schaffung einer nachhaltigeren Industriekältebranche beizutragen.“
Das anhaltende Wachstum bei Installationen mit geringer Füllmenge und die fortlaufenden Forschungsaktivitäten deuten darauf hin, dass Ammoniakkälte ihre entscheidende Rolle in industriellen Anwendungen behaupten wird. Der Erfolg wird davon abhängen, ob die Branche den Schulungsbedarf der Fachkräfte decken, ihre Innovationstätigkeit fortsetzen und Endnutzern, die sich in einem zunehmend komplexen Auswahlprozess für Kältemittel orientieren müssen, das langfristige Nutzenversprechen von Ammoniak wirksam vermitteln kann.
Fallstudien aus der Praxis
Nachfolgend finden Sie ausgewählte Fallstudien, die die Wirksamkeit und Skalierbarkeit von Ammoniakkältetechnologien veranschaulichen.
Nachrüstung von SPX Technologies für Albertsons, Tracy, Kalifornien
Albertsons, einer der größten Lebensmitteleinzelhändler in den USA, arbeitete mit SGS Refrigeration und Clauger US zusammen, um sein wichtiges Kühllager in Tracy, Kalifornien, zu modernisieren. Das Projekt umfasste den Austausch von 79 veralteten Verdampfern durch kundenspezifisch konstruierte Einheiten, um Zuverlässigkeit und Effizienz zu erhöhen. Dank sorgfältiger Planung, reibungsloser Ausführung und enger Zusammenarbeit wurde die Nachrüstung termingerecht abgeschlossen. Dadurch wurden die Systemleistung gesteigert und die langfristige Betriebsbereitschaft sichergestellt.
Ammoniak/Glykol-System von EVAPCO für einen Tiefkühlkostbetrieb, Vereinigtes Königreich
EVAPCO lieferte eine hocheffiziente Ammoniak/Glykol-Kältelösung für einen Betrieb zur Herstellung tiefgekühlter Kartoffelprodukte in Scarborough, Vereinigtes Königreich. Das System verfügt über fünf ATC-935E-Verflüssiger und einen Glykol-Kühlturm mit geschlossenem Kreislauf und versorgt IQF-Tunnelfroster und Kühllager, während es die Ammoniakfüllmenge von 29.000 kg auf 15.900 kg reduziert. Diese Modernisierung senkte den Energieverbrauch erheblich und machte die Anlage zukunftssicher für Erweiterungen.
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