CO2 gewinnt in Anwendungen der Industriekälte an Boden

Von: Ilana Koegelenberg

 

Die Industriekälte erlebt ihren größten Umbruch seit Jahrzehnten, da Systeme mit Kohlendioxid (CO₂ / R744) zunehmend über ihre traditionellen Einsatzgrenzen hinausgehen, die langjährige Marktführerschaft von Ammoniak infrage stellen und gleichzeitig der regulatorische Druck auf fluorierte Alternativen wächst. Was treibt diesen Wandel voran, und was bremst ihn?

 

Die industrielle Einführung beschleunigt sich 

Die industrielle Einführung transkritischer CO₂-Systeme beschleunigt sich in den wichtigsten Märkten deutlich. Laut dem Marktbericht 2024 von ATMOsphere, Natürliche Kältemittel: Stand der Branche, gibt es in Europa inzwischen rund 4.900 Industriestandorte mit CO₂-Kältetechnik, was einem bemerkenswerten Anstieg um 48 % gegenüber 3.300 Standorten im Dezember 2023 entspricht. Diese Industrieanlagen machen 5,1 % der insgesamt schätzungsweise 95.600 transkritischen CO₂-Standorte in Europa aus. 

Nordamerika weist noch höhere Wachstumsraten auf: 2024 nutzten 870 Industriestandorte transkritisches CO₂, ein Anstieg um 74 % gegenüber 498 Standorten im Jahr 2023. Darunter befinden sich 380 Standorte in den USA, gegenüber zuvor 208, und 490 in Kanada, gegenüber zuvor 290. Industrielle Anwendungen machen inzwischen 17 % aller CO₂-Installationen in Nordamerika aus, ein deutlich höherer Anteil als die 5,1 % in Europa. 

Die Wachstumskurve zeigt eine kontinuierliche Beschleunigung. Die Zahl der industriellen CO₂-Installationen in Europa hat sich seit März 2021 verdreifacht, als die Technologie lediglich an 1.640 Standorten eingesetzt wurde, während die Einführung in Nordamerika insbesondere in den vergangenen Jahren an Dynamik gewonnen hat.

 

Wettbewerb mit etablierten Technologien 

Auf dem Markt für Industriekälte fordert CO₂ zunehmend Ammoniak heraus, ein natürliches Kältemittel, das großtechnische industrielle Anwendungen seit Langem dominiert.

 

Die anhaltende Dominanz von Ammoniak 

Branchenexperten zufolge ist diese Dominanz gut begründet. Jeffrey Hinson, Vice President US bei CIMCO Refrigeration, dem größten Anbieter für Industriekälteanlagen in Nordamerika, bestätigt, dass Ammoniak in industriellen Anwendungen in den USA weiterhin das am häufigsten verwendete Kältemittel ist. „Es ist ein bekanntes Kältemittel, das in der Branche etabliert ist. Es lässt sich sehr effizient betreiben und deckt den erforderlichen Bereich für Anwendungen mit großen Kälteleistungen und unterschiedliche Temperaturbereiche ab“, erläutert er. 

Wynand Groenewald, President des in den USA ansässigen CO₂-Ingenieurberatungsunternehmens Future Green Now, bekräftigt diese Einschätzung: „Ammoniak ist nach wie vor das am häufigsten verwendete Kältemittel, da die Anlagen in den USA schlicht so groß sind. Zentrale Ammoniakanlagen bleiben die bevorzugte Lösung für Anlagen mit hoher Leistung und für Prozessanlagen.“ 

Darüber hinaus weist Groenewald darauf hin, dass die Präferenzen der Anlagenbauer diesen Status quo häufig über die rein technischen Vorzüge hinaus festigen: „Wenn es nach den Anlagenbauern für Industriekälte ginge, wäre alles Ammoniak.“

 

Die Marktexpansion von CO₂ 

Trotz dieser fest etablierten Dominanz von Ammoniak gewinnt CO₂ in verschiedenen industriellen Anwendungen deutlich an Boden. Andre Patenaude, Director of Solutions Strategy bei Copeland, stellt fest: „CO₂ spielt in der Industriekälte weiterhin eine immer wichtigere Rolle, wobei viele Trends die Entwicklungen auf den gewerblichen Märkten widerspiegeln. ESG-Ziele [Umwelt, Soziales und Unternehmensführung] bestimmen die Auswahl von Kältemitteln, und der Ausstieg aus HFKW gilt als unvermeidlich.“ 

Die Faktoren, die hinter der Expansion von CO₂ stehen, reichen über Nachhaltigkeitsinitiativen von Unternehmen hinaus und umfassen praktische Erwägungen zu Sicherheit, Einhaltung regulatorischer Vorgaben und Marktdynamik. Dieser Wandel verändert auch die Wettbewerbslandschaft. Hinson beobachtet, wie sich die Marktstruktur selbst weiterentwickelt: „Kleinere mechanische Anlagenbauer steigen in das Geschäft ein und schaffen einen standardisierten Massenmarkt.“

 

Marktsegmentierung nach Größenordnung 

Diese Expansion von CO₂ erfolgt nicht gleichmäßig über alle industriellen Anwendungen hinweg. Hinson beobachtet, dass CO₂ -Kühllager bei kleineren Größenordnungen von 200.000 Quadratfuß und darunter immer häufiger werden. Verarbeitungsanlagen sind dagegen aufgrund der erforderlichen Systemleistung oder anderer komplexer Faktoren weniger verbreitet. 

Anstelle einer vollständigen Substitution führt diese segmentierte Einführung zu einer strategischen Positionierung, bei der CO₂ und Ammoniak unterschiedliche Anwendungen bedienen. Groenewald vermittelt einen umfassenden Überblick über diese Marktentwicklung: „CO₂ hat im industriellen Bereich deutliche Auswirkungen. Es gibt zweifellos einen Trend, Anlagen, die überwiegend HFKW eingesetzt hätten, durch CO₂-Systeme zu ersetzen. Die Einführung von CO₂ im industriellen Bereich ist daher klar erkennbar.“ 

Entscheidend ist, dass dieses Wachstum auf den Ersatz von HFKW und nicht auf die Verdrängung von Ammoniak abzielt. Es spiegelt somit eine Marktsegmentierung und keinen direkten Wettbewerb zwischen natürlichen Kältemitteln wider. 

Groenewald weist darauf hin, dass die Anlagen in den USA schlicht so groß sind, dass Ammoniak für viele Anwendungen weiterhin ideal bleibt. CO₂ findet jedoch seine Nische: „Meiner Ansicht nach ist es um Ammoniaksysteme mit geringer Füllmenge ruhiger geworden. Ich habe den Eindruck, dass CO₂ einen größeren Teil des Bereichs einnimmt, in dem Ammoniak mit geringer Füllmenge in Betracht gezogen würde, während zentrale Ammoniakanlagen die bevorzugte Lösung für Anlagen mit hoher Leistung und für Prozessanlagen bleiben.“

 

Regulatorische Treiber gestalten den Markt neu 

Das starke Wachstum bei der industriellen Einführung von CO₂ ist größtenteils auf regulatorischen Druck zurückzuführen, der sich zwischen dem umfassenden Ansatz der EU und der Umsetzung auf Ebene der einzelnen US-Bundesstaaten erheblich unterscheidet. Das Verständnis dieser regulatorischen Rahmenbedingungen ist entscheidend, um die Muster der Marktsegmentierung in den verschiedenen Regionen zu erklären.

 

EU-Vorschriften: ein umfassender Rahmen 

Die überarbeitete F-gas-Verordnung der EU, die am 11. März 2024 in Kraft trat, schafft den weltweit umfassendsten Rahmen für die Abschaffung fluorierter Gase. 

Giacomo Pisano, Sales Manager beim italienischen Verdichterhersteller Dorin, erläutert die Auswirkungen der Verordnung: „Dank der neuen F-gas-Verordnung stehen synthetische Kältemittel in kleinen und mittelgroßen industriellen Anwendungen inzwischen deutlich stärker unter Druck. Dadurch öffnet sich der Markt für natürliche Kältemittel, insbesondere CO₂.“ 

Wichtige regulatorische Meilensteine:

• 2027: Neue Kaltwassersätze mit einer Leistung von bis zu 12 kW dürfen keine f-gases mit einem Global Warming Potential (GWP) ≥150 verwenden; größere Kaltwassersätze sind auf GWP ≤750 begrenzt

• 2032: Vollständiges Verbot fluorierter Kältemittel in allen Kaltwassersätzen mit einer Leistung von bis zu 12 kW

• 2050: Vollständiger Ausstieg aus f-gases

 

Die Verordnung enthält wichtige Ausnahmen für „Geräte, die erforderlich sind, um die Sicherheitsanforderungen am Einsatzort zu erfüllen“, und berücksichtigt damit die komplexen Sicherheitsaspekte industrieller Anwendungen. 

Die EU-Verordnung stellt außerdem ausdrücklich einen Zusammenhang zwischen f-gases und PFAS (per- und polyfluorierten Substanzen) her und erklärt, dass einige fluorierte Treibhausgase „nachweislich oder vermutlich zu PFAS abgebaut werden“. Dieser Zusammenhang erhöht die Dringlichkeit des Übergangs von HFO-Kältemitteln zu natürlichen Alternativen wie CO₂ und Ammoniak. 

Die überarbeitete Verordnung verpflichtet die Mitgliedstaaten außerdem, Zertifizierungsprogramme für Techniker einzurichten, die mit natürlichen Kältemitteln arbeiten. Damit wird eine kritische Qualifikationslücke im Industriesektor adressiert, in dem die CO₂-Technologie weniger vertraut ist als etablierte Ammoniaksysteme.

 

US-Vorschriften: Innovation auf Ebene der Bundesstaaten bei Unsicherheit auf Bundesebene 

Die USA verfolgen einen fragmentierten regulatorischen Ansatz, der für industrielle Betreiber sowohl überzeugende Anreize als auch Gründe zum Zögern schafft. Regulatorische Sicherheit oder deren Fehlen spielt bei den Mustern der industriellen Einführung von CO₂ eine entscheidende Rolle und führt in den einzelnen Bundesstaaten zu unterschiedlichen Einführungsraten. 

Diese regulatorische Komplexität schafft einen zweigeteilten Markt, in dem einige Bundesstaaten die schnelle Einführung vorantreiben, während andere zunächst abwarten. Dadurch wird die Absicherung gegenüber künftigen regulatorischen Anforderungen zu einem entscheidenden Kriterium für industrielle Betreiber, die langfristige Investitionen in die Kältetechnik planen. 

Während der bundesweite American Innovation and Manufacturing (AIM) Act bis 2028 eine grundlegende Struktur vorgibt, setzen führende Bundesstaaten deutlich ambitioniertere Zeitpläne um, die sich unmittelbar auf die Wahl industrieller Kältetechnik auswirken: 

New York hat einige der strengsten Anforderungen eingeführt. Die endgültig verabschiedeten HFKW-Vorschriften enthalten spezifische Bestimmungen für die Industrie:

• Eisbahnen: f-gases mit GWP20 >580 ab 1. Januar 2026 verboten; GWP20 >10 ab 1. Januar 2030 verboten

• Alle Kaltwassersätze: f-gases mit GWP20 >20 ab 1. Januar 2030 verboten

 

Washington State nimmt die Industriekälte mit umfassenden Beschränkungen für Anlagen direkt ins Visier:· 

•  2025: Neue Anlagen für Gewerbe- und Industriekälte, ausgenommen Kaltwassersätze, müssen Kältemittel mit GWP ≤150 verwenden

• 2029: Anforderungen an Nachrüstungen und Begrenzung industrieller Kaltwassersätze auf GWP ≤750

• Gebührenstruktur: Jährliche Gebühren für Industriesysteme, die Kältemittel mit hohem GWP und Füllmengen von mehr als 200 lbs verwenden

 

California verbindet regulatorischen Druck mit finanziellen Anreizen durch sein mit $65 Millionen ausgestattetes F-gas Reduction Incentive Program (FRIP), das speziell auf industrielle Anwendungen ausgerichtet ist:

• Industrielle Prozesskälte- und Kühllageranlagen mit Systemen, die Kältemittel mit GWP >1.800 verwenden, können Fördermittel für einen Austausch erhalten

• $5 Millionen sind für den Austausch industrieller Prozesskälteanlagen vorgesehen

• $3 Millionen für Kühllager und andere kältetechnische Anwendungen

• Die Fördervoraussetzungen schreiben für geförderte Austauschmaßnahmen faktisch Alternativen mit extrem niedrigem GWP wie CO₂, mit einem GWP von 1, vor

 

Marktkräfte: Treiber und Hemmnisse 

Neben den regulatorischen Rahmenbedingungen wirken auf die industrielle Einführung von CO₂ weitere Marktkräfte ein, die sowohl überzeugende Treiber als auch erhebliche Hemmnisse schaffen.

 

Hemmnis: Wissenslücken 

Die Branche steht vor erheblichen personellen Herausforderungen, wobei sich die Qualifikationslücke auf mehreren Ebenen zeigt, von den Betreibern bis zu den Anlagenbauern. Patenaude erläutert, dass viele Betreiber in den USA zwar mit der CO₂-Kältetechnik vertraut seien, „die meisten jedoch noch keine Gelegenheit hatten, die Leistung von CO₂ -Systemen selbst zu bewerten. Daher haben viele Vorbehalte gegenüber CO₂, weil es für sie neu ist.“ 

Die Wissenslücke erstreckt sich auch auf die Kenntnis technologischer Fortschritte. Industrielle Betreiber wissen möglicherweise ebenfalls nicht, dass „die technologische Landschaft weiterentwickelt wurde, um den Einsatz von CO₂ in der Industriekälte zu erleichtern, einschließlich Verdichtung, Regelungstechnik, Ventilen und zugehörigen Systemkomponenten“, stellt Patenaude fest. 

Einschränkungen bei der Fertigung verschärfen diese Herausforderungen. Pisano weist auf regionale Kapazitätsengpässe hin, insbesondere in den USA: „Das größte Hemmnis ist der Mangel an Fertigungskapazitäten. Es gibt nicht genügend OEMs, um die tatsächlichen Marktanforderungen zu erfüllen.“ 

Angesichts dieser Qualifikationslücken entwickeln Hersteller umfassende Unterstützungsprogramme, um das Wissensdefizit bei industriellen CO₂-Anwendungen zu beheben. „Wir setzen uns dafür ein, Anlagenbauer und Systemplaner in der Industriekälte dabei zu unterstützen, ihre CO₂-Kompetenzen auf ein höheres Niveau zu bringen“, erläutert Patenaude. „Unsere Ingenieurteams arbeiten aktiv mit ihnen an der Planung und Installation von Systemen zusammen, erleichtern so den Lernprozess und schaffen die Voraussetzungen für den langfristigen Erfolg ihrer Betriebe.“ 

Diese Unterstützung erstreckt sich auf Umsetzungsstrategien, die das Risiko der Einführung verringern sollen. Patenaude empfiehlt ein schrittweises Vorgehen: „Betreibern, die den Wechsel vollziehen möchten, empfehlen wir, sich durch kleinere Feldversuche mit der CO₂-Kältetechnik vertraut zu machen. Dies ist eine ausgezeichnete Möglichkeit, die neuesten CO₂ -Technologien zu testen und die erforderliche Bestätigung zu erhalten, um anschließend die Installation einer größeren CO₂-Kälteanlage zu verfolgen.“

 

Treiber: Sicherheits- und Urbanisierungsaspekte 

Der wichtigste Treiber bei industriellen Anwendungen unterscheidet sich deutlich von den Motiven im gewerblichen Bereich. Während die Einführung im Gewerbe häufig auf Nachhaltigkeitsziele von Unternehmen zurückzuführen ist, wird die industrielle Einführung oft durch praktische Sicherheitsaspekte vorangetrieben. Patenaude erläutert: „Durch die Urbanisierung sind mehr Menschen näher an Kühllager herangerückt, die früher abgelegen waren. Dies hat dazu geführt, dass lokale Behörden Vorbehalte gegen die Verwendung von Ammoniak äußern. Als ungiftiges und nicht brennbares Kältemittel der Klasse A1 reduziert CO₂ die Sicherheitsbedenken.“ 

Dieser Urbanisierungstrend verändert in beiden Regionen die Entscheidungen zur Industriekälte. Ammoniakanlagen unterliegen zunehmend strengeren regulatorischen Anforderungen und Dokumentationspflichten, was ihren Betrieb komplizierter macht und das Sicherheitsprofil von CO₂ für Anlagen in dicht besiedelten Gebieten immer attraktiver werden lässt.

 

Treiber: größere Verdichterbaugrößen 

Die Ausweitung der Marktreichweite von CO₂ hängt stark von technologischen Entwicklungen ab, die Kapazitätsbeschränkungen überwinden. Die Entwicklung größerer Verdichter stellt dabei den entscheidendsten Fortschritt für die industrielle Eignung dar. Hersteller auf beiden Seiten des Atlantiks investieren erheblich in die Skalierung ihrer Anlagen, um mit dem etablierten Leistungsbereich von Ammoniak konkurrieren zu können. 

Groenewald betont, dass „größere transkritische CO₂-Verdichter auf den Markt kommen und Diskussionen über CO₂-Anlagen mit hoher Leistung ermöglichen“. Dies stellt einen grundlegenden Wandel des industriellen Potenzials von CO₂ dar. Er stellt fest: „Die wichtigsten Innovationen sind die größeren Verdichter und Komponenten.“ 

Die Verfügbarkeit größerer Verdichter eröffnet neue Möglichkeiten. Patenaude verweist auf die neuen subkritischen und transkritischen CO₂ -Einschraubenverdichter von Copeland, die den Bau industrietauglicher CO₂-Kälteanlagen ermöglichen. „Diese robusten CO₂-Lösungen unterstützen hohe Kälteleistungen und benötigen zugleich weniger Verdichter, wodurch der Einsatz von CO₂ in der Industriekälte erheblich vereinfacht wird.“ 

Groenewald weist jedoch darauf hin, dass die Innovation über die Skalierung hinaus begrenzt geblieben ist: „Leider ist die Technologie weitgehend gleich geblieben. Ich denke, in den USA geht es derzeit eher darum, sie funktionsfähig zu machen und herauszufinden, wie sie eingesetzt werden kann, als sich auf neue Technologien zu konzentrieren.“

 

Treiber: Verfügbarkeit modularer Anlagen 

Oliver Javerschek, Project Manager beim deutschen Hersteller BITZER, bringt die Perspektive des ausgereiften europäischen Marktes für industrielle CO₂-Anlagen ein und erläutert, wie modulare Ansätze industriellen Anwendungen zugutekommen: „Die modulare Auslegung von Systemen mit mehreren Verdichtern kann bei Anwendungen im industriellen Maßstab Vorteile bieten. Einerseits ist es für das Gesamtkonzept interessant, unterschiedliche Temperaturniveaus, beispielsweise für Inbetriebnahme und Lagerung, auf zwei Systeme aufzuteilen. Andererseits ist die Teillasteffizienz modularer Systeme hoch, da sich die Leistung mit mehreren Verdichtern besser regeln lässt als mit einem großen Verdichter.“ 

Dieser Ansatz berücksichtigt die besonderen Lastprofile industrieller Anlagen. Javerschek erläutert, dass „Verteilzentren oder Lebensmittelverarbeitungsbetriebe typischerweise während des Warenumschlags und der Produktion durch hohe Lasten in der Normal- und Tiefkühlstufe gekennzeichnet sind, während in der übrigen Zeit Teillastbetrieb mit lediglich einem Drittel bis einem Fünftel der Nennleistung erforderlich ist“. Aufgrund dieser Lastschwankungen sind modulare Systeme mit überlegener Teillastleistung besonders wertvoll. 

Trotz der Effizienzpotenziale stellt Javerschek jedoch fest, dass „die Industrie bevorzugt Standardlösungen einsetzt, beispielsweise modulare Systemtechnik mit Flashgas-Bypass und Direktverdampfung. Die Effizienzsteigerung wird eher durch effizientere Wärmeübertrager oder Verdichter erreicht als durch komplexe, effizienzsteigernde Technologien, die den technischen Aufwand erhöhen.“

 

Fazit: an einem Scheideweg 

Die Industriekälte befindet sich an einem entscheidenden Wendepunkt. Während das Wachstum von CO₂ um 48 % in Europa und der Anstieg um 74 % in Nordamerika eine echte Dynamik signalisieren, verbergen diese Zahlen eine differenziertere Realität: CO₂ ersetzt synthetische Kältemittel in industriellen Anwendungen nicht einfach, sondern erschließt neue Marktsegmente und besteht gleichzeitig neben der anhaltenden Dominanz von Ammoniak. 

Der weitere Weg hängt von drei entscheidenden Entwicklungen ab. Erstens muss die Verdichtertechnologie weiter skaliert werden, um die Leistungsschwellen zu erreichen, bei denen Ammoniak derzeit unangefochten dominiert. Zweitens ist eine umfassende Qualifizierung der Arbeitskräfte erforderlich, um die Wissenslücke zu schließen, die in den Kreisen der Anlagenbauer weiterhin das wichtigste Hemmnis darstellt. Drittens bedarf es regulatorischer Rahmenbedingungen, die der Komplexität der Industriekälte Rechnung tragen und zugleich den Druck in Richtung von Lösungen mit niedrigerem GWP aufrechterhalten. 

Die Entwicklung deutet darauf hin, dass die industrielle Einführung von CO₂ einem anderen Muster folgen wird als auf den gewerblichen Märkten. Anstelle eines vollständigen Ersatzes erscheint ein segmentiertes Wachstum wahrscheinlich, bei dem CO₂ Anwendungen mittlerer Größenordnung erobert, insbesondere in urbanen Gebieten, in denen Ammoniak Beschränkungen unterliegt, während Ammoniak seine starke Position in großen Verarbeitungsanlagen behauptet. 

Für industrielle Betreiber lautet die Frage nicht, ob sie sich für CO₂ oder Ammoniak entscheiden sollen, sondern vielmehr, in welchen Bereichen die jeweilige Technologie in einem zunehmend regulierten Umfeld die optimale Leistung bietet. 

 

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