CO2-Klimaanlagen: „Der Integrationsaufwand ist erheblich“

VDI NACHRICHTEN: Herr Geyer, bereits Ende 2007 beschloss die deutsche Autoindustrie, das Kältemittel R744 (CO₂) in Klimaanlagen einzusetzen. Nach zwei Rollen rückwärts scheint es nun so zu kommen. Wie sieht Ihr Zeitplan aus?

GEYER: Laut EU-Richtlinie darf R134a wegen seines zu hohen Global Warming Potentials (GWP) ab 2017 nicht mehr in Neuwagen eingesetzt werden. Bis dahin muss die R744-Technik serienreif sein. Wir arbeiten mit voller Kraft daran. Zum Glück fangen wir nicht bei null an…

Krach ums Kältemittel

Der Streit um ein umweltfreundliches Kältemittel für Pkw-Klimaanlagen schwelt seit Jahren. Jetzt eskaliert er. Ein Überblick.
– Die EU Richtlinie 2006/40/EG schreibt die Verwendung klimafreundlicher Kältemittel vor. Das Kältemittel CO2 (R-744) erfüllt die Richtlinie, setzt aber noch nicht serienreife Hochdruck-Klimatechnik voraus. Dagegen ist R-1234yf von Honeywell und DuPont ohne größere Umbauten in bisherigen Klimaanlagen verwendbar. Allerdings hegt Daimler nach Tests enorme Sicherheitsbedenken.

– Bis 2017 müssen alle Hersteller vom bisher eingesetzten R134a umsteigen. Daimler setzt künftig auf R-744, verwendet R134a aber vorläufig weiter.
-Der jetzt erschienene KBA-Abschlussbericht bestärkt Daimler. Hierin heißt es, „dass das generelle Sicherheitsniveau von Kraftfahrzeugen durch den Einsatz von R1234yf tendenziell verschlechtert wird.“PT/MAH

…schon 2007 hieß es, die Technik sei beinahe serienreif.

GEYER: In der Zeit vor der Entscheidung für R1234yf hatten wir mit unseren Zulieferern intensiv daran gearbeitet und waren technisch weit vorn. Darauf können wir aufsetzen. Allerdings haben wir seit 2009 nicht mehr an dem Thema gearbeitet.

Ist der Zeitverlust aufzuholen?

GEYER:Der Terminplan ist ambitioniert. Mit unseren Systemzulieferern wollen wir alle benötigten Komponenten bis spätestens Anfang 2014 spezifizieren. Es gilt, sie dann serientauglich zu entwickeln und Produktionskapazitäten aufzubauen.

Bis 2017?

GEYER:Wir können 2017 natürlich nur durchstarten, wenn die Systeme die nötige Reife haben und die Komponenten in den nötigen Stückzahlen verfügbar sind. Wir arbeiten daran in einem großen, zuliefererübergreifenden Team.

Wie konkret sind die Entwicklungsaufträge an die Zulieferer?

GEYER:Mit allen involvierten Zulieferern gibt es vertraglich fixierte Entwicklungsaufträge, mit denen wir erhebliche Geldmittel bereitstellen. Das ist die Basis, um die terminliche Herausforderung bewältigen zu können. Spätestens bei der Vergabe von Serienaufträgen muss die kommerzielle Seite detailliert geklärt werden.

Die Technik muss vor 2017 für Testfahrten und Feintuning bereitstehen. Sicher sind die entsprechenden Modelle weitgehend durchgeplant. Welcher Integrationsaufwand geht mit der Entscheidung für R744 einher?

WERTENBACH: Er ist erheblich. Zwar sind Verdichter, Wärmetauscher und die Leitungen in etwa gleich groß oder kleiner als bei R134a-Systemen. Doch kommen zusätzliche Komponenten hinzu, die wir aus thermodynamischen Gründen teils im Motorraum unterbringen müssen…

…wo kaum Platz ist.

WERTENBACH: Genau. Doch wir müssen dort Bauraum für den Gaskühler schaffen, der in R744-Systemen quasi den heute eingesetzten Kondensator ersetzt. Nur so lässt sich das CO₂ auch bei hohen Temperaturen thermodynamisch performant halten. Neben der Packaging-Herausforderung müssen wir alle Register ziehen, um den Gaskühler sauber zu applizieren. Die Funktion anderer Aggregate, wie Motorkühlung oder Ladeluftkühlung, darf nicht leiden.

Was steckt hinter den thermodynamischen Notwendigkeiten?

WERTENBACH: Wegen seiner Eigenschaften – des kritischen Drucks und der kritischen Temperatur bei ca. 31 °C – kondensiert R744 bei hohen Außentemperaturen schlecht. Wärme muss abgeführt werden. Erst Abkühlung bis dicht an das Umgebungsniveau führt zu guter Kälteleistung. Auch die Speicherung des Kältemittels unterscheidet sich von der heutigen Fluor-Chemie. Statt im Kondensator mit Trockner und Sammler muss das im R744-System auf Niederdruckseite geschehen. Also zwischen Verdampfer und Verdichter und damit zwangsläufig im Motorraum. Konstruktiv ist das wegen der Wärme dort eine große Herausforderung.

Und das müssen Sie nun in weitgehend geplanten Modellen für 2017 umsetzen?

GEYER:Je nach Aggregat und Fahrzeug sind die Ausgangssituationen verschieden. Wir sind dabei, das Packaging, die relevanten Simulationen und thermodynamischen Berechnungen zu überarbeiten. Je weiter die Festlegungen in einem Modell fortgeschritten sind, desto höher ist natürlich der Aufwand.

Wie steht es um Standardisierung der CO₂-Technik?

GEYER: Es braucht möglichst von Beginn an standardisierte Baukastenlösungen, damit die Zulieferer eine vernünftige Volumenplanung durchführen können und die Systemkomplexität sinkt. Auf VDA-Ebene laufen in einer offenen Plattform Expertenrunden, in denen alle sieben deutschen OEM und die Tier-1 und -2-Lieferanten mit Hochdruck Normen und Standards vorantreiben. Die Gespräche sind sehr konstruktiv und fokussiert.

Alle deutschen Hersteller?

WERTENBACH: Ja. Wir arbeiten gemeinsam mit Zulieferern daran, die Komponenten der R744-Technik per DIN-SPEC zu standardisieren. Sobald englische DIN-SPEC Templates vorliegen, folgt die zweimonatige öffentliche Einspruchsfrist. Es ist uns wichtig, den Prozess seitens der Automobilindustrie so transparent wie möglich zu gestalten.

GEYER: Dieser Prozess ist eine der Achillesfersen. Es ist beeindruckend, wie schnell sich dieser Kreis gefunden hat.

Zweifler sehen die R744-Hochdrucktechnik nicht als sicherheitstechnischen Fortschritt gegenüber R1234yf. Wird das geklärt?

GEYER: Einerseits gab es bis 2009 Untersuchungen, auf denen wir aufbauen. Andererseits gehen wir jetzt natürlich die üblichen Sicherheitsanalysen an. Das ist aufgrund von Normen und der US-Gesetzgebung ohnehin notwendig.

Ihre Festlegung auf R744 geschieht, bevor alle Sicherheitsanalysen abgeschlossen sind?

WERTENBACH: Wir wussten auch 2007, was wir taten. Wir haben höchste Anforderungen an die Sicherheit der Komponenten und Systeme und sind sicher, diese erfüllen zu können. Es gibt zudem eine Gesetzgebung, die den CO₂-Einsatz in Fahrzeugen regelt, samt Grenzwerten für die Konzentration von CO₂ im Innenraum. Über einen Zeitraum von 15 Minuten darf sie im Mittel 3 % nicht überschreiten. Daneben gibt es viele weitere Regeln an die wir bei der Auslegung gebunden sind.

Ist der höhere Systemdruck nicht ein Sicherheitsrisiko?

WERTENBACH: In heutigen Klimasystemen müssen wir der Druckbehälterverordnung ebenso genügen. Da die Kältemittelmasse im R744-System mit ca. 400 g geringer ist als bei R134a und R1234yf, sehen wir keine Nachteile. Alle Werkstoffe sind zudem so gewählt, dass bei crashbedingter Beschädigung ganz sicher keine Teile umherfliegen werden. Auf VDA-Ebene diskutieren wir diverse Ansätze, um die Grenzkonzentrationen im Innenraum einzuhalten.

Bleibt die Frage nach der Energieeffizienz. Studien haben Nachteile gegenüber R1234yf ermittelt. Welche Erkenntnisse haben Sie?

WERTENBACH: Bei Außentemperaturen über 40 °C haben Sie mit R744 nicht die Effizienz, wie mit einem gut ausgelegten R134a Kreislauf. Doch das gilt in Europa nur an wenigen Tagen im Jahr. Da die Effizienz von CO₂ bei mitteleuropäischem Klima besser ist, gehen wir davon aus, dieselbe Effizienz wie mit R134a zu schaffen. Vielleicht noch nicht in der ersten Generation, aber mit mehr Zeit für Optimierungen. Zudem gehören die Emissionen der Herstellung in die Bilanz. Und da ist CO₂ als industrielles „Abfallprodukt“ kaum schlagbar. Und auch wenn R1234yf mit einem GWP von 4 sehr gut ist, so ist dieser Wert bei R744 viermal geringer.

Klimaanlagen, die den Kraftstoffverbrauch steigern, werden in Ihrem Management und bei Ihren Kunden aber wenig Begeisterung auslösen.

GEYER: Wir reden von tendenziell etwas geringerer Effizienz an wenigen extrem heißen Tagen pro Jahr in der 1. Generation. Die Gesamt-CO₂-Bilanz unserer Fahrzeuge wird nicht negativ beeinflusst. Und es gibt Vorteile, die sich perspektivisch auf der Gegenseite buchen lassen. So ist CO₂ ein guter Betriebsstoff für Wärmepumpen. Wir werden uns damit befassen, wie wir das bei Themen wie der Batteriekühlung alternativer Antriebe nutzen können. Wenn wir CO₂-Anlagen im Sinne übergreifenden Energiemanagements als Wärmepumpe schalten und mit Abwärme von Komponenten betreiben können, ergibt sich Potenzial zur Verbrauchssenkung.

Welche?

GEYER: Zum Beispiel ist CO₂ ein guter Betriebsstoff für Wärmepumpen. Wir werden uns damit befassen, wie wir das bei Themen wie der Batteriekühlung alternativer Antriebe nutzen können.

Der VDA begründete die Abkehr von R744 seinerzeit mit dem Wunsch nach globaler Harmonisierung. Droht nun doch eine Zweiklassengesellschaft?

GEYER: Wir haben die Entscheidung für unser Haus getroffen und es uns damit alles andere als leicht gemacht. Wir sehen, dass andere diesen Weg konstruktiv mitgehen. Alles andere liegt außerhalb unseres Einflussbereichs.