Treibhausgase in Kühlanlagen gemäß EU-Verordung messen

Klimaanlagen in Rechenzentren, industrielle Kühlsysteme oder Wärmepumpen arbeiten heute noch überwiegend mit klimaschädlichen Treibhausgasen. Dem will die EU mit der neuen F-Gas-Verordnung einen Riegel vorschieben. Ziel ist es, die Emissionen des Industriesektors bis 2030 um mehr als 70 Prozent gegenüber 1990 zu verringern. Mit dem sogenannten Phase-Down-Verfahren leitete die EU bereits ab 2015 eine schrittweise Beschränkung für die Verwendung von fluorierten Treibhausgasen mit einem Treibhausgaspotenzial (GWP) ein. In der Übergangszeit von 2016 bis 2030 sollen sich die GWP-Werte der Kältemittel dadurch von aktuell etwa 2300 (100 Prozent) bis auf unter 500 (21 Prozent) reduzieren. Während des Phase-Down-Prozesses bleiben allerding noch einige Ausnahmen erlaubt. So dürfen beispielsweise bestimmte Unternehmen in dieser Zeit noch recycelte F-Gase verwenden. Alle anderen Hersteller müssen dann auf alternative Gase ausweichen.

Zahl der Klimaanlagen wächst weltweit

Bild 1: Grundlegendes Sensorelement im TGS 2630 ist ein Zinnoxid-Halbleiter, der auch geringe Mengen umweltschädlichen Gases erfasst. Unitronic/Figaro

Diese Bestimmung der Europäischen Union (EU) ist für alle Betroffenen eine große Herausforderung, denn die Zahl der Klimaanlagen in Gebäuden nimmt rund um den Globus kontinuierlich zu. Auch in anderen Bereichen wird gekühlt. Welches Auto läuft heute noch ohne Klimasystem vom Band? Hinzu kommen die Kühlsysteme in Industrieanlagen und Rechenzentren, die ohne Kühlung stillstehen würden.

Dichte der Anlagen muss kontrolliert und überwacht werden

Bei Anlagen, die mit Kühlgasen arbeiten, besteht immer die Möglichkeit, dass bestimmte Bereiche des Systems undicht werden und die schädlichen Umweltgase entweichen. Diese sind in der Regel nicht toxisch und daher für den Menschen ungefährlich. Der Schaden für die Umwelt dagegen kann – gerade bei großen Anlagen – sehr hoch sein. Aus diesem Grund haben deren Betreiber auch die Verpflichtung zur regelmäßigen Sicherheitsprüfung. In vorgegebenen Intervallen müssen die Systeme überprüft werden, um mögliche Schwachstellen aufzuspüren, aus denen Gas austreten und die Umwelt schädigen kann. Für diese Messvorgänge kommen Sensoren zum Einsatz, mit denen sich Lecks finden lassen.

Die neue EU-Verordnung zu F-Gasen will die Hersteller nun dazu bringen, zukünftig Gase mit niedrigen GWP-Werten einzusetzen, um die Umwelt zu schonen. Aber auch diese Gase haben einen Haken, denn viele von ihnen sind entweder entflammbar oder toxisch. Das Gefahrenpotenzial ist hoch, weshalb Anlagenhersteller aufgefordert sind, bereits bei der Fertigung ihrer Produkte notwendige Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen. Die Anlagen müssen entsprechend der geltenden Verordnungen konzipiert und regelkonform konstruiert werden. Auch hier sind kontinuierliche und sorgfältige Überprüfungen obligatorisch.

Gassensoren vereinfachen die Kontrolle

Bild 2: Schaltdiagramm des TGS 2630. Unitronic/Figaro

Für die Überprüfung dieser weniger umweltschädlichen Gase sind ebenfalls Gassensoren notwendig, die speziell auf die Anforderungen dieser Umgebung ausgerichtet sind. Unitronic vertreibt für dieses Anwendungsszenario Lösungen von Figaro Engineering, die nicht nur selbst entwickeln, sondern auch produzieren. Bei dem TGS 2630 beispielsweise handelt es sich um ein Basismodell, das sich beispielsweise für die beschriebenen Anforderungen eignet. Das Halbleiter-Gassensor-Element ist auch die Basis für das vorkalibrierte Modul FCM 2630 des japanischen Gassensorherstellers.

Das Basismodell TGS 2630 reagiert auf hoch entflammbare Kühlgase wie R32 und R1234yf mit niedrigem GWP sowie auch auf R-404a und R-410a, die auch heute noch bei konventionellen Klima- und Kühlanlagen zum Einsatz kommen. Bei dem von Figaro in den Gassensoren verwendeten Sensorelement handelt es sich um einen SnO₂-Halbleiter (Zinndioxid), der bei sauberen Luftverhältnissen eine geringe Leitfähigkeit aufweist. In Gegenwart eines nachweisbaren Gases steigt die Leitfähigkeit des Sensors in Abhängigkeit von der Konzentration des Gases in der Luft. Eine elektrische Schaltung wandelt die Änderung der Leitfähigkeit in ein Ausgangssignal um.

Anhand der generierten Werte lässt sich die Gaskonzentration ermitteln. In dem Gehäuse des Sensors wird Filtermaterial verwendet, um den Einfluss von Interferenzgasen wie Alkohol zu eliminieren. Das ermöglicht die selektive Reaktion auf schwer entflammbare Kältemittelgase. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich der Sensor besonders für stationäre Leckageanzeiger, die eine lange Lebensdauer sowie eine hohe Beständigkeit gegen Störgase aufweisen müssen. Die Miniaturisierung des Sensorchips ist der Grund für den geringen Stromverbrauch des Sensors, der in einem Standard TO-5-Gehäuse untergebracht ist und lediglich einen Heizstrom von 56 mA benötigt.

Entwickler können jeden Sensor selbst mit individuellem Signal-Processing und der entsprechenden Elektronik bestücken. Auch die Konfiguration für die gewünschte Applikation sowie das Kalibrieren übernimmt der Entwickler selbst, wodurch er das Einsatzfeld des Sensors flexibel bestimmen kann.

Vorkalibriert ab Werk

Bild 3: Auf dem Entwicklungsboard FCM 2630 ist der Gassensor 2630 von Figaro integriert, wodurch Entwickler auch direkt mit dem Design beginnen können. Pewatron/Figaro

Bei dem FCM2630 handelt es sich um ein Embedded-Typ-Modul mit dem Halbleiter-Gassensor TGS2630, der leicht entflammbare Kältemittelgase wie R-32 detektieren kann. Die Module dieser Produktfamilie sind vorkalibriert und haben bereits eine Temperaturkompensationsschaltung integriert. Das Embedded-Modul ist resistent gegen Störgase und eignet sich für die Kältemittel-Leckagesuche in Klima- und Kälteanlagen. Die Empfindlichkeitseigenschaften des Entwicklungsmoduls entsprechen denen des TGS2630-Sensors. Da die notwendige Elektronik bereits vorhanden ist, können Entwickler diese Module direkt implementieren und einsetzen und verhältnismäßig schnell selbst ein Gasleckerkennungssystem bauen. Ein Steckverbinder soll den Austausch des Gassensormoduls vereinfachen und dadurch eine regelmäßige Wartung ermöglichen. Zusätzlich sind die vorab konfigurierten Werte mit verschiedenen Anwendungen kompatibel, lassen sich aber bei Bedarf auf der Schnittstelle auch noch individuell konfigurieren und anpassen.

Fazit

Der Markt für die neue Generation von Gassensoren steht noch am Anfang. Das ändert sich aber, sobald die bislang noch eingesetzten F-Gase aufgrund der neuen EU-Verordnung vom Markt verschwinden werden. Hersteller von Klimaanlagen und industriellen Kühlsystemen sowie Hersteller von Wärmepumpen sollten sich darauf einstellen und in ihren Anlagen Gassensoren verwenden, die diese Gase aufspüren. So können sie sicher sein, dass sie die geforderten Prüfintervalle sowie alle gesetzlichen Anforderungen in einem adäquaten Zeitrahmen erfüllen.

(prm)