Fluorkohlenwasserstoffe

Begriff und Einteilung

Fluorkohlenwasserstoffe (FKW; englisch Hydrofluorocarbons, HFC) sind fluorierte Derivate der Kohlenwasserstoffe. Sie enthalten nur Kohlenstoff, Fluor und Wasserstoff. Man unterscheidet teilweise halogenierte Verbindungen, die H-FKW beziehungsweise HFKW heißen, von vollständig halogenierten FKW. Vollständig fluorierte FKW enthalten keine Wasserstoff-Atome; sie werden auch perfluorierte Kohlenwasserstoffe oder Perfluorcarbone genannt. Verbindungen, die zusätzlich Chlor enthalten, heißen Fluorchlorkohlenwasserstoffe.

Physikalische Eigenschaften und Kennwerte

Niedrigmolekulare FKW mit bis zu etwa sechs Kohlenstoffatomen sind Gase oder leichtflüchtige Flüssigkeiten. Sie lösen sich nur wenig in Wasser. Mit zunehmender Kettenlänge und zunehmendem Fluorierungsgrad nimmt die Wasserlöslichkeit weiter ab. Vollfluorierte Vertreter sind besonders stabil und haben deshalb eine erhebliche Lebensdauer in der Atmosphäre; sie werden erst in der Ionosphäre zersetzt.

Wichtige Kennwerte sind Siedepunkt, Löslichkeit, Treibhauspotenzial (GWP, bezogen auf 100 Jahre) und atmosphärische Lebenszeit. Beispiele: Tetrafluormethan CF₄ (R-14) siedet bei −127,8 °C, löst sich mit 0,020 g·l⁻¹ bei 20 °C in Wasser, hat ein GWP von 7.390 und eine Lebenszeit von 50.000 Jahren. Trifluormethan CHF₃ (R-23) hat ein GWP von 14.800 und eine Lebenszeit von 250 Jahren. Difluormethan CH₂F₂ (R-32) hat ein GWP von 675 und eine Lebenszeit von 6 Jahren. Hexafluorethan CF₃CF₃ (R-116) erreicht ein GWP von 9.200 und eine Lebenszeit von 10.000 Jahren.

Weitere Beispiele sind R-134a, 1,1,1,2-Tetrafluorethan (GWP 1.430; Lebenszeit 14 Jahre), R-125, Pentafluorethan (GWP 3.500; 36 Jahre), und Octafluorpropan R-218 (GWP 7.000; 2.600 Jahre). Tetrafluorethylen R-1114 hat ein GWP von unter 1.

Technische Verwendung

Tetrafluormethan (CF₄) entsteht in der Atmosphäre bei der UV-Photolyse von Trifluoracetylfluorid. Dieses ist wiederum ein Abbauprodukt von Halogenkohlenwasserstoffen in der Atmosphäre. Größere technische Emissionen entstehen in der Primäraluminiumproduktion, wenn Graphitelektroden unbeabsichtigt mit dem Flussmittel Kryolith reagieren. CF₄ wird in Plasmaätzverfahren verwendet; dabei entstehen CF₃⁻-Ionen und Fluor.

Fluorierte Derivate von Ethan und Propan (C2 und C3) dienen als Kältemittel. Häufig nutzt man azeotrope oder zeotrope Gemische mehrerer Stoffe, um thermodynamische Eigenschaften zu optimieren, gefährliche oder verbotene Stoffe durch technisch gleichartige zu ersetzen oder Toxizität und Treibhauspotenzial zu senken. Höhermolekulare FKW mit C6 bis C8 werden als Imprägnierungsmittel und Reiniger in Form perfluorierter Tenside eingesetzt. Der technisch wichtigste FKW, Tetrafluorethylen, ist Ausgangsstoff für Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon®) sowie für die photochemische Synthese fluorierter Alkohole.

Klimawirkung

FKW tragen zum Treibhauseffekt und damit zur Erderwärmung bei, weil ihre Moleküle die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche absorbieren. Ihr Treibhauspotenzial ist je nach Stoff sehr verschieden und liegt etwa um den Faktor 100 bis 23.000 über dem von Kohlendioxid (CO₂). Anders als Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) besitzen sie kein Ozonabbaupotenzial.

Nach 1987 wurden bei der Umsetzung des Montreal-Protokolls zunächst verfügbare FKW als Ersatz für FCKW-Kältemittel verwendet. Weniger klimaschädliche Alternativen kamen erst ab den 1990er Jahren allmählich auf den Markt. Im Jahr 2016 waren FKW mit einer Zunahmerate von 10 bis 15 % pro Jahr die am schnellsten zunehmende Sorte von Treibhausgasen.

Reduktion, Ersatzstoffe und Regeln

Die 2014 aktualisierte europäische F-Gase-Verordnung enthält Maßnahmen gegen Kältemittel-Emissionen aus Kälteanlagen. Für bestimmte Gase sind Inverkehrbringungs- und Verwendungsverbote vorgesehen; die Gesamtmenge der H-FKW soll bis 2030 auf ein Fünftel sinken. Strengere Anforderungen an Bau und Wartung sollen Leckagen verringern. Dazu gehören regelmäßige Dichtheitsprüfungen durch sachkundiges Personal und eine nachvollziehbare Protokollierung.

Für Kfz-Klimaanlagen gelten wegen ihrer hohen Leckraten stärkere Beschränkungen: Seit dem 1. Januar 2011 dürfen nur F-Gase mit einem Treibhauspotenzial unter 150 oder alternative Kältemittel eingesetzt werden. Als FKW wird R-152a, 1,1-Difluorethan, mit einem Treibhauspotenzial von 124 genannt. Die Kennwerttabelle gibt für R-152a dagegen ein GWP von 140 an. Als erfolgversprechende Alternative gilt CO₂ mit definitionsgemäß genau einem CO₂-Äquivalent; es wurde bereits in zahlreichen Fahrzeugen getestet und als effizient bewertet.

Beim Treffen der 28. Vertragsparteien zum Montreal-Protokoll 2016 in Kigali vereinbarten fast 200 Länder die schrittweise weitgehende Abschaffung bisheriger FKW. Nach Einschätzung von Experten könnte die Erderwärmung bis 2100 dadurch um bis zu einen halben Grad geringer ausfallen. Industrieländer sollen ihre Emissionen bis 2019 um 10 % und bis 2036 um 85 % reduzieren; EU und USA begannen bereits 2016. China sowie fast alle Entwicklungs- und Schwellenländer starten 2024 und sollen bis 2045 85 % erreichen. Golfstaaten, Irak, Iran, Indien und Pakistan beginnen 2028 und sollen 2047 85 % erreichen.

EN 378-1 (2000) behandelt Kälteanlagen und Wärmepumpen sowie sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen, grundlegende Anforderungen, Definitionen, Klassifikationen und Auswahlkriterien.