Propan (R290) als Kältemittel: Wo es in der Industriekälte passt – und was das Sicherheitskonzept leisten muss

Propan gehört zu den natürlichen Kältemitteln, die in der Industriekälte an Bedeutung gewinnen. Unter der Bezeichnung R290 arbeitet es in Kaltwassersätzen, in Wärmepumpen und in kombinierten Kühl- und Heizsystemen. Es hat ein sehr geringes Treibhauspotenzial und gute Voraussetzungen für einen effizienten Betrieb. Zugleich ist Propan brennbar. Ob R290 für ein Vorhaben passt, hängt deshalb von den geforderten Temperaturen, der Kälteleistung, dem Aufstellungsort und dem Sicherheitskonzept ab.

Was Propan als Kältemittel auszeichnet

R290 hat ein Treibhauspotenzial (GWP) von 0,02, bezogen auf 100 Jahre. Das ist der Wert, den die Verordnung (EU) 2024/573 in Anhang VI festlegt; er stützt sich auf den Sechsten Sachstandsbericht des IPCC. Ältere Veröffentlichungen nennen häufig den Wert 3 aus dem Vierten Sachstandsbericht. Zum Vergleich: Die Skala ist so angelegt, dass CO₂ den Wert 1 trägt. Synthetische Kältemittel, die über Jahrzehnte den Markt geprägt haben, liegen um mehrere Größenordnungen darüber. Für eine Anlage, die 15 Jahre und länger laufen soll, macht sich das bei Nachfüllmengen, im Servicefall und beim Restwert bemerkbar. Für die Klimabilanz zählt allerdings nicht das Kältemittel allein. Dichtheit, Energieverbrauch und Stromversorgung der Anlage gehören mit in die Betrachtung.

Thermodynamisch ist Propan ein leistungsfähiges Kältemittel. Wie effizient eine Anlage damit arbeitet, entscheidet sich an ihrer Auslegung und an den Betriebsbedingungen. Eine zentrale Größe ist der Temperaturhub zwischen der kalten und der warmen Seite. Höhere zulässige Kaltwassertemperaturen verkleinern ihn und entlasten den Verdichter. Höhere geforderte Heiztemperaturen vergrößern ihn und kosten Effizienz. Die Temperaturanforderungen der Verbraucher gehören deshalb zu Beginn der Planung auf den Tisch.

Nach ASHRAE 34 und DIN EN 378 ist Propan in die Sicherheitsgruppe A3 eingeordnet: geringe Toxizität, hohe Entflammbarkeit. Diese Einordnung bestimmt den Rahmen für Füllmenge, Aufstellungsort und Sicherheitstechnik. Sie bestimmt damit auch, welche Systemarchitektur für ein Vorhaben in Frage kommt.

Einen Überblick über CO₂, Ammoniak und Propan mit ihren Kennwerten und Einsatzbereichen gibt unsere Seite zu natürlichen Kältemitteln.

Brennbar heißt: Das Sicherheitskonzept gehört an den Anfang

Bei einer Freisetzung kann Propan mit Luft ein zündfähiges Gemisch bilden und in hohen Konzentrationen Sauerstoff verdrängen. Das Gas ist schwerer als Luft. Es sammelt sich in Schächten, Vertiefungen und tiefer liegenden Bereichen, auch dann, wenn der Aufstellraum selbst gut belüftet ist. Aus diesen Eigenschaften folgt alles Weitere.

Eine Propan-Kälteanlage wird über ihr Sicherheitskonzept geplant. Das klingt nach Einschränkung, ist in der Praxis aber vor allem eine Frage der Reihenfolge. Wer die Sicherheitsfragen zu Beginn klärt, gewinnt Freiheit in der Auslegung. Wer sie ans Ende schiebt, plant oft zweimal.

Füllmenge je Kältekreis. Die zulässige Füllmenge hängt vom Aufstellungsort, von der Zugänglichkeit und von der Belüftung ab. Die geltenden Normen legen dafür Kategorien fest, die für das konkrete Vorhaben zu Beginn der Planung geprüft gehören. Daraus ergibt sich, ob eine Kälteleistung in einem Kreis realisiert werden kann oder auf mehrere Kreise aufgeteilt wird.

Aufstellung. In vielen Industrieprojekten wird die Technikzentrale mit den Propan-Chillern im Außenbereich errichtet. Das Kältemittel bleibt außerhalb der Nutzungsbereiche, und der Aufbau lässt sich parallel zum laufenden Betrieb organisieren. Eine Außenaufstellung bedeutet allerdings nicht von sich aus, dass austretendes Kältemittel ausreichend abgeführt wird. Schächte, Gebäudeöffnungen, Vertiefungen und die tatsächliche Luftbewegung am Standort gehören ebenso geprüft wie mögliche Zündquellen in der Umgebung. Eine Aufstellung im Gebäude ist möglich, verlangt aber ein dafür ausgelegtes Anlagen- und Raumkonzept mit Lüftung und Gaswarnung.

Indirektes System. Bei den meisten Propan-Anlagen von KSI bleibt das Kältemittel in der Technikzentrale. Zu den Verbrauchern fließt Kaltwasser oder Kaltsole. Durch Produktion, Lager oder Serverraum laufen keine kältemittelführenden Leitungen. Die Hydraulik übernimmt damit einen Teil des Sicherheitskonzepts und lässt sich zugleich redundant ausführen. Sie bleibt trotzdem Bestandteil der Sicherheitsbetrachtung, etwa bei Wärmeübertragern und Entlüftungen.

Sicherheitstechnik. Gaswarnsensorik an den richtigen Stellen, definierte Abschaltungen, zündquellenfreie Ausführung im Aufstellraum und die Absperrbarkeit einzelner Kreise gehören zur Anlage und werden in der Planung festgelegt. Dazu kommen Wartung, Prüfung und der sichere Zugang zu den Komponenten. Nachrüsten geht, ist aber aufwendig.

Wo Propan in der Industriekälte passt

Aus den Eigenschaften ergeben sich typische Einsatzfelder.

• Kaltwassersätze für Prozess- und Gebäudekälte. Kompakte Chiller, die ein Kaltwassernetz versorgen, sind das häufigste Anwendungsfeld. Die Kälteleistung wird auf mehrere Einheiten verteilt, das Netz übernimmt die Verteilung.
• Wärmepumpen mit gleichzeitigem Kälte- und Wärmebedarf. Propan eignet sich für Anlagen, bei denen die warme Seite mitgenutzt wird. In der Kunststoffverarbeitung etwa braucht die Produktion Kälte und Wärme zur gleichen Zeit.
• Anlagen mit hohem Freikühlanteil. Rechenzentren und Prozesse mit ganzjähriger Grundlast fahren höhere Vorlauftemperaturen. Propan hält bei diesem Temperaturniveau den Wirkungsgrad, und die Außenaufstellung der Technikzentrale passt zum Freikühlkonzept.
• Normalkühlung in Verbindung mit CO₂ für die Tiefkühlung. In Projekten mit beiden Temperaturniveaus übernimmt Propan die Normalkühlung, während CO₂-Anlagen die Tiefkühlung versorgen. Jedes Kältemittel arbeitet dort, wo es seine Stärke hat.

Weniger geeignet ist Propan dort, wo große Kälteleistungen in einem einzelnen Kreis gefordert sind und die Füllmenge nicht auf mehrere Einheiten verteilt werden kann. In diesem Bereich hat Ammoniak seinen Platz.

Freie Kühlung und Wärmenutzung: Was die Regelung leisten muss

Freie Kühlung ist keine Eigenschaft von Propan. Sie nutzt niedrige Außentemperaturen, um Wärme aus dem Kaltwasser- oder Kaltsolekreis abzuführen, sodass der Verdichter weniger oder zeitweise gar nicht läuft. Pumpen und Ventilatoren brauchen weiterhin Strom. Wie groß der Freikühlanteil über das Jahr ausfällt, hängt vom Standort, von den Systemtemperaturen, von den Wärmeübertragern und vom Lastprofil ab. Propan passt zu diesem Betrieb, weil es bei den höheren Vorlauftemperaturen, die freie Kühlung begünstigen, seinen Wirkungsgrad hält.

Wird gleichzeitig Wärme gebraucht, ist die Nutzung der Abwärme meist wirtschaftlicher als ihre Abgabe an die Umgebung. Die Regelung muss dann Kühlbedarf, Wärmebedarf und Außenbedingungen zusammen betrachten und den Betriebspunkt daraus ableiten. In Produktionsbetrieben mit gleichzeitigem Kälte- und Wärmebedarf liegt hier das eigentliche Potenzial einer kombinierten Anlage.

Mehrere Einheiten: Teillast und Redundanz

Die Aufteilung der Kälteleistung auf mehrere Kreise oder Einheiten ergibt sich bei Propan oft schon aus der Füllmengenbegrenzung. Sie bringt weitere Vorteile mit: eine abgestufte Leistungsbereitstellung, ein günstigeres Teillastverhalten und die Möglichkeit, eine Einheit zu warten, während die anderen laufen.

Redundanz entsteht daraus allerdings erst durch die Auslegung. Entscheidend ist, welche Leistung beim Ausfall einer Einheit tatsächlich verfügbar bleibt, und ob Pumpen, Hydraulik, Regelung und Stromversorgung ebenfalls abgesichert sind. Ein redundant ausgeführter Chiller nützt wenig, wenn die gemeinsame Verteilung einsträngig gebaut ist.

Kältemittel R290 und die F-Gas-Verordnung

Die Verordnung (EU) 2024/573 reduziert die verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kältemitteln (HFKW) schrittweise und enthält anwendungsbezogene Beschränkungen für Geräte und Kältemittel. Welche Vorgaben für ein konkretes Vorhaben gelten, hängt von der Anwendung, vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme und von der jeweils geltenden Fassung ab. Das gehört zu Beginn der Planung geprüft.

Propan ist kein fluoriertes Treibhausgas und unterliegt der HFKW-Quotenregelung nicht. Eine Anlage mit R290 lässt sich über ihre gesamte Laufzeit mit demselben Kältemittel betreiben und warten, ohne dass Verfügbarkeit oder Preis des Kältemittels von der Verknappung abhängen. Das ist bereits in der Planungsphase ein Argument, das über die Investitionskosten hinausreicht. Die Anforderungen an Sicherheit, Qualifikation des Fachbetriebs und Betreiberpflichten gelten unabhängig davon und bleiben zu prüfen.

Aus der Praxis: Kühlen und Heizen mit Propan in der Kunststoffproduktion

Für ein international führendes Unternehmen der Kunststoffindustrie hat KSI Kältetechnik am Standort Zella-Mehlis eine zentrale Kühl- und Heizanlage für die Produktionsprozesse errichtet. Die Anlage arbeitet mit Propan und kombiniert das Kältemittel mit Wärmepumpentechnologie.

Die Eckpunkte:

• Kältemittel: R290 (Propan)
• Kälteleistung: 2 × 318 kW
• Heizleistung: 2 × 403 kW
• Rückkühlleistung: 800 kW
• Redundanz: 100 %, alle Pumpen redundant ausgeführt
• Betriebsweise: Kühl-, Heiz- und Freikühlbetrieb, geführt nach dem aktuellen Bedarf
• Regelung: Siemens-Zentralsteuersystem mit Visualisierung und gesichertem Fernzugriff
• Aufstellung: Technikzentrale im Außenbereich, Aufbau parallel zur laufenden Produktion
• Planung: vollständig in 3D

Der Kern des Konzepts liegt in der gleichzeitigen Nutzung beider Seiten der Wärmepumpe. Die kalte Seite kühlt die Prozesse, die warme Seite liefert Wärme dorthin, wo sie in der Produktion gebraucht wird. Was sonst über die Rückkühler an die Umgebung abgegeben würde, bleibt zum Teil im Prozess. Der Freikühlbetrieb ergänzt das in den Zeiten, in denen die Außentemperatur die Kühlung ohne Verdichter erlaubt. Alle Details stehen in der Referenz Uponor.

Zwei weitere Anlagen zeigen die Bandbreite. Im Rechenzentrum der NorthC Datacenters in München übernehmen Propan-Chiller mit 1,0 MW Kühlleistung und 100 % Redundanz die Zentralkühlung, mit dynamischem Wechsel zwischen Kühl- und Freikühlbetrieb und integrierter Wärmerückgewinnung. Im Maritim Hotel Amsterdam versorgen sechs Propan-Chiller die Normalkühlung von 30 Kühlzellen und weiteren Kühlstellen über Kaltsole, während CO₂-Anlagen die Tiefkühlung übernehmen. Die Wahl des Kältemittels richtet sich in jedem Fall nach den Anforderungen des jeweiligen Systems.

Bestandsanlage auf Propan umstellen

Auch bei der Modernisierung einer bestehenden Kälteanlage kann R290 eine Option sein. Ein einfacher Austausch des Kältemittels im vorhandenen Kreis ist das in der Regel nicht: Verdichter, Wärmeübertrager, Sicherheitseinrichtungen und Aufstellung müssen für Propan geeignet sein. In der Praxis steht deshalb meist die Erneuerung der Kälteerzeugung im Mittelpunkt, während geprüft wird, welche Teile der vorhandenen Infrastruktur weiter genutzt werden können, etwa Kaltwassernetz, Verbraucher, Rückkühler oder Gebäudetechnik.

Ob die Umstellung bei laufender Produktion gelingt, hängt vom Bestand und von einem tragfähigen Übergangskonzept ab. Bei Uponor und NorthC wurde die neue Technikzentrale parallel zum Betrieb errichtet und erst dann eingebunden. Wie KSI Bestandsanlagen bewertet und umbaut, beschreibt die Seite Revitalisierung und Modernisierung.

Worauf es bei der Planung einer Propan-Kälteanlage ankommt

Wer ein Angebot oder ein Konzept mit R290 bewertet, kommt mit diesen Fragen weit:

1. Welche Temperaturen brauchen die Verbraucher, und was folgt daraus für den Temperaturhub? Hier entscheidet sich ein großer Teil der Betriebskosten.
2. Wie ist die Füllmenge je Kreis begründet, und welche Aufstellungskategorie liegt zugrunde? Die Annahmen sollten offenliegen und zum tatsächlichen Aufstellungsort passen.
3. Bleibt das Kältemittel in der Technikzentrale? Indirekte Systeme mit Kaltwasser oder Kaltsole halten die Nutzungsbereiche frei vom brennbaren Stoff.
4. Ist die Redundanz durchgängig? Über Kälteerzeuger, Pumpen, Hydraulik und Regelung hinweg, nicht nur beim Chiller.
5. Wie viel freie Kühlung und Wärmenutzung ist für den Standort gerechnet, und auf welcher Datenbasis? Die Annahmen sollten nachvollziehbar sein.
6. Wie verhält sich die Anlage in Teillast? Mehrere Einheiten bieten hier Vorteile, wenn die Regelung sie nutzt.
7. Welche Sicherheitstechnik ist vorgesehen, und wer wartet sie? Gaswarnung und Abschaltungen brauchen Prüfintervalle wie jede andere Komponente.
8. Lässt sich im Betrieb warten? Absperrbarkeit, Zugänglichkeit und ein Umschaltkonzept gehören in die Planung.

Wie KSI Kältetechnik dabei unterstützt

KSI plant, baut und wartet industrielle Kälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln – von der energetischen Planung und Konzeptionierung über die Installation und Inbetriebnahme bis zum technischen Support mit 24/7-Bereitschaft.

Bei einem R290-Projekt werden Temperaturanforderungen, Lastverläufe, Aufstellung und Versorgungssicherheit gemeinsam betrachtet. Daraus entsteht die Systemwahl zwischen direkter und indirekter Ausführung, die Aufteilung der Kälteleistung auf Kreise und Einheiten, das Sicherheitskonzept mit Aufstellung und Gaswarntechnik sowie die Auslegung auf freie Kühlung, Wärmenutzung und bedarfsgerechte Regelung.