Kältemittel-Wechsel Propan oder CO₂ als Ersatz für R1234yf?

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Das PFAS-Verbot wird sich auf die Klima- und Thermomanagementanlagen auswirken. Das aktuelle fluorierte Kältemittel R1234yf baut sich zu einer solchen umwelt- und gesundheitsgefährdenden Ewigkeitschemikalie ab.

Die Diskussion ist nicht neu. Als sich ab dem Jahr 2017 das synthetische HFO-Kältemittel R1234yf als Ersatz für das fluorierte R134a in Auto-Klimaanlagen durchsetzte, waren schon die natürlichen Kältemittel Kohlendioxid (R744) und Propan (R290) in der Diskussion.

Sie bekommen jetzt eine zweite Chance, weil R1234yf zu den zahlreichen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) gehört, die als „Ewigkeitschemikalien“ verboten werden sollen. Denn R1234yf wird zu Trifluoressigsäure (TFA) abgebaut, die äußerst langlebig ist und sowohl umweltkritische als auch fortpflanzungsgefährdende Eigenschaften hat. Zudem kann sich TFA, da wasserlöslich, über den Wasserkreislauf weit verbreiten. Diese Eigenschaften wurden 2017 nicht bewertet. Damals ging es nur um das „Global Warming Potential“ (GWP) und R1234yf bot aus Sicht der Autohersteller den (Kosten-)Vorteil der „Drop-in-Lösung“, während Klima- und Thermomanagement-Anlagen, die mit Propan oder CO₂ betrieben werden, an die veränderten Eigenschaften des Kältemittels angepasst werden müssen.

Die HVAC-Anlagenhersteller sind vorbereitet

Für welches Kältemittel werden sich die Autohersteller entscheiden, an welchen Lösungen arbeiten die Zulieferer? Kurz gefasst: Die bekannten Kandidaten Propan und Kohlendioxid sind in der Diskussion, aktuell zeichnet sich eine Präferenz, aber kein eindeutiger Sieger ab. Die Zulieferer sind gut vorbereitet, schließlich hatten sie schon Klimatechnik für natürliche Kältemittel entwickelt, als sich die Branche für das fluorierte R1234yf entschied. Und: Die Elektromobilität stellt auch neue Anforderungen an die HVAC-Technik.

Höherer Systemdruck und Ex-Schutz-Anforderungen

Bei beiden natürlichen Kältemitteln sind besondere Anforderungen zu berücksichtigen. Anlagen mit CO₂ erfordern einen deutlich höheren Systemdruck als solche mit R134a. Leitungen, Wärmetauscher und Verdichter müssen entsprechend ausgewählt und ausgelegt sein. Das führt zu Mehrkosten. Bei Propan ist es die Entzündlichkeit, die konstruktive Zusatzanforderungen stellt.

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Dass die Anforderungen bei CO₂ beherrschbar sind, zeigt Volkswagen: Alle ID-Modelle auf der MEB-Plattform, die mit der optionalen Wärmepumpe ausgestattet sind, nutzen Klimaanlagen mit CO₂-Befüllung. Das sind seit 2020 immerhin mehr als 1,5 Millionen Fahrzeuge und die Zahl wird weiterhin rasch wachsen, weil auch die soeben vorgestellten ID Polo und ID Cross mit R744-Wärmepumpen unterwegs sein werden.

Außer der PFAS-Freiheit auch bei den Abbauprodukten nennt Volkswagen ein effizienteres Thermomanagement vorwiegend im Winter als Vorteil. Das führt zu höherer Reichweite der Fahrzeuge bei kalten Außentemperaturen.

Die Lösung der Zulieferer: Flexible Architektur

Noch ist unklar, wie die konkreten Vorgaben die EU-Verordnung zur Zukunft der Kältemittel im Fahrzeug aussehen werden. Die Zulieferer sind vorbereitet. François Bordes, Power Thermal Cluster Director bei Valeo: „Wir haben flexible thermische Architekturen entwickelt, die es Automobilherstellern ermöglichen, mit minimalen baulichen Änderungen am Fahrzeug zwischen den Kältemitteln zu wechseln.“

Bei den CO₂-Anlagen heißt das: Verstärkung von Bauteilen und Dichtungen, um deutlich höheren Betriebsdrücken von rund 130 bar standzuhalten. Das erhöht das Gewicht und die Systemkosten. Außerdem erfordert die R744-Architektur eine vollständig direkte Luft-Luft-Architektur, und der hohe Druck stellt eine Herausforderung für die Konstruktion der Kältekompressoren dar.

Für die Propan-Anlagen hat Valeo eine indirekte Architektur verwirklicht, mit einem Kompressor, der direkt in das Wärmepumpenmodul integriert ist und einer drastisch reduzierten Kältemittelfüllmenge. Die Folge beschreibt François Bordes: „Dadurch sparen wir das Gewicht der Kältemittelleitungen – rund 3,6 kg – ein. Insgesamt sinkt die Gesamtmasse des thermischen Systems von 18 kg auf etwa 10 kg. Wir behalten den gleichen Heizkern bei, ersetzen jedoch den Verdampfer durch einen neuen ‚Kühlkern‘-Wärmetauscher.“

Valeo: „Die OEMs bevorzugen Propan.“

Somit gibt es – und das dürfte für andere Tier-1-Zulieferer für HVAC-Anlagen ebenso gelten – gleich zwei serienreife Optionen mit unterschiedlichem Eigenschaftsprofil. Um den Kunden die Entscheidung zu erleichtern, stellt Valeo ihnen Demofahrzeuge mit ähnlicher Leistung und unterschiedlicher Klimatechnik zur Verfügung. François Bordes: „Das Feedback aus Europa, Nordamerika und Asien ergibt ein eindeutiges Bild: Aufgrund der idealen Balance zwischen thermodynamischem Wirkungsgrad, Gewichtsreduzierung des Systems und kosteneffizienter modularer Bauweise scheint Propan die bevorzugte Wahl für die meisten unserer Kunden zu sein.“

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Neue Wege auch beim Thermomanagement

Dies gilt für die Klimatisierung des Pkw-Fahrgastraums. Beim Thermomanagement z. B. von Batterie und Elektroantrieben sind ebenfalls neue Lösungen gefragt. Valeo arbeitet hier an einem dritten Weg: aktiv kohlenstoffarme dielektrische Flüssigkeiten für die direkte Tauchkühlung, zunächst für die Batterie. François Bordes: „Diese Lösung ermöglicht eine einheitliche Ein-Flüssigkeits-Architektur, die den Akku, den Wechselrichter und das Bordladegerät innerhalb desselben Kreislaufs direkt kühlt.“

ZF setzt bei solchen Thermomanagementsystemen für Elektrofahrzeuge auf ein indirektes, mit Propan befülltes System. Benedikt Schauder, Director Electrified Powertrain Technology: „Der Kältemittelkreis bleibt als eigenständiges, hermetisch geschlossenes Subsystem lokal begrenzt; die Wärme- und Kälteverteilung im Fahrzeug erfolgt über regelbare Wasser-Glykol-Kreisläufe. Dieser Ansatz reduziert externe Kältemittel-Schnittstellen, unterstützt eine geringe Füllmenge von weniger als 150 Gramm R290 und erleichtert die Integration in unterschiedliche Fahrzeugplattformen. Zusätzlich kann das System vorbefüllt und als geschlossenes Modul an den Fahrzeughersteller geliefert werden.

Aufdach-Klimaanlagen: ebenfalls mit Propan

Eberspächer ist unter anderem im Segment der Aufdach-Klimaanlagen für Busse und Coaches aktiv und setzt ebenfalls auf Propan. Kuno Zeller, Globaler Entwicklungsleiter: „Unsere bisherigen Versuche zeigen, dass sich Propan insbesondere im Kühlbetrieb im Vergleich zu R134a deutlich effizienter betreiben lässt. CO₂-Systeme sind wegen der höheren Anforderungen an die Druckbeständigkeit in der Regel etwas schwerer und kostenintensiver. Dafür bieten sie aber insbesondere im Heizbetrieb und bei niedrigeren Außentemperaturen Vorteile.“

Mit einem „Mix“ aus Abdichtung und Belüftung wird verhindert, dass im sehr unwahrscheinlichen Fall einer Leckage Kältemittel in kritische Fahrzeugbereiche gelangen kann: „So schaffen wir eine hocheffiziente Anwendung, die ohne zusätzliche indirekte Wasserkreisläufe auskommt.“ Grundsätzlich, so Kuno Zeller, eignet sich Propan vorwiegend für warme Klimazonen, während CO₂ vorwiegend in kühleren Regionen Vorteile bietet. Erste Serienanwendungen gibt es bereits: Seit September 2025 ist der erste Bus mit einer Propan-Variante der AC135-Familie im Linienverkehr im Einsatz. Weitere Projekte, so Eberspächer, sind in Planung.

Ergebnis (noch offen)

Da die EU-Verordnung zur Zukunft der Kältemittel in Fahrzeugen bisher nicht in ihrer finalen Fassung vorliegt, fahren die Zulieferer noch zweigleisig. Dabei ist zumindest keine Eile geboten. Vorgeschlagen ist für Elektrofahrzeuge eine Übergangsfrist von 6,5 Jahren und für „Verbrenner“ sowie schwere Elektro-Nutzfahrzeuge von 13,5 Jahren. Das wird den Autoherstellern Zeit geben, die entsprechenden Plattformen zu entwickeln – und Partner für die Zusammenarbeit von Klimatechnik mit natürlichen Kältemitteln zu finden.