Tiefkälte: Tiefkälteanlagen für besondere Anforderungen

Liefern Kälteanlagen Temperaturen von weit unter dem Gefrierpunkt, sprechen Experten von Tiefkälte. Sogenannte Tiefkälteanlagen erreichen minus 100 Grad Celsius und weniger. Sie erfüllen besonders hohe Anforderungen und kommen vor allem in der Pharma- und Chemietechnik zum Einsatz.

Geöffnete Kältekammer Mann steht in Trockeneisnebel

Interessant sind die Lösungen aber auch für medizinische Anwendungen, Labore und Prüfinstitute. Deutsche-Thermo erklärt, wie sich Tiefkälte erzeugen lässt, worauf Anlagenbetreiber achten müssen und wann welche Technologien infrage kommen.

Die Themen im Überblick

Zahlreiche Einsatzbereiche für Tiefkälteanlagen

Temperaturen von weit weniger als null Grad Celsius sind im Alltag selten erforderlich. Anders in der Industrie: Hier sorgen die niedrigen Temperaturbereiche dafür, dass verschiedene Medien bei der Produktion nicht miteinander reagieren. Sie halten Impfstoffe sowie Bioproben frisch und ermöglichen spezielle medizinische Behandlungen am Menschen. Die folgende Übersicht zeigt einige der wichtigsten Anwendungsgebiete von Tiefkälteanlagen:

Lagerung von Pharmazeutika und Bioproben

Labortests von Produkten bei tiefen Temperaturen

Lagerung von Lebensmitteln und verderblichen Waren

Herunterkühlen von Wärmeträgerölen in der Industrie

Rückgewinnen von Lösemitteln in der Produktionstechnik

Medizinische Behandlungen in speziellen Tiefkühlkammern

Tiefkälte für die Chemie- und Pharmaindustrie

Eine große Rolle spielen Tiefkälteanlagen in der Chemie- und Pharmatechnik, wenn es um die Lagerung pharmazeutischer Erzeugnisse geht. Um die Produkte lange haltbar zu machen, kühlen die Anlagen Medikamente sehr stark ab, wodurch die Mittel in kurzer Zeit gefrieren. Saugen Anlagenbetreiber nun die Luft ab, sublimiert das übrige Wasser durch die Zufuhr von Energie. Es geht ohne Verflüssigung in den gasförmigen Zustand über und verflüchtigt sich. Die pharmazeutischen Erzeugnisse trocknen besonders gut und lassen sich lange Zeit lagern. Die Gefriertrocknung hat dabei auch den Vorteil, dass die wichtigen Inhaltsstoffe nicht zu Schaden kommen – Medikamente erhalten ihre Wirksamkeit und lassen sich bei entsprechender Transportkühlung überall auf der Welt einsetzen.

Tiefkälteanlagen für Labortests unter Extrembedingungen

Ist die Funktion verschiedenster Bauteile in der Praxis lebenswichtig, sind Tests unter extremen Bedingungen nötig. Prüfinstitute und Labore führen diese durch und nutzen dazu Tiefkälte. Zum Einsatz kommen spezielle Tiefkühltruhen (auch Tiefkältetruhen). Diese sind mit Kältetechnik ausgestattet, besonders gut isoliert und kompakt in den Abmessungen. Der Aufbau ermöglicht es, verschiedenste Produkte effizient zu testen, ohne mehr Energie als nötig zu verbrauchen.

Lebensmittelbranche setzt auf Tiefkälte zur Lagerung

Wie in der Pharmatechnik kommen Tiefkälteanlagen auch in der Lebensmittelbranche zur Kühlung und Haltbarmachung zum Einsatz. Üblich sind beispielsweise spezielle Lagerräume oder Tiefkühlschränke für verpackte und unverpackte Waren, etwa in Bäckereien. Abhängig vom Einsatzort sind die Anlagen dabei individuell an die vorherrschenden Anforderungen anzupassen. Geht es um die Lagerung unverpackter Waren und Zutaten, kommt es beispielsweise besonders stark auf die Feuchteregulierung an. Andernfalls würden die Rohstoffe schnell austrocknen, sodass sie für die Weiterverarbeitung unbrauchbar wären.

Kälteanlagen zum Herunterkühlen von Wärmeträgerölen

In vielen industriellen Prozessen ist eine starke Kühlung besonders wichtig. Niedrige beziehungsweise tiefe Temperaturen verhindern dabei, dass verschiedene Medien miteinander reagieren. Sie kühlen Maschinen sowie Prozesse und verändern die Eigenschaften von Materialien. Realisieren lässt sich die Kühlung dabei unter anderem mit Thermoölen. Diese zirkulieren in einem Kreislauf zwischen Tiefkühlanlage sowie Prozesstechnik und punkten mit besonders guten Tieftemperatureigenschaften. Die Kühlung auf Temperaturen von weit unter dem Gefrierpunkt lässt sich mit Tiefkälteanlagen realisieren.

Mit Tiefkälte Lösemittel aus Abluftströmen zurückgewinnen

In verschiedenen technischen Prozessen kommen Lösemittel zum Einsatz, die über den Abluftstrom aus der Anlage verschwinden. Um die Mittel teilweise wieder verwenden und die Umwelt schonen zu können, ist es wichtig, die Lösemittel zurückzugewinnen. Eine praktikable Lösung bietet die Kondensation mit Tiefkälteanlagen. Dabei kühlen Anlagen die Medienströme in einem ersten Schritt vor, bevor sie die Luftmassen auf tiefe Temperaturen bringen. Letzteres führt dazu, dass Lösemittel kondensieren, Luft gereinigt aus der Anlage entweicht und Hersteller die gesetzlichen Vorgaben der TA-Luft einhalten.

Medizinische Tiefkälte zur Kryotherapie bei Beschwerden

In der Medizin kommt Tiefkälte zum Einsatz, um die Durchblutung zu verringern, Entzündungen zu hemmen oder um Schmerzen zu bekämpfen. Neben lokalen Kryobehandlungen, die beispielsweise mit Flüssigstickstoff-Sonden erfolgen, gibt es auch spezielle Kälte- oder Tiefkühlkammern. Diese haben eine Temperatur von unter minus 100 Grad Celsius und werden bei der Behandlung für etwa drei Minuten mit Badebekleidung betreten. Die Haut kühlt sich dabei auf bis zu fünf Grad Celsius ab und im Körper kommt es zu schmerz- und entzündungshemmenden Reaktionen.

Interessant ist die Kryobehandlung auch für Sportler, die zum Beispiel nach intensiven Trainingseinheiten in die Kammern treten, um Muskelbeschwerden zu vermeiden. Vor Wettkämpfen oder anstrengenden Phasen wirkt die Tiefkältetherapie außerdem leistungssteigernd.

Verschiedene Anlagen für die Nutzung von Tiefkälte

Genauso vielschichtig wie die Nutzung der tiefen Kälte sind auch die dafür notwendigen Anlagen. Neben mehrstufigen Kompressionskältemaschinen für Thermoöle oder Sole gibt es dabei auch Tiefkühlkammern beziehungsweise Kältekammern für die medizinische Behandlung oder Tiefkühltruhen für Labortests in Produktionsanlagen. Möglich sind außerdem Tiefkühl- und Ultratiefkühlschränke, in denen medizinische Produkte und sogar Bioproben lagern. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Anlagen, ihre Funktion und typische Einsatzbereiche.

TiefkälteanlageBeschreibungEinsatzbereiche
KältemaschinenMeist mehrstufige Kühlaggregate mit Wasser- oder Luftkühlung, die Thermoöle oder Sole (mit Frostschutzmittelversetztes Wasser) stark abkühlen.Basis vieler Tiefkälteanlagen; vor allem zur Kühlung von Prozessen
Tiefkühlschränke
(auch Ultratiefkühlschränke)
Starkisolierte Schränke mit Innentemperaturen von null bis unter minus 100 Grad Celsius.Kühlung verschiedener Stoffe (Medizin, Lebensmittel, Bioproben, etc.)
TiefkühltruhenKompakte und isolierte Behälter mit Innentemperaturen von null bis unter minus 100 Grad Celsius.Labortests von Produktenunter extremen Bedingungen
Tiefkühlkammern
(auch Kältekammern)
Besonders gutisolierte Räume zur medizinischen Behandlung. Die Innentemperaturn erreichen Werte von null bis unter minus 100 Grad Celsius.medizinische Behandlung zur Schmerztherapie, Entzündungshemmung und Leistungssteigerung

Tiefkälte erzeugen und nutzen: So funktioniert es

Tiefkälteanlagen sind hochkomplexe Systeme, die Fachunternehmen meist individuell für Ihre Kunden planen und fertigen. Geht es darum, Tiefkälte bereitzustellen, kommen verschiedene Technologien infrage. So gibt es unter anderem:

Kühlen bei tiefen Temperaturen mit Flüssigstickstoff

Ohne komplexe technische Anlagen kommt flüssiger Stickstoff als Kühlmedium infrage. Flüssiger Stockstoff (LIN) hat eine Temperatur von etwa minus 196 Grad Celsius und nimmt beim Erwärmen viel Energie aus seiner Umgebung auf. Diese lässt sich nutzen, um Gegenstände oder Prozesse schnell stark herunter zu kühlen.
Der Vorteil: Eigene Kältemaschinen sind nicht erforderlich. Anbieter für technische Gase liefern das Medium bei Bedarf und Betriebe lagern es in superisolierten Tanks direkt vor Ort. In speziellen Transportbehältern ist sogar der mobile Einsatz denkbar.

Weitere Informationen dazu gibt unser Partner-Portal gasido.de in einem Beitrag zu flüssigem Stickstoff.

Trockeneis zur Transportkühlung bei – 78 Grad Celsius

Eine weitere Möglichkeit, Tiefkälte ohne eigene technische Anlagen bereitzustellen, bietet Trockeneis. Dabei handelt es sich um festes Kohlenstoffdioxid mit einer Temperatur von minus 78 Grad Celsius. Gepresst in Pellets, Nuggets oder Blöcken lässt sich der Stoff nutzen, um Laborproben zu kühlen, Lebensmittel haltbar zu machen oder Waren beim Transport zu kühlen.

Letzteres ist besonders interessant, da Trockeneis im Gegensatz zu Wasser nicht schmilzt. Der feste Stoff sublimiert, wobei er vom festen direkt in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Das Gas entweicht und es entsteht keine Feuchtigkeit.

Da Kohlendioxid die Atemluft verdrängen kann, sind beim Umgang mit Trockeneis allerdings einige Sicherheitsregeln zu beachten. Wer diese befolgt, bekommt unkompliziert Tiefkälte per Post – ohne eigene Technik oder hohe Investitionskosten. Unser Partnerportal Trockeneis-kaufen.de informiert umfassend zum Thema Trockeneis.

Stirlingkühler zur nachhaltigen Bereitstellung von Tiefkälte

Stirlinggeräte sind einigen bereits als Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung bekannt. Dabei sorgt eine externe Wärmequelle für die Verdichtung eines Arbeitsgases, das sich dabei erwärmt und an anderer Stelle abkühlt. Die Temperaturänderungen bewirken Schwankungen im Volumen, durch die sich ein Kolben bewegt. Ein Generator wandelt die mechanische Energie anschließend in Strom um.

Für Tiefkälteanlagen lässt sich der Prozess umdrehen: Hier sorgt ein Motor für die Bewegung der Kolben. Ein Arbeitsgas, zum Einsatz kommt beispielsweise Helium, wird dabei an einer Stelle verdichtet, durch Ventile in eine zweite Kammer geleitet und dort entspannt. Bei der Verdichtung entsteht Wärme, die sich über einen Wärmeübertrager aus dem Prozess auskoppeln lässt. Bei der Entspannung (Ausdehnung) nimmt das Arbeitsgas hingegen selbst viel Wärme aus der Umgebung auf. Es kühlt diese ab und sorgt für Temperaturen von bis zu minus 230 Grad Celsius. Diese ermöglichen es, Tiefkälte in der angeschlossenen Tiefkälteanlage für verschiedenste Anwendungen zu nutzen.

Gaskältemaschinen mit Absorption für Tiefkälteanlagen

Ist der Kältebedarf dauerhaft hoch, genügen Flüssigstickstoff und Trockeneis nicht mehr. In diesem Fall sind spezielle Tiefkälteanlagen erforderlich, die Medien mit einem technischen Prozess auf tiefe Temperaturen bringen. Ein umweltfreundliches und energiesparendes Beispiel ist die Gaskältemaschine. Die folgende Übersicht erklärt die Funktion der sogenannten Absorptionstechnik in vier Schritten:

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Schritt eins:

An einem Wärmeübertrager geht thermische Energie auf ein Kältemittel über. Zum Einsatz kommt beispielsweise Ammoniak (NH3), das Temperaturen von bis zu minus 30 Grad Celsius ermöglicht. Durch spezielle Druckbedingungen geht das Medium dabei in den gasförmigen Zustand über.

02

Schritt zwei:

Eine Flüssigkeit (Absorbens) nimmt das gasförmige Kältemittel komplett auf.

03

Schritt drei:

Eine externe Wärmequelle erhitzt das Kältemittel-Absorbens-Gemisch. Die thermische Verdichtung lässt sich beispielsweise mit einem Blockheizkraftwerk (KWKG), einem Gasbrenner oder mit regenerativen Energien realisieren.

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Schritt vier:

Die Hitze führt dazu, dass sich Kältemittel und Absorbens im Austreiber voneinander trennen. Das Kältemittel strömt zu einem Wärmeübertrager, gibt thermische Energie ab und regeneriert sich. Im flüssigen und kalten Zustand strömt es erneut zum Verdampfer, an dem das Medium Wärme aus einem Prozess oder einer Anlage aufnimmt.

Besonders interessant sind Absorptionskälteanlagen mit Ammoniak (R 717) aus zwei Gründen: Ammoniak schadet als natürliches Kältemittel weder der Ozonschicht (ODP=0) noch dem Klima (GWP=0). Außerdem lassen sich regenerative Energien und Blockheizkraftwerke anteilig nutzen, um Tiefkälte bereitzustellen.

Kompressionskältemaschinen für besonders niedrige Temperaturen

Eine der bekanntesten Technologien zur Kälteerzeugung ist die Kompressionskältemaschine, die Energie mit einem elektrisch oder gasmotorisch angetriebenen Prozess abführt. Die Funktion lässt sich dabei vereinfacht in vier Schritten erklären:

  • Schritt 1: Am Verdampfer (einem Wärmeübertrager) nimmt das Kältemittel Wärme aus der Tiefkälteanlage auf. Es verdampft und strömt in Form eines Gases zum Verdichter.
  • Schritt 2: Der Verdichter (auch Kompressor) der Tiefkälteanlage erhöht den Druck des Kältemittelgases, um das Medium zu erhitzen. Das ist nötig, um Wärme im nächsten Schritt aus dem System auskoppeln zu können.
  • Schritt 3: Am Verflüssiger gibt das Kältemittel Energie an die Luft oder an einen separaten Kühlkreislauf ab. Die Medientemperatur sinkt und die Verflüssigung setzt ein.
  • Schritt 4: An einem Expansionsventil baut das Kältemittel den übrigen Druck ab. Es nimmt seinen Ausgangszustand wieder ein und strömt bedarfsgerecht zum Verdampfer, an dem der Prozess erneut beginnt.

Welche Temperaturänderungen der Prozess realisieren kann, hängt stark von den Eigenschaften des eingesetzten Kältemittels ab. Da sich die Anforderungen im Tieftemperaturbereich von denen bei der Normalkühlung unterscheiden, arbeiten Tieftemperaturkälteanlagen in der Regel mit mehreren Stufen und unterschiedlichen Kältemitteln.

Nachfrage nach natürlichen Kältemittel bei Tiefkälte steigt

Im Sinne des Umwelt- und Klimaschutzes ist es wichtig, bestimmte Kältemittel aus dem Handel zu nehmen. Betroffen sind vor allem Mittel mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gasen), die aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften weit verbreitet sind. Das Problem: Die konventionellen Kältemittel schaden Ozon und Klima, was an hohen ODP– (Ozon depletion potential oder Ozonzerstörungspotential) und GWP-Zahlen (Global warming potential) messbar ist.

Natürliche Kältemittel sind umweltfreundlicher als konventionelle Rohstoffe

Zu den natürlichen Kältemitteln zählen beispielsweise Ammoniak (R717), Kohlendioxid (R744), Propan (R290) oder Propylen (R1270). Die Rohstoffe haben ein ODP von 0 sowie ein GWP von 0 bis 3. Im Vergleich dazu weisen Fluorkohlenwasserstoffe wie R134A, R404A, R407C und R410A ein GWP von 1.400 bis 3.990 auf, wodurch sie vom sogenannten Phase-Down-Szenario der EU betroffen sind. Dieses sieht die schrittweise Reduzierung solcher Kältemittel vor, um Umwelt und Klima zu schützen. Die folgende Übersicht zeigt Eigenschaften verbreiteter Kältemittel im Vergleich.

KältemittelODPGWPbrennbartoxisch
Kohlendioxid (R744)01neinnein
Ammoniak (R717)00jaja
Propan (R290)03janein
Propylen (R1270)03janein
R134A01430neingering
R404A03980neingering
R407C01770neingering
R410A02090neingering

Positiver Nebeneffekt der natürlichen Kältemittel ist die hohe Effizienz

Natürliche Kältemittel sorgen direkt und indirekt für mehr Umwelt- und Klimaschutz. Ersteres durch die günstigen Umwelteigenschaften. Zweiteres durch die höhere Effizienz, die Tiefkälteanlagen durch den Einsatz natürlicher Kältemittel wie Isobutan (R601) erreichen.

Höhere Sicherheitsanforderungen bei großen Anlagen für Tiefkälte

Der Nachteil natürlicher Kältemittel liegt darin, dass viele Mittel toxisch und/oder brennbar sind. In Bezug auf die Anlagenplanung und den Betrieb der Tiefkälteanlage ist das mit höheren Sicherheitsanforderungen verbunden. Ein Beispiel dafür sind Explosionsschutzkonzepte, die Betreiber vorbeugend erstellen müssen.

Individuelle Anforderungen entscheiden über passende Kältemittel

Welche Kältemittel zum Einsatz kommen, hängt immer von den Druck- und Temperaturbedingungen im Kältekreislauf ab. Bei Tieftemperaturkälteanlagen kommen für die Tieftemperaturstufe von Kompressionskältemaschinen üblicherweise die Mittel R404a oder R507a zum Einsatz.

Infolge der F-Gase-Verordnung eignet sich hier unter anderem das HFO-Kältemittel (Hydrofluorolefin) R449a. Es ermöglicht eine um acht bis zwölf Prozent höhere Energieeffizienz, ist mit einem GWP von 1.397 allerdings auch vom Phase-Down-Szenario betroffen. Langfristig auf der sicheren Seite sind Anwender mit natürlichen Kältemitteln wie Propen/ Propylen (R1270).

Tiefkälteanlage mieten: Die Lösung für den vorübergehenden Bedarf

Ist die Anlage defekt und die Produktion in Gefahr? Drohen Waren bei geplanten Wartungs-, Reparatur- oder Umbauarbeiten aufzutauen und zu verderben oder benötigen Anlagenbetreiber Tiefkälte nur saisonal?
In all diesen Fällen können sie eine Tiefkälteanlage mieten. Nutzer bezahlen nur solange, wie sie die Technik benötigen. Sie sichern geplante oder spontane Ausfälle ab und sparen hohe Investitionskosten. Vorgefertigt und anschlussfertig auf einem Stahlgestell montiert oder komplett in einem Container aufgebaut, lassen sich die Anlagen an nahezu jeden Ort liefern und dort schnell in Betrieb nehmen.

Typische Einsatzbereiche sind:

Überbrücken geplanter Wartungs- oder Reparaturarbeiten

schnelle Hilfe bei dem spontanen Ausfall der Kühltechnik

mobile Kältelösung für saisonalen Bedarf an Tiefkälte

modernste Tiefkälteanlagen ohne hohe Investitionskosten

Häufige Fragen zu Tiefkälte und Tiefkälteanlagen:

Was ist Tiefkälte und worum handelt es sich bei einer Tiefkälteanlage?

Tiefkälte hat eine Temperatur von unter null Grad Celsius. Sie kann weniger als minus 100 Grad Celsius haben und lässt sich mit einer Tiefkälteanlage erzeugen. Dabei handelt es sich um technische Anlagen wie Stirling-, Absorptions- oder Kompressionskältemaschinen.

Wann kommt Tiefkälte zum Einsatz?

Typische Einsatzbereiche finden sich in der Chemie- und Pharmaindustrie, wo Medien und Medikamente zu kühlen sind. In der Industrie geht es unter anderem darum, thermische Energie von Thermoöle abzuführen oder die Lagerung von Lebensmitteln und Medikamenten sicherzustellen. Ein weiterer Einsatzbereich findet sich in der Medizin, wo Tiefkälte unter anderem zur Schmerztherapie verwendet wird.

Welche Tiefkälteanlagen gibt es?

Während Tiefkälte mit flüssigem Stickstoff oder Trockeneis im kleinen Stil sowie mobil verfügbar ist, liefern auch leistungsstarke Kälteanlagen besonders tiefe Temperaturen. Zum Einsatz kommen dabei unter anderem Stirlingkühlgeräte, Absorptionsanlagen und mehrstufige Kältemaschinen. Bei Letzteren kühlen nachgeschaltete Stufen das Kältemittel immer weiter herunter.

Welche Kältemittel kommen für Tiefkälteanlagen infrage?

Lange Zeit setzten Hersteller hier auf R404a oder R507a. Da diese durch ihr hohes Treibhauspotential (GWP) vom Phase-Down-Szenario der F-Gase-Verordnung betroffen sind, kommen vor allem bei neuen Anlagen Alternativen zum Einsatz. Dazu zählt unter anderem das HFO-Kältemittel (Hydrofluorolefin) R449a, welches durch seinen hohen GWP von 1.397 ebenfalls vom Phase-Down-Szenario betroffen ist. Langfristig sicher sind hingegen natürliche Kältemittel wie Ammoniak (R717) oder Propen/ Propylen (R1270). Diese haben mit einem GWP von null bis drei ein deutlich geringeres Treibhauspotential. Sie ermöglichen eine höhere Energieeffizienz, sind allerdings brennbar, wodurch der Betrieb besondere Sicherheitsvorkehrungen erfordert.

Kann man eine Tiefkälteanlage mieten?

Ja! Tiefkühlkammern, Tiefkühlschränke und Tiefkälteanlagen sind zum Mieten erhältlich. Die Kosten hängen von der Bauart sowie der Leistung ab und lassen sich mit einem individuellen Angebot einfach abfragen.

Autor: Marc Bode

Marc Bode

Marc ist Geschäftsführer bei Deutsche Thermo. Er arbeitet seit 2009 in der Energiebranche und hat seine Ausbildung bei einem Anbieter für Flüssiggas gemacht. Seitdem war der Experte für Wärme- und Kältetechniken in vielen verschiedenen Funktionen tätig und hat 2020 Deutsche Thermo gestartet.