Umweltschonend kühl bleiben: Patentdatenanalyse zu natürlichen Kältemitteln

Kältemittel sind chemische Substanzen, die in Kühl- und Klimaanlagen verwendet werden. Sie funktionieren, indem sie Wärme absorbieren und in einem Kreislauf übertragen, um Luft oder Gegenstände abzukühlen.

Kältemittel haben normalerweise einen niedrigen Siedepunkt, sodass sie bei relativ niedrigen Temperaturen verdampfen und die Umgebung kühlen können. Im flüssigen Zustand absorbiert das Kältemittel Wärme und verdampft zu einem Gas. Anschließend gibt das Kältemittel durch Kompressions- und Kondensationsprozesse Wärme ab und kehrt in den flüssigen Zustand zurück, um für den nächsten Zyklus bereit zu sein.

Ein gutes Kühlmittel muss verschiedene spezielle physikalische und chemische Eigenschaften vereinen, um in den meisten Systemen und Umgebungen gut zu funktionieren. Unter anderem muss ein gutes Kühlmittel Eigenschaften wie hohen Verdampfungsdruck, hohe kritische Temperatur, niedrige Gefriertemperatur oder eine Flüssigkeit mit hoher Dichte aufweisen. Es muss außerdem spezielle chemische Eigenschaften wie Stabilität, Sicherheit, Korrosionsbeständigkeit, Ungiftigkeit aufweisen und natürlich umweltverträglich sein.

Was sind natürliche Kältemittel?

Natürliche Kältemittel sind Moleküle, die als Kältemittel verwendet werden und in der Natur vorkommen. Sie wurden in den allerersten Kühlsystemen verwendet. Im Laufe der technologischen Entwicklung wurden sie jedoch durch künstliche, synthetische Kältemittel ersetzt, die entwickelt wurden, um einige Probleme wie Entflammbarkeit, Toxizität und Korrosion zu überwinden. Die am häufigsten verwendeten natürlichen Kältemittel sind Ammoniak (NH3 – R717),Kohlendioxid (CO2 – R744) und Kohlenwasserstoffe (wie Propan R290 oder Isobutan R600a). Alternativen wie Wasser (H2O, R718) und Luft (R729) fallen ebenfalls in die Kategorie der natürlichen Kältemittel.

Die Analyse von Patentdaten bietet wertvolle Einblicke in Innovationen und hilft uns unter anderem dabei, die Zukunft einer Technologie vorherzusagen. In diesem Teil stellen wir vor, was Patentanmeldungen für Kältemittel mit niedrigem Treibhauseffekt (GWP) – darunter natürliche Kältemittel, HFOs und andere HFCs mit niedrigem Treibhauseffekt – uns über die Zukunft dieser Gase verraten können. Dabei werden auch die wichtigsten Akteure der Branche sowie die wichtigsten F&E- und Marktsektoren genannt. Unsere Patentsuche konzentrierte sich auf alle Gase mit niedrigem Treibhauseffekt und auf Kühl- oder Klimaanlagen, die diese verwenden.

Patentdatenanalyse natürlicher Kältemittel

Um die Innovations- und F&E-Aktivitäten in dieser Technologie zu verstehen, haben wir mithilfe unserer proprietären IP-Intelligence-Software eine Makrosuche durchgeführt. Durch die Analyse der gesammelten Patente mithilfe unserer Expertise im Bereich IP-Beratung konnten wir einen faszinierenden globalen Einblick in Innovationen und Investitionen in diesem Bereich schaffen.

Was sagen uns die Patentdynamiken über den Status dieses Bereichs?

Insgesamt umfasst die Datenbank über 2.000 Patentfamilien, die in den letzten 20 Jahren angemeldet wurden. Die Dynamik der Patentanmeldungen zeigt ein Feld, in dem es in den ersten 10 Jahren keine großen Innovationen gab, das dann von 2016 bis 2019 einen starken Aktivitätsanstieg mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von über 20 % erlebte.

Dieser Anstieg ist höchstwahrscheinlich auf Regulierungen zurückzuführen, die erstmals 2014 mit der Überarbeitung der EU-F-Gas-Verordnung (Nr. 517/2014) in Kraft traten. Diese Verordnung erließ strenge Maßnahmen für die Verwendung von HFKW und anderen fluorierten Gasen, darunter Ausstiegsziele für HFKW und vollständige Verbote bestimmter Kältemittel mit hohem Treibhauseffekt. Darüber hinaus wurde 2016 die bereits erwähnte Kigali-Änderung verabschiedet: eine globale Vereinbarung zur schrittweisen Reduzierung von HFKW, die 2019 zunächst in den Industrieländern in Kraft treten soll.

Der Anstieg der Füllungen hielt jedoch nicht lange an, da die durch COVID-19 verursachte globale Konjunkturabschwächung ab 2020 die Prioritäten in diesen Jahren möglicherweise leicht verlagerte. Im Jahr 2022 scheint die Dynamik wieder zuzunehmen, denn für 2023 ist bereits eine hohe Zahl von Füllungen registriert.

Ein wichtiges Merkmal dieser Datenbank ist die relativ hohe Zahl von Rechtsstreitigkeiten und Einsprüchen, die 2,5-mal höher ist als bei typischen Datenbanken dieser Größe und dieses Alters. Diese Einsprüche und Rechtsstreitigkeiten betreffen hauptsächlich Patente für synthetische Gase mit niedrigem Treibhauseffekt und betreffen die größten Namen auf diesem Gebiet. Tatsächlich betreffen rund zwei Drittel dieser Gerichtsverfahren nur drei Unternehmen, nämlich Honeywell, Chemours und Arkema.

Die Anmeldungen in einem vorrangigen Land erfolgen am häufigsten in dem Land, in dem die Forschung und Entwicklung durchgeführt wird. Ein Blick auf diese Daten zeigt uns also, welche Länder am innovativsten sind und welche ihre Erfindungen schützen wollen. Wie so oft ist China mit mehr als einem Drittel der Anmeldungen das innovativste Land.

Wie so oft ist Europa in Schutzländern besser vertreten als in Schwerpunktregionen, da Europa nicht nur ein wichtiger globaler Markt ist, sondern auch oft Vorreiter bei der Regulierung und Einführung von Lösungen zum Umweltschutz und zur Bekämpfung des Klimawandels. Alexander C. Pachai , der kürzlich in den Ruhestand ging, nachdem er unter anderem über 20 Jahre bei Johnson Controls tätig war, meint dazu: „ Was nachhaltige Vorschriften und insbesondere im Kühlbereich angeht, verfolgt China die Entwicklungen in Europa sehr genau. “ Dies könnte zu Sprüngen in die richtige Richtung für diesen riesigen Markt und die Zukunft des gesamten Bereichs führen.

Die folgende Grafik zeigt die 13 wichtigsten Bevollmächtigten in unserer Datenbank. Die meisten Top-Akteure sind große Unternehmen in der Herstellung von Kühlsystemen wie Daikin, Gree Electric Appliances, Panasonic, Mitsubishi, Carrier usw. und/oder Hersteller von Kühlgasen (Honeywell, Chemours, Mexichem, Arkema).

Die jüngste Aktivität ist sehr unterschiedlich. Einige Unternehmen haben seit 2017 weniger als 30 % ihrer Patente angemeldet (Sanden, Mexichem, Denso, Carrier), während andere im gleichen Zeitraum den Großteil ihres Portfolios (> 70 %) angemeldet haben (Daikin, Chemours, Panasonic, Idemitsu usw.) und sich damit offenbar für den bevorstehenden Wandel in diesem Bereich positionieren.

Uns fiel auch auf, dass die Hauptakteure sich selbst sehr häufig zitieren, wenn man sie mit anderen Datenbanken gleicher Größe und gleichen Alters vergleicht. Dies bestätigt die Tatsache, dass in diesem Bereich ein starker Wettbewerb herrscht und die Akteure sich gegenseitig genau überwachen, was sich in der hohen Zahl von Streitigkeiten und Einwänden zeigt.

Wie erwartet werden die großen Gashersteller Chemours und Honeywell am häufigsten zitiert und haben die meisten Patentstreitigkeiten. Daikin zitiert diese Hersteller häufig, weil seine Geräte und Systeme mit deren Gasen betrieben werden können. Tatsächlich erwähnen die meisten Daikin-Patente alle möglichen Kältemittel mit niedrigem Treibhauseffekt, wenn auch nicht unbedingt natürliche.

Wir haben also gesehen, dass der Markt für Gase und Systeme mit niedrigem GWP sehr wettbewerbsintensiv ist und dank der weltweit steigenden Nachfrage nach Kühl- und Klimaanlagen wachsen wird.

In unserer Datenbank ist CO2 das Gas, das in den meisten Patenten erwähnt wird (30 % der Datenbank) und auch das Gas, das in den letzten 10 Jahren den größten Anstieg an Patentanmeldungen verzeichnet hat. Propan ist das am zweithäufigsten verwendete Gas in unserer Datenbank, weist jedoch weniger als die Hälfte der Patentanzahl von CO2 auf.

Darüber hinaus ist CO2 das mit Abstand am häufigsten diskutierte Kältemittel. In mehr als zwei Dritteln der Patente wird es als mögliches Gas für ein Kühlsystem erwähnt, wobei nur CO2 und kein anderes Kältemittel erwähnt wird. Dies lässt darauf schließen, dass die Systeme speziell dafür ausgelegt sind. Dies kann mit seinen Eigenschaften zusammenhängen, da es spezielle Systeme und Druckhandhabung erfordert, um seinen physikalischen Eigenschaften gerecht zu werden.

Diese Ergebnisse sprechen jedoch nicht gegen die Einführung von CO2 als sehr wirksames und weit verbreitetes Kühlmittel, meint Kenneth Bank Madsen , CTO von ADVANSOR, einem Entwickler und Hersteller von CO2-Systemen für gewerbliche und industrielle Kühlung und Heizung. Er sagt: „ CO2 wird in industriellen Systemen aufgrund des Bedarfs an niedrigen Temperaturen immer häufiger eingesetzt; darüber hinaus ist CO2 trotz des Bedarfs an höherem Druck für fast alle Anwendungen geeignet. “

Auch Propan wird in unserer Datenbank häufig diskutiert, allerdings entspricht rund die Hälfte der Patente CO2. Außerdem wird es oft in Verbindung mit anderen Gasen erwähnt, da es problemlos in vorhandenen Systemen verwendet oder durch andere Kohlenwasserstoffe ersetzt werden kann. Insbesondere im Kampf um mobile Klimatisierungsmöglichkeiten und die Kühlung von Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) könnte Propan eine Vorreiterrolle einnehmen. Carloandrea Malvicino , Direktor für Strategien zur CO2-Emissionsreduzierung bei STELLANTIS, ist davon überzeugt, dass „ Propan das Beste für Elektrofahrzeuge ist “. Er erwähnt, dass „ CO2 bei sehr heißen Sommerbedingungen nicht so effektiv ist und deshalb für Autohersteller keine weltweite Lösung sein kann“ und dass „ Propan billig ist und ein Auto nur 200 bis 250 g benötigt “. Das Problem der Entflammbarkeit lässt er außer Acht und weist auch darauf hin, dass wir heute gedankenlos 50 Liter Benzin in unsere Autos füllen.

Bei synthetischen Gasen (HFO und HFC) ist seit 2019 ein leichter Rückgang der Füllungen zu verzeichnen, was möglicherweise auf eine Verlagerung hin zu natürlicheren Kältemitteln zurückzuführen ist. Die nächsten Jahre werden interessant zu beobachten sein, da Patentanmeldungen auf Marktnachrichten reagieren.

Prognosen der Internationalen Energieagentur (IEA) zufolge wird sich der Bedarf an Klimaanlagen und Kühlungen zwischen 2010 und 2050 in Nicht-OECD-Ländern voraussichtlich um das 4,5-fache und in OECD-Ländern um das 1,3-fache erhöhen. Dank der Gesetzgebung und Verpflichtungen auf regionaler, nationaler und weltweiter Ebene besteht ein bedeutender Markt für neue Kühlmittel und entsprechende Systeme.

Es wird erwartet, dass sich der Trend weg von herkömmlichen fluorierten Kältemitteln und hin zu nachhaltigen Ersatzstoffen – insbesondere natürlichen Kältemitteln wie Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen – fortsetzen und sogar beschleunigen wird. Tatsächlich sind ihre positiven Auswirkungen auf die Umwelt aufgrund ihrer geringeren Systemladungen in Kombination mit GWP-Werten nahe Null so gering, dass ihre direkten Auswirkungen auf die globale Erwärmung vernachlässigbar sind.

Aus unseren Interviews mit Kältetechnik-Experten sind wir zu drei wesentlichen Schlussfolgerungen gelangt:

• Es gibt keine technischen Hindernisse für die Einführung natürlicher Kältemittel, alles ist vorhanden und funktionsfähig. Die einzigen bestehenden Hindernisse könnten sein:
  • Schulung/Ausbildung und Anpassung der Standards,
  • Lobbyarbeit bei wichtigen Akteuren (vor allem Chemieunternehmen mit Patenten auf synthetische Kältemittelzusammensetzungen),
  • Verfügbarkeit von Verbindungen (z. B. in Afrika).
• CO2 und Propan sind vielseitig einsetzbar. Sie werden häufig verwendet und haben ein sehr breites Anwendungsspektrum, von der Kleinkühlung bis hin zu industriellen Anlagen.
• Es gibt viele Projekte, die einen Proof of Concept darstellen. Alle genannten Beispiele sind bereits implementiert und funktionieren einwandfrei. Dabei kommen alle Arten von Kältemitteln zum Einsatz (CO2, Propan, Propen, Ammoniak, Wasser usw.).

So erwähnte beispielsweise Jürgen Süß, dass die „ Besteffizienz der F-Gase durch natürliche Kältemittel immer noch zu übertreffen sei “ und dass „wir keine F-Gase mehr brauchen “.

Tatsächlich fördern Richtlinien wie die F-Gas-Verordnung die schrittweise Abschaffung und Reduzierung von Kältemitteln mit hohem Treibhauseffekt und fördern die Verwendung umweltfreundlicherer Ersatzstoffe. Die Industrie muss Wege finden, sich an diesen Paradigmenwechsel anzupassen. Wenn sich die EU für eine universelle Beschränkung von F-Gasen entscheidet, könnte es je nach Art der Rückstellung zwischen 5 und 15 Jahren dauern, bis Ersatzstoffe eingeführt werden. Rückstellungen sind jedoch nur für Anwendungen wahrscheinlich, bei denen es keine kommerziellen Alternativen gibt und/oder Alternativen Zeit brauchen, um die Produktion zu steigern – und natürliche Kältemittel scheinen bereits jetzt praktikable Alternativen zu sein. Ihre Verwendung wird voraussichtlich in Sektoren wie der industriellen Kühlung, der gewerblichen Kühlung und der Haushaltsgeräte zunehmen, da Unternehmen und Verbraucher nach umweltfreundlicheren Optionen zur Temperaturregelung suchen.

Patentdynamiken können zusammen mit Marktforschung und Experteninterviews wertvolle Einblicke in Forschungs- und Innovationstrends und -märkte liefern, wie diese Patentdatenanalyse von Kältemitteln mit niedrigem Treibhauseffekt und natürlichen Kältemitteln hoffentlich veranschaulicht. Wenn Sie weitere Einblicke in die Patentaktivität in diesem oder einem anderen technischen Sektor wünschen oder spezielle Beratung oder Unterstützung benötigen, wenden Sie sich an das Questel IP -Beratung -Team .

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