Natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Kohlendioxid und Wasser erleben in unterschiedlichen Anwendungsbereichen der Kälte- und Wärmepumpentechnik  eine Renaissance. Sie sind als Ersatz für die klima- und ozonschädigenden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sowie die fluorierten Kohlenwasserstoffe (FKW) eine interessante Alternative.

Wasser

Wasser als natürliches Kältemittel ist für Kühltemperaturen oberhalb des Gefrierpunktes einsetzbar. Da Kältemittel und Kälteträger nicht getrennt werden müssen, entfallen die üblichen Wärmetauscher. Die Folge: man erreicht eine höhere Energieeffizienz auch bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Verdampfungstemperatur und gewünschter Kälteträgertemperatur.

Die geringe volumetrische Kälteleistung erfordert die technisch anspruchsvolle Verdichtung größerer Volumenströme und damit neuartige Verdichter, um Leistungszahlen vergleichbarer Anlagen zu erreichen. Obwohl die Wasser-Kompressionsanlagen eine neuere Entwicklung darstellen, sind bereits einige Anlagen erfolgreich im Einsatz.

Ammoniak

Ammoniak ist seit Jahrzehnten ein häufig verwendetes Kältemittel, vor allem in der Industrie und für große Leistungen. Es ist nicht ozonschichtschädigend und trägt auch nicht zur Verstärkung des Treibhauseffektes bei. Aber es ist toxisch und brennbar. Bisher mussten aus Korrosionsschutzgründen Anlagenkomponenten in Stahl ausgeführt sein. Neuere Untersuchungen zeigen, dass unter bestimmten Randbedingungen auch Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe einsetzbar sind.

Die thermodynamischen Eigenschaften machen eine Reihe technisch anspruchsvoller Komponentenentwicklungen erforderlich, die insbesondere der breiteren Anwendung im Gewerbebereich noch entgegenstehen. Und auch die Sicherheit erfordert besondere Maßnahmen. Um Menschen und Kühlgut nicht zu gefährden, kann der Verdampfer häufig nicht direkt an das Kühlgut geführt werden. Der Wärmetransport erfolgt dann über einen Sekundärkreislauf.

Propan

In industriellen Kälteanlagen ist Propan ein seit Jahren eingesetztes Kältemittel. Als Ersatz für R502 und auch für das seit 1.1.2000 in Neuanlagen verbotene R22  findet Propan in der Wärmepumpentechnik  breite Anwendung. Propan schädigt die Ozonschicht nicht und besitzt nur ein sehr geringes Treibhauspotenzial.

Drucklagen und Kälteleistung liegen ähnlich wie bei R502 und R22. Da keine korrosive Wirkung gegen Kupfer besteht, sind Kupferwerkstoffe einsetzbar, die auch halbhermetische und hermetische Verdichter ermöglichen. Die leichte Entflammbarkeit des Propans macht allerdings zusätzliche sicherheitstechnische Vorkehrungen erforderlich.

Kohlendioxid

Der Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel hat eine lange Tradition. Mit der Einführung von "Sicherheitskältemitteln" in den 1950er Jahren wurde der Einsatz von CO₂ jedoch immer weiter vom Kältemittelmarkt gedrängt. Da Kohlendioxid über kein Ozonabbaupotential verfügt, wurde es in den letzten Jahren wieder zu einer gefragten Alternative. Gerade bei niedriger Umgebungstemperatur verfügt CO₂ über günstige thermodynamische Eigenschaften. Heute wird sich insbesondere beim Bau von Supermarktklimaanlagen wieder vermehrt für den Einsatz von Kohlenstoff entschieden. Auch für Automobilhersteller ist Kohlendioxid als natürliches Kältemittel (R744) in PKW-Klimaanlagen zur Alternative geworden, vor allem durch die EU-Richtlinie 2006/40/EG , nach der ab 1. Januar 2011 Hersteller neue Pkw-Typen nur noch verkaufen dürfen, wenn die Klimaanlage Kältemittel enthält, die deutlich weniger klimaschädlich sind als R134a .

Die hohe Drucklage macht speziell ausgelegte Anlagenkomponenten – Verdichter und Wärmetauscher – nötig. Andererseits erlaubt die sehr hohe volumetrische Kälteleistung einen sehr geringen Volumenstrom, der kleine Rohrquerschnitte und eine kompakte Bauweise ermöglicht. Kohlendioxid wird in industriellen Kaskadenkälteanlagen für den Anwendungsbereich von 10 bis 50 °C in der unteren Stufe eingesetzt, z. B. in Verfahren zur Schockgefrierung.

Die Prozessführung ist unterkritisch, günstig aus energetischer Sicht und erfolgt bei Drücken, bei denen auf verfügbare Komponenten zurückgegriffen werden kann. Bei den meisten transkritischen Anwendungen kann die CO₂ -Verwendung allerdings noch nicht als Stand der Technik bezeichnet werden, obwohl es auch hier durchaus Einsatzgebiete wie z. B. Brauchwassererwärmung oder Trocknungsprozesse gibt, bei denen der Einsatz energetisch durchaus vorteilhaft ist.