Innovation: Neuer Kältekreis für Wärmepumpen

Wärmepumpen gelten als eine der wichtigsten Säulen der Energiewende. Sie sollen langfristig zum wichtigsten Heizsystem werden und fossile Brennstoffe ersetzen. Prinzipiell sind sie sehr klimafreundlich, da sie Wärme aus der Erde, der Luft oder dem Grundwasser nutzen. Wird die Wärmepumpe zusätzlich mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik angetrieben, ist sie extrem umweltfreundlich. Aber es gibt noch eine Baustelle: das Kältemittel.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat gemeinsam mit einem Industriekonsortium im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt „LC150“ (low charge 150 g) eine Wärmepumpe mit einem neuartigen Kältekreis entwickelt. Das neue Projekt „LC R290“ soll nun zusätzlich zu innovativen Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser führen.

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Wärmepumpen als Sicherheitsrisiko

Wärmepumpen, die mit Propan im Kältekreis funktionieren, haben sich inzwischen auf dem Markt etabliert. Allerdings dürfen die meisten Modelle nur im Außenbereich aufgestellt werden. Das hat einen einfachen Grund: Das Kältemittel hat eine hohe Brennbarkeit, weswegen die Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Innenräumen in den meisten Fällen zu hoch wären. Das trifft zu, sobald eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit ihren üblichen fünf bis zehn Kilowatt Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 Gramm Kältemittel übersteigt.

Die Fraunhofer-Innovation soll das ändern. Der neue Kältekreis läuft mit einer geringeren Menge an Propan. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben mehr als 20 Kombinationen aus Wärmeüberträgern und Verdichtern aufgebaut, vermessen, bewertet und verbessert – bis sie ans Ziel gelangten.

Propanmenge in Wärmepumpen unterschreitet Grenzwert

Der neue Kältekreis schafft mit einem vollhermetischen Verdichter eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt – dabei benötigt er lediglich 146 Gramm Propan und liegt somit deutlich unter der vorgeschriebenen Höchstmenge, aber der die verstärkten Sicherheitsauflagen gelten würden. Die spezifische Kältemittelfüllmenge liegt bei 12,8 Gramm pro Kilowatt. Im Vergleich zu den Systemen, die bereits auf dem Markt verfügbar sind, ist das gerade mal ein Fünftel.

„Ziel des Projekts war ein marktnahes Wärmepumpenmodul, das das klimafreundliche Kältemittel Propan nutzt, die 150-Gramm-Grenze für den Innenbereich nicht überschreitet und trotzdem Einfamilienhäuser beheizen kann“, sagt Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme und Kältetechnik am Fraunhofer ISE. „Das haben wir in Kooperation mit der Industrie nun erreicht und ihr die Werkzeuge in die Hand gegeben, um eine marktreife Wärmepumpe zu entwickeln.“

Propan als umweltfreundliche Lösung

Das sind gute Nachrichten für die Wärmepumpen-Branche. Denn Propan (R290) gilt als besonders klimafreundlich, weil es ein geringes Treibhauspotenzial hat. Der Wert fürs Umwelt Global Warming Potential (GWP) liegt nur bei drei. Was das bedeutet, wird erst über einen Vergleich deutlich: Beispielsweise das Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2.088.

Propan hat weitere Vorteile: Es ist günstig, in großen Mengen verfügbar und besitzt sehr gute thermodynamische Eigenschaften, was zu einer hohen Energieeffizienz führt. Auch beim Abbauprozess von Propan entwickeln sich keine kritischen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) – sie entstehen bei einigen anderen Kältemitteln, die ebenfalls über einen niedrigen GWP-Wert verfügen.

Wärmepumpe im Altbau: sinnvoll oder nicht?

Auch Wärmepumpen, die mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gase) arbeiten, sind keine gute Lösung. Denn es kann bei der Herstellung, Befüllung und bei Reparaturen in die Atmosphäre gelangen.

Kältekreis an Wärmepumpen in vielen Bereichen modifiziert

Für den Prototyp haben die Forschenden nur herkömmliche Komponenten eingesetzt, die also gut erhältlich sind. Ein wichtiges Element sind dabei asymmetrische Plattenwärmetauscher, die mit weniger Kältemittel auskommen. Zusätzlich ist es den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen gelungen, die Ölmenge im Kompressor zu verringern, was den Bedarf an Kältemittel weiter reduzierte. Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das erforderliche Kältemittelvolumen zu reduzieren.

Mit dem nächsten Schritt haben die Forschenden bereits begonnen: Sie wollen den neuen Kältekreis für Mehrfamilienhäuser adaptieren. Heizungshersteller und die Wohnungswirtschaft sind mit im Boot. Ergebnis des neuen Projekts „LC R290 – Low charge HP solutions“ sollen Etagenheizungen, innen aufgestellte Zentralheizungen sowie höhere Leistungsklassen für außen aufgestellte Wärmepumpen sein.

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