Propan-Kältekreis: Fraunhofer schließt Forschungsprojekt ab
Können Wärmepumpen in Einfamilienhäusern unter Einsatz von Propan sicher und effizient betrieben werden? Forschende des Fraunhofer ISE gingen dieser Frage im Forschungsprojekt „LC150“ nach. Nun sind die Arbeiten abgeschlossen und das Ergebnis eindeutig.
Foto: Fraunhofer ISE
Viele Wärmepumpenhersteller haben inzwischen R290-Wärmepumpen im Angebot, jedoch meist nur für die Aufstellung im Außenbereich. Der Grund: Für das Kältemittel Propan gelten aufgrund seiner Brennbarkeit umfangreiche Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Innenräumen. Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit ihren üblichen fünf bis zehn Kilowatt Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 Gramm Kältemittel, kann sie nur mit erhöhten Sicherheitsanforderungen installiert werden. Die Folge: Kunden entscheiden sich häufig lieber für einfacher umzusetzende Lösungen unter Einsatz anderer Kältemittel. Die Propan-Wärmepumpe ist in kleinen Einheiten aktuell nur sehr eingeschränkt konkurrenzfähig.
Effizienten Kältekreis unter Einhaltung der Grenzwerte entwickelt
Die Neuentwicklung des Fraunhofer ISE könnte dies ändern: In dem nun abgeschlossenen Projekt „LC150“ (low charge 150 g) entwickelten die Forschenden und ein Konsortium aus Wärmepumpenherstellern einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis. Dazu wurden mehr als 20 Kombinationen aus Wärmeübertragern und Verdichtern aufgebaut, vermessen, bewertet und optimiert. Einer der vielversprechenden Kältekreise erreicht mit einem vollhermetischen Verdichter mit 146 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt und unterschreitet damit die vorgeschriebene Höchstmenge für den Innenbereich. Die spezifische Kältemittelfüllmenge liegt bei 12,8 Gramm pro Kilowatt – rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen.
Für den Prototyp verwendete das Team marktverfügbare Komponenten. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmetauscher, die mit weniger Kältemittel auskommen. Das Forschungsteam konnte den Kältemittelbedarf auch durch eine reduzierte Ölmenge im Kompressor deutlich verringern. Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt, die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das erforderliche Kältemittelvolumen zu reduzieren. „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“, berichtet Dr. Ing. 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.“
F-Gase-Verordnung: Welche Chancen bietet die Alternative Propan?
Derzeit nutzen Wärmepumpen oft Kältemittel mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gase). Das Kältemittel verbleibt zwar im geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, doch können im Herstellungsprozess, bei der Befüllung und bei Reparaturen Teile der Substanzen in die Atmosphäre gelangen. Die aktuell in der Novellierung befindliche EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase, kurz F-Gase-Verordnung, schreibt deshalb eine kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potenzials von Kältemitteln vor. Bereits seit 2020 sind Kältemittel verboten, deren Global Warming Potential (GWP) gegenüber CO2 um den Faktor 2.500 übersteigt.
Eine umweltfreundliche Alternative ist Propan (R290). Sein Treibhauspotenzial liegt bei nur drei und erheblich niedriger als das herkömmlicher Kältemittel. Zum Vergleich: Das Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2.088. Propan ist weltweit kostengünstig verfügbar und hat sehr gute thermodynamische Eigenschaften, die eine höhere Effizienz gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Und anders als bei einem Teil der bisher eingesetzten Kältemittel mit niedrigem GWP entstehen beim Abbauprozess von R290 in der Atmosphäre keine kritischen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS).
Weiteres Forschungsprojekt: Wärmepumpen mit Propan für Mehrfamilienhäuser
Der nächste Schritt für die Forschenden ist die Entwicklung von Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser. Dafür hat das Fraunhofer ISE Ende Dezember 2022 das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit sieben Millionen Euro geförderte Verbundprojekt „LCR290 – Low charge HP solutions“ gestartet. Gemeinsam mit Heizungsherstellern und der Wohnungswirtschaft sollen einfach anwendbare und multiplizierbare Lösungen für den Austausch von Gas- und Ölheizungen in Mehrfamilienhäusern entwickelt werden. Drei Anwendungsfelder stehen dabei im Fokus: Etagenheizungen, innen aufgestellte Zentralheizungen sowie höhere Leistungsklassen für außen aufgestellte Wärmepumpen. Für die Umsetzung als Etagenheizung greifen die Projektpartner auf die Ergebnisse des Projekts „LC150“ zurück und erarbeiten passende Speicher- und Quellenkonzepte, Lösungen für den Anschluss an das Hydraulik- und Quellensystem sowie geeignete Regelungsansätze. Das Vorhaben läuft bis zum 30. Juni 2025.
