Umweltfreundliche Klimageräte 11.10.2022, 07:00 Uhr

Effizienzrekord: Wärmepumpe punktet mit Propan

Wärmepumpen sind aktuell extrem gefragt. Jetzt ist der richtige Zeitpunkt gekommen, um Weiterentwicklungen auf den Markt zu bringen und schnell zu etablieren. Fraunhofer-Forschenden haben einen neuen Propan-Kältekreis vorgestellt. Diese Wärmepumpe soll für die erzeugte Wärme weniger Strom benötigen.

Wärmepumpe

Für die Zukunft ist es wichtig, dass Wärmepumpen effizienter werden.

Foto: panthermedia.net/Simsek (YAYMicro)

Über Wärmepumpen wird derzeit viel diskutiert. Sie gelten nicht nur für viele Privathaushalte als eine klimafreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen wie Gasbrennwertkesseln. Kurzfristig sind die Geräte aufgrund des bevorstehenden Winters so gut wie gar nicht mehr zu bekommen.

Interesse an Wärmepumpen deutlich gestiegen

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Prinzipiell funktionieren Wärmepumpen wie ein umgekehrter Kühlschrank. Das heißt: Ein Kältemittel wird durch die Zufuhr von Wärme verdampft. Der Dampf wird komprimiert, wobei ein physikalisches Prinzip in Kraft tritt – durch die Kompression erhöht sich die Temperatur noch weiter. Das Kältemittel ist also das Herzstück der Wärmepumpe, es muss daher schon bei niedrigen Temperaturen verdampfen.

Unter anderem vom Kältemittel hängen also die Effizienz der Wärmepumen sowie die Kosten ab. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und ein Konsortium aus Wärmepumpenherstellern hat jetzt einen standardisierten und kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis entwickelt. Nach eigenen Angaben haben sie in ihrem Projekt LC150 (»low charge 150 g«) einen Effizienzrekord erzielt.

Prototypen im Dauertest

Seit einem Jahr baut das Fraunhofer-Team Prototypen Sole-Wärmepumpen. Dabei setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die einzelnen Komponenten in jeweils unterschiedlichen Konstellationen zusammen, um die effektivsten Varianten zu finden. Wie verändern sich die Werte, wenn Verdampfer, Verdichter, Kondensator, Wärmeübertrager oder Expansionsventil ausgetauscht werden? Das lässt sich durch einen Dauerbetrieb an speziellen Testständen ermitteln, wo die Prototypen 24 Stunden am Tag geprüft werden, und das über einen Zeitraum von jeweils zwei Wochen. Dabei werden die Messwerte von 26 Sensoren aufgezeichnet und analysiert.

Wärmepumpe: Luft, Erdreich oder Wasser – was sind die Unterschiede?

Die Ergebnisse sind vielversprechend: Der beste Prototyp schafft eine Effizienz von 4,7. Damit ist das Verhältnis der erzeugten Wärme zum eingesetzten Strom gemeint. Dabei dienten lediglich 124 Gramm Propan als Kältemittel, um eine maximale Heizleistung von 12,8 Kilowatt (kW) zu erreichen. Anders gesagt: Pro Kilowatt Heizleistung benötigte das System nur 9,7 Gramm Propan. „Das entspricht etwa der Propan-Menge in fünf Feuerzeugen“, sagt Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE.

Wärmepumpen mit neuem Kältekreis kommen mit wenig Propan aus

Damit haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihr selbst gestecktes Ziel weit übertroffen. Denn sie wollten die Menge des Kältemittels auf etwa 15 bis 30 Gramm pro Kilowatt zu reduzieren. Zum Vergleich: Handelsübliche Wärmepumpen benötigen etwa 60 Gramm Propan pro Kilowatt.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben viel unternommen, um die Menge des Kältemittels zu senken. Unter anderem haben sie das innere Volumen der Wärmeübertrager und die Ölmenge reduziert sowie Zusatzbauteile auf das Nötigste beschränkt. Zudem haben sie mit verkürzten Rohrleitungen die inneren Volumina reduziert.

Nächste Schritte zur Marktreife der Wärmepumpe sind in Planung

Propan ist als Kältemittel für die Forschenden deswegen so interessant, weil es hervorragende thermodynamische Eigenschaften aufweist und gleichzeitig ein geringes Treibhausgaspotenzial hat. Allerdings ist es schnell brennbar. Auch deswegen ist es dem Team wichtig, so wenig Propangas wie irgend möglich zu verwenden.

Von der Markteinführung ist der Rekord-Kältekreis allerdings noch ein Stückchen entfernt, da die Forschenden einen halbhermetischen Automobil-Verdichter eingesetzt haben. Dieser braucht besonders wenig Kältemittel bei hoher Leistung, da er eine hohe Drehgeschwindigkeit hat. Allerdings sind die Verdichter aus der Automobilbranche bisher nicht auf die hohen Betriebsstunden einer Wärmepumpe ausgelegt, die im Idealfall mindestens 20 Jahre lang im Einsatz sein sollte. Aufgabe des Herstellers ist es daher, jetzt einen vollhermetischen Verdichter mit längerer Lebenszeit auf den Markt zu bringen.

Der zweitbeste Prototyp brauchte übrigens 164 Gramm Propan bei einer Effizienz von 4,8 und einer Heizleistung von 8,1 Kilowatt. Auch er hatte also die Zielvorgaben des Projekts erreicht – und zwar mit einem herkömmlichen vollhermetischen Verdichter.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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