Den Markt für Propan-Wärmepumpen im Gebäudeinneren erschließen
Das Fraunhofer ISE entwickelt gemeinsam mit Partnern aus der Industrie einen R290-Kältekreislauf mit wenig Inhalt. Damit lassen sich Propan-Wärmepumpen auch innerhalb von Gebäuden aufstellen
Die Wärmepumpe mit dem klimafreundlichen Kältemittel Propan. (Fraunhofer ISE)
Ziel des Projekts „LC150“ war es, mit unter 150 g Propan eine Heizleistung zwischen fünf und zwölf kW zu erreichen. Das wurde erreicht und sogar übertroffen (Werte unterhalb der Linie). (Fraunhofer ISE)
Funktionsweise von elektrischen Wärmepumpen. (Bundesverband Wärmepumpe)
Auch für Mehrfamilienhäuser entwickelt das Fraunhofer ISE Wärmepumpen. (Fraunhofer ISE)
R290-Wärmepumpen gelten aufgrund des niedrigen Treibhauspotenzials als zukunftsweisende Technologie. Die Brennbarkeit des Gases macht aber besondere Aufstellbedingungen erforderlich. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat gemeinsam mit Industriepartnern einen Propan-Kältekreis entwickelt, der ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen im Inneren von Einfamilienhäusern aufgestellt werden kann. Die Neuentwicklung ist Ergebnis des im Juni 2023 abgeschlossenen Forschungsprojekts LC150 („low charge 150 g“). Auch für Mehrfamilienhäuser läuft die Entwicklung von Wärmepumpen mit Propan als Kältemittel auf Hochtouren. Jüngst ist hier das Projekt „LCR290“ gestartet.
Noch immer werden Wärmepumpen mit umweltschädlichen Kältemitteln in den Verkauf gebracht. Die derzeit in der Novellierung befindliche EU-Verordnung Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase, kurz F-Gase-Verordnung, will das ändern. Sie schreibt eine kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potenzials von Kältemitteln vor. Im Jahr 2020 sind Verwendungsverbote für Kältemittel in Kraftgetreten, deren Treibhauspotenzial (Global Warming Potenzial, kurz GWP) den Wert 2500 übersteigt. Zum Vergleich: CO2 hat den GWP-Wert von 1. Danach sinkt der zulässige Wert jedes Jahr, bis 2030 um 70 % gegenüber dem Vergleichsjahr 1990.
Hinzu kommt: Die Europäische Chemikalienagentur hat im Februar 2023 den Vorschlag für ein Verbot von PFAS-Ewigkeitschemikalien veröffentlicht. Voraussichtlich 2025 kann mit einer Entscheidung der Europäischen Kommission über diesen Vorschlag gerechnet werden. Sollten die Kältemittel zusätzlich auch unter ein PFAS-Verbot fallen, würde dies den Einsatz weiter erschweren oder sogar unmöglich machen.
Kältemittel-Alternative Propan
Umweltfreundliche Alternativen sind also dringend erforderlich. In Frage kommt etwa Propan, das auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist. Sein GWP liegt bei nur 0,02. Zum Vergleich: Das Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2255, das Kältemittel R32 einen Wert von 136.
Ein weiterer Vorteil von Propan ist, dass es kostengünstig verfügbar ist. Propan hat zudem sehr gute thermodynamische Eigenschaften, die eine höhere Effizienz gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Viele Wärmepumpenhersteller haben daher inzwischen R290-Wärmepumpen im Angebot.
Die meisten Hersteller bieten jedoch derzeit nur Wärmepumpensysteme mit Propan für den Außenbereich an. Der Grund: Propan ist brennbar. Für das Kältemittel gelten deshalb umfangreiche Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Wärmepumpen. Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit ihren üblichen 5 bis 10 kW Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g Kältemittel, kann sie nur mit erhöhten Sicherheitsanforderungen installiert werden. Dadurch steigen die Kosten. Aus diesem Grund sind Wärmepumpen mit Propan zur Innenaufstellung derzeit fast nicht am Markt vertreten.
Die Neuentwicklung des Fraunhofer ISE könnte dies ändern. In dem nun abgeschlossenen Projekt „LC150“ entwickelten die Forschenden und ein Konsortium aus Wärmepumpenherstellern einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis. Die mit dem Kältekreis und einem vollhermetischen Verdichter ausgestattete Wärmepumpe erreicht mit 146 g Propan eine Heizleistung von 11,4 kW. Damit unterschreitet die Wärmepumpe die vorgeschriebene Höchstmenge für den Innenbereich und hat trotzdem eine ausreichende Heizleistung für die meisten Einfamilienhäuser. Die spezifische Kältemittelfüllmenge liegt bei 12,8 g/kW – das ist rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen.
Für den Prototyp verwendeten die Wissenschaft ler marktverfügbare Komponenten. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmetauscher. Sie kommen aufgrund ihrer Beschaftenheit mit weniger Kältemittel aus. Das Forschungsteam konnte den Kältemittelbedarf auch durch eine reduzierte Ölmenge im Kompressor deutlich verringern. Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das erforderliche Kältemittelvolumen zu reduzieren.
Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser entwickeln
Der nächste Schritt für die Forschenden ist die Entwicklung von Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser. Dafür hat das Fraunhofer ISE Ende Dezember 2022 das Projekt „LCR290 – Low charge HP solutions“ gestartet. Gemeinsam mit Heizungsherstellern und der Wohnungsbauwirtschaft sollen einfach anwendbare und multiplizierbare Lösungen für den Austausch von Gas- und Ölheizungen in Mehrfamilienhäusern entwickelt werden.
Das neue Verbundprojekt hat ein Budget von 7 Mio. Euro und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Das Vorhaben läuft bis zum 30. Juni 2025.
Die Projektpartner wollen Wärmepumpen-Lösungen für drei Anwendungsfelder entwickeln: 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.
Schlussbemerkung
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) hat das abgeschlossene Projekt „LC150“ finanziell gefördert. Auch das laufende Projekt „LCR290“ wird vom Ministerium finanziell unterstützt.
Autoren:
Dr. Katharina Morawietz,
Dr. Lena Schnabel,
Clemens Dankwerth,
Timo Methler,
Fraunhofer ISE,
Projektleitungsteam LC150
