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Klimafreundlicheres Kältemittel

Derzeit nutzen Wärmepumpen noch überwiegend Kältemittel mit umweltschädlichen Treibhausgasen. Den Prototyp einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer klimafreundlichen Alternative hat nun das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt. Die Forscher setzen auf Propan.

Das Fraunhofer ISE hat den Prototyp einer Wärmepumpe entwickelt, die mit dem klimafreundlichen Kältemittel Propan betrieben wird ohne dass es besonderer Sicherheitsvorkehrungen für eine Aufstellung innerhalb des Hauses bedarf. Bild: Fraunhofer ISE

 

Das Treibhauspotenzial von Propan ist rund 500mal niedriger als das herkömmlicher Kältemittel. Ein weiterer Vorteil: Der Prototyp der neuen Sole/Wasser-Wärmepumpe benötigt bei gleicher Leistung nur ein Viertel der Kältemittelmenge im Vergleich zu marktverfügbaren Systemen. Eine auf dieser Entwicklung aufbauende Propan-Wärmepumpe wäre laut ISE die erste dieser Art in Deutschland, die ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen in Innenräumen von Wohngebäuden aufgestellt werden darf. Die Technologie soll nun weiter verbessert werden.

Die Uhr tickt
Für die Wärmepumpenbranche sind neue Kältemittel besonders wichtig: Ab dem 1. Januar 2020 gelten in der Europäischen Union erste Verwendungsverbote. Die EU-Verordnung Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase, kurz F-Gase-Verordnung, schreibt eine kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potenzials von Kältemitteln vor. Das soll dazu beitragen, die Emissionen von Kältemitteln bis zum Jahr 2030 um 70 Prozent gegenüber 1990 zu reduzieren. Ab 2020 treten Verwendungsverbote für Kältemittel in Kraft, deren „Global Warming Potential“ (GWP) das 2 500-fache von CO2 (GWP-Wert 1) übersteigen. Danach sinkt der zulässige Wert Jahr für Jahr.

Sicherheitsauflagen bisher Barriere
Wärmepumpenhersteller und Institute suchen daher fieberhaft nach Alternativen zu herkömmlichen Kältemitteln. Erste Fortschritte wurden erzielt, doch sind die bislang entwickelten Alternativen fast alle giftig oder brennbar. Sie gehören deshalb überwiegend Sicherheitsgruppen an, für die erhöhte Anforderungen gelten. Dies macht die Systeme teuer. Die Alternative Propan mit einem GWP von drei beispielsweise ist zwar klimafreundlich, weltweit kostengünstig verfügbar und bewirkt hohe Leistungszahlen. Jedoch sind die Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Wärmepumpen aufgrund der Brennbarkeit des auch mit der Bezeichnung R290 benannten Kältemittels recht umfangreich.
Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit ihren üblichen fünf bis zehn kW Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g Kältemittel, kann sie nur mit hohen, kostenaufwändigen Sicherheitsanforderungen installiert werden. Aus diesem Grund sind Wärmepumpen mit Propan zur Aufstellung im Innenbereich derzeit fast nicht am Markt vertreten.

Neuentwicklung könnte Markt erschließen

Die Neuentwicklung des Fraunhofer ISE, Arbeitsname LC150, könnte dies ändern: Sie erreicht mit 150 g Propan bereits rund acht kW Heizleistung und wäre so auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für eine Aufstellung im Inneren von Häusern einsetzbar. Pro kW sind knapp 20 g Propan erforderlich. Marktverfügbare Systeme liegen aktuell bei 80 bis 90 g pro kW Leistung. Bei einer Leistung von knapp zwei Kilowatt übertreffen sie bereits den Grenzwert von 150 Gramm. Die meisten Wärmepumpenhersteller bieten daher aktuell nur außen aufgestellte Wärmepumpensysteme mit Propan an.

Blick aufs Konzept
Für den Prototyp verwendeten die ISE-Forscher marktverfügbare Komponenten. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmeübertrager. Da der überwiegende Anteil des Kältemittels sich in den Wärmeübertragern und im Rohrleitungssystem des Wärmepumpensystems befindet, hat die Optimierung der Wärmeübertrager einen großen Einfluss auf die Reduzierung der eingesetzten Kältemittelmenge. Asymmetrische Wärmeübertrager kommen aufgrund ihrer Bauweise mit weniger Kältemittel aus.
Die Arbeitsgruppe konnte den Kältemittelbedarf auch durch eine reduzierte Ölmenge im Kompressor deutlich verringern. In Experimenten wurde das System breit untersucht. Betriebsgrößen waren die Variation der Quellen- und Senkentemperaturen, die Verdichterdrehzahl, die Kältemittelfüllmenge, die Ölmenge im Verdichter sowie die Überhitzung.

 


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