Heizen mit Umweltwärme verursacht einen geringen CO2-Ausstoß, insbesondere bei stetig sinkenden Emissionen der Stromerzeugung. Wärmepumpen sind deshalb eine zukunftssichere Heizungstechnik. Derzeit nutzen sie jedoch noch überwiegend Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial. Eine Wärmepumpe mit einer klimafreundlichen Alternative hat nun das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt.
Die Forscher nutzen das natürliche Gas Propan (R290). Das Treibhauspotenzial (GWP Global warming potential) von Propan ist rund 500-Mal 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 die erste dieser Art in Deutschland, die ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen in Innenräumen von Wohngebäuden aufgestellt werden darf. Die Entwicklung soll nun weiter verbessert werden.
Propan-Wärmepumpen im Gebäudeinneren gibt es praktisch keine
Aufgrund des F-Gase-Phase-down über die F-Gase-Verordnung suchen Wärmepumpenhersteller und Institute nach Alternativen zu herkömmlichen HFKW-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 hat mit einem GWP von 3 ein sehr niedriges Treibhauspotenzial, ist weltweit kostengünstig verfügbar und ermöglicht hohe Leistungszahlen. Jedoch sind die Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Wärmepumpen aufgrund der Brennbarkeit recht umfangreich.
Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit hier üblichen 5 bis 10 kW Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g des Kältemittels Propan, kann sie nur mit hohen und kostenaufwendigen Sicherheitsanforderungen installiert werden. Aus diesem Grund sind Wärmepumpen mit Propan zur Aufstellung im Innenbereich derzeit fast nicht am Markt vertreten.
ISE-Neuentwicklung könnte den Markt erschließen
Die Neuentwicklung des Fraunhofer ISE, Arbeitsname LC150, könnte dies ändern: Sie erreicht mit 150 g Propan rund 8 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/kW. Bei einer Leistung von knapp 2 kW übertreffen sie damit bereits den 150-g-Grenzwert. Die meisten Wärmepumpenhersteller bieten deshalb aktuell nur außen aufgestellte Wärmepumpen mit Propan an.
Dr.-Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik, Kompressionstechnik am Fraunhofer ISE: „Ziel unserer Arbeiten ist eine Wärmepumpe, die ein klimafreundliches Kältemittel nutzt und mit möglichst geringer Kältemittelmenge eine hohe Leistung sowie eine gute Effizienz erreicht. Den ersten Schritt haben wir erreicht. Der Prototyp erzielt das für dieses Marktsegment avisierte Leistungsniveau mit einer sehr geringen Füllmenge, wodurch eine Aufstellung im Innenbereich möglich wäre.
Nun wollen die Forscherinnen und Forscher um Schnabel das System optimieren und Industriepartner für eine breite Umsetzung am deutschen und europäischen Markt gewinnen. Auf der Aufgabenliste stehen etwa die Erhöhung der Effizienz und die Entwicklung serientauglicher Designs. Am Ende soll ein kompaktes, kostengünstiges System stehen, das standardisiert ist und den unterschiedlichen nationalen Sicherheitsanforderungen genügt.
Erfolgsfaktor asymmetrische Platten-Wärmeübertrager
Für den Prototyp wurden vom Fraunhofer ISE marktverfügbare Komponenten verwendet. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Platten-Wärmeübertrager. 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. ■
