Fraunhofer ISE / Dirk Mahler
Das Fraunhofer-Institut ISE hat ein Kältekreis-Funktionsmuster mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan) entwickelt, das als Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Kältemittelfüllmenge von 146 g R290 (Propan) 11,4 kW Heizleistung erreicht.
Viele Wärmepumpenhersteller haben inzwischen Propan-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 5 bis 10 kW Heizleistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g Kältemittel, kann sie nach den aktuellen Vorschriften nur mit erhöhten Sicherheitsanforderungen installiert werden. Lediglich Trinkwasser-Wärmepumpen sind zurzeit mit so geringen Propan-Füllmengen am Markt verfügbar.
Dies könnte sich nun ändern: Das Fraunhofer ISE hat zusammen mit einem Industriekonsortium im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt LC150 (low charge 150 g) einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis entwickelt. Dieser stellt das Herzstück einer Wärmepumpe dar.
Projektziel marktnahes Wärmepumpenmodul ist erreicht
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 g Propan eine Heizleistung von 11,4 kW und unterschreitet damit die vorgeschriebene Höchstmenge für den Innenbereich. Die spezifische Kältemittelfüllmenge des Funktionsmusters liegt bei 12,8 g/kW – rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen.
Dr.-Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme und Kältetechnik am Fraunhofer ISE: „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. Das haben wir in Kooperation mit der Industrie nun erreicht und ihr die Werkzeuge in die Hand gegeben, um eine marktreife Wärmepumpe zu entwickeln.“
Für den Prototyp wurden marktverfügbare Komponenten verwendet. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmeübertrager, 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 und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das erforderliche Kältemittelvolumen zu minimieren.
Propan als Alternative zu F-Gasen
Derzeit nutzen Wärmepumpen noch überwiegend 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 davon in die Atmosphäre gelangen. Bei Havarien und bei einer nicht fachgerechten Entsorgung kann auch das gesamte Kältemittel freigesetzt werden.
Eine umweltfreundliche Alternative ist das Kältemittel Propan mit der Stoffbezeichnung R290. Mit einem GWP von 3 ist das Treibhauspotenzial erheblich niedriger als das herkömmlicher Kältemittel. Das lange Zeit bei Wärmepumpen führende Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2088, Das Kältemittel R32, das seit 2017 zunehmend für Heizungs-Wärmepumpen eingesetzt wird, hat einen GWP-Wert von 675.
Propan ist weltweit kostengünstig verfügbar und hat sehr gute thermodynamische Eigenschaften, die eine höhere Effizienz gegenüber Wärmepumpen mit konventionellen Kältemitteln ermöglichen. Und anders als bei einem Teil der bisher eingesetzten Kältemittel (trifft nicht auf R32 zu) mit niedrigem GWP entstehen beim Abbauprozess von Propan in der Atmosphäre keine kritischen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS).
Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser
Fraunhofer ISE
Der nächste Schritt für die Forschenden ist die Entwicklung von Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser. Dafür hat das Fraunhofer ISE Ende Dezember 2022 das neue Projekt „LCR290 – Low charge HP solutions“ gestartet. Gemeinsam mit Heizungsherstellern und der Wohnungswirtschaft sollen einfach anwendbare und multiplizierbare Lösungen für den Austausch von Gas- und Öl-Heizungen in Mehrfamilienhäusern entwickelt werden.
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.
Das neue Verbundprojekt hat ein Budget von 7 Mio. Euro und wird wieder vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Das Vorhaben läuft bis zum 30. Juni 2025. ■
Quelle: Fraunhofer ISE / jv
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