Technologie

Heizen mit klimafreundlichem Kältemittel

24.10.2019 - Wärmepumpe mit Propan für die Aufstellung im Haus entwickelt.

Heizen mit Umweltwärme verursacht einen geringen Kohlendioxid­ausstoß, zumal bei stetig sinkenden Emissionen der Strom­erzeugung. Wärmepumpen werden daher eine wichtige Heizungs­technologie der Zukunft sein. Derzeit nutzen sie jedoch noch überwiegend Kältemittel mit umweltschädlichen Treib­hausgasen. Eine Wärmepumpe mit einer klimafreundlichen Alternative hat nun das Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE entwickelt. Die Forscher nutzen das natürliche Gas Propan. Das Treibhaus­potenzial ist rund 500mal niedriger als das herkömmlicher Kältemittel und somit äußerst gering. 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 Technologie soll nun weiter verbessert werden. 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 siebzig Prozent gegenüber 1990 zu reduzieren. Ab 2020 treten Verwendungs­verbote für Kältemittel in Kraft, deren „Global Warming Potential“ (GWP) das 2.500-fache von Kohlendioxid (GWP-Wert 1) übersteigen. Danach sinkt der zulässige Wert Jahr für Jahr.

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 Kilowatt Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 Gramm 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.

Die Neuentwicklung des Fraunhofer ISE, Arbeitsname LC150, könnte dies ändern: Sie erreicht mit 150 Gramm Propan bereits rund acht Kilowatt Heizleistung und wäre so auch ohne zusätzliche Sicherheits­vorkehrungen für eine Aufstellung im Inneren von Häusern einsetzbar. Pro Kilowatt sind knapp 20 Gramm Propan erforderlich. Markt­verfügbare Systeme liegen aktuell bei 80 bis 90 Gramm pro Kilowatt 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. 

„Ziel unserer Arbeiten ist eine Wärmepumpe, die ein klima­freundliches Kältemittel nutzt und mit möglichst geringer Kälte­mittelmenge eine hohe Leistung sowie eine gute Effizienz erreicht“, sagt Lena Schnabel, Abteilungs­leiterin Wärme- und Kältetechnik, Kompressions­technik am Fraunhofer ISE. „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 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 eines serientauglicher Designs. Am Ende soll ein kompaktes, kostengünstiges System stehen, das standardisiert ist und den unterschiedlichen nationalen Sicherheits­anforderungen genügt.

Für den Prototyp verwendeten die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE 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.

Das Fraunhofer ISE forscht an der gesamten Wertschöpfungskette von Wärmepumpen – von Materialien über Komponenten- und Geräte­entwicklung bis hin zur Qualitätssicherung und Monitoring im Feld. Ebenso verfügt das Institut über ein akkreditiertes TestLab Heat Pumps and Chillers. Diese große Bandbreite an Kompetenzen und Erfahrungen war die Basis für die Entwicklung dieser vielversprechenden Wärmepumpe.

Fh.-ISE / DE
 

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