Propan statt klimaschädlicher Kältemittel: Wärmepumpen werden klimafreundlicher und effizienter

05.09.2018 – Die Wärmewende lässt auf sich warten, der Klimawandel aber nicht. Beim Thema klimafreundliche Wärme- und Kälteenergie besteht genau so großer Handlungsbedarf wie beim Thema Stromerzeugung. Heizung und Warmwasser benötigen in Deutschland rund 40 Prozent der Endenergie. Das Verbrennen von hochwertigen, fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Erdöl ist nicht nur energetisch unsinnig, sondern zudem klimaschädlich. Wärmepumpen machen aus einer Einheit elektrischer Antriebsenergie drei bis fünf Einheiten Wärmeenergie und arbeiten – vorausgesetzt die Antriebsenergie stammt aus Erneuerbaren Energien – quasi CO₂-neutral.

Effizienz von Wärmepumpen unter Beobachtung

Viele Experten halten daher die Wärmepumpe für das Mittel der Wahl für eine zukünftige klimafreundliche Wärmeversorgung. Über 37 Prozent der eingebauten Heizsysteme in Neubauten in Deutschland sind mittlerweile Wärmepumpen. Wärmepumpen als Heizsystem in Wohngebäuden liegen im Trend, Fachexperten sehen aber noch Verbesserungsbedarf – bei der Optimierung der Technik sowie bei Planungs- und Installationsarbeiten. Manch eigebaute Wärmepumpe hat sich schon als Stromfresser herausgestellt – es kommt eben auch auf die richtige Planung und den professionellen Einbau der Geräte an: Vom erfahrenen Fachmann geplant können Wärmepumpen nicht nur die Heizkosten senken, sondern leisten auch einen Beitrag zum Klimaschutz und zur weiteren Integration Erneuerbarer Energien.Dass Wärmepumpen auch im Gebäudebestand effizient arbeiten können und worauf es ankommt hat das Fraunhofer ISE in einer Langzeitstudie nachgewiesen, an der Effizienzsteigerung von Wärmepumpen wird weiter geforscht.

Effekt mit Doppelnutzen

Es gibt noch einen Haken – und auch für den gibt es eine Lösung: Wärmepumpen werden mit synthetischen Kältemitteln betrieben, die umweltschädliche fluorierte Treibhausgase, sogenannte F-Gase, enthalten. Die Europäische Kommission hatte im Juni 2014 beschlossen, dass F-Gase schrittweise vom Markt genommen werden müssen. Eine Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Energiewendeumweltfreundliche, natürliche Alternative zu synthetischen Kältemitteln ist Propan – in Klima- und Kälteanlagen ist es bereits zunehmend im Einsatz, in Wärmepumpen weit weniger verbreitet. Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher haben jetzt im Rahmen eines Konsortiums eine Wärmepumpe mitentwickelt, in der statt klimaschädlicher Kältemittel Propan eingesetzt wird. Doppelter Vorteil: Dadurch wird die Wärmepumpe nicht nur klimafreundlicher, sondern auch noch effizienter. „Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Energiewende“, so Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Einen Haken hat aber auch Propan: Es hat zwar sehr gute thermodynamische Eigenschaften, ist aber leicht brennbar –  also eine echte Herausforderung für die Verwendung im Wärmekreislauf. „Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten, um das Sicherheitsrisiko zu reduzieren“, erläutert Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE.

Bionische Struktur sorgt für gleichmäßige Verteilung

Das ISE-Team hat daher gemeinsam mit europäischen Forschungspartnern hochkompakte, gelötete Lamellenwärmeübertrager eingesetzt, die mit geringen Flüssigkeitsmengen gut funktionieren. In Wärmeübertragern (Wärmetauschern) wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus vielen parallel verlaufenden Kanälen, in denen das Kältemittel zirkuliert und Wärme aufnimmt, dann nennt man sie Verdampfer, oder abgibt, dann heißen sie Verflüssiger. „Die Flüssigkeit soll über die Lauflänge vollständig verdampfen beziehungsweise wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen das gleiche Dampf-Flüssigkeitsverhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will“, erläutern die Wissenschaftler.

Baumstruktur statt Spaghettihaufen

Um das Problem zu lösen, entwickelten Schnabel und ihr Team einen Verteiler mit einer bionischen Struktur: „Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Unser Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels in die einzelnen Verdampferkanäle bei geringer Kältemittelmenge ermöglichen.“ Damit könne die gesamte Wärmeübertragerfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden.
Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren verwendeten die Forscher einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Pumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden. „Zurzeit modifizieren wir die technische Gestaltung der Wärmepumpe, prüfen die Bauteile im Langzeitverhalten und erstellen tragfähige Sicherheitskonzepte“, sagt Schnabel. Dann dürfte es bald zur sicheren Anwendung in der Praxis kommen. na