Umwelttechnik-Forschung: Wärmepumpen werden klimafreundlicher

27.06.2023 – Mit dem neuen Gebäudeenergiegesetz und der Wärme-Strategie der Bundesregierung gelten Wärmepumpen als Schlüsseltechnologie der Wärmewende – Sinn macht das nur, wenn sie aus Ökostrom oder Erdwärme gespeist werden. Zudem nutzen die Geräte noch überwiegend Kältemittel mit umweltschädlichen fluorierten Treibhausgasen (F-Gase). Das ist kontraproduktiv fürs Klima.

Das Kältemittel verbleibt zwar im geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, doch können im Herstellungsprozess, bei der Befüllung und bei Reparaturen Teile der Substanzen in die Atmosphäre gelangen. Die derzeit in der Novellierung befindliche EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase schreibt eine kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potenzials von Kältemitteln vor. Bereits seit 2020 sind Kältemittel verboten, deren Global Warming Potential (GWP) gegenüber CO₂ um den Faktor 2.500 übersteigt.

Eine umweltfreundliche Alternative ist Propan, das auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist. Sein Treibhauspotenzial liegt bei nur drei und erheblich niedriger als das herkömmlicher Kältemittel. Zum Vergleich: Das Kältemittel R410A hat einen GWP-Wert von 2.088.

Propan ist weltweit kostengünstig verfügbar und hat sehr gute thermodynamische Eigenschaften, berichten die ISE-Forschenden, die eine höhere Effizienz gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Und anders als bei einem Teil der bisher eingesetzten Kältemittel mit niedrigem GWP entstehen beim Abbauprozess von Propan in der Atmosphäre keine kritischen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS).

Viele Wärmepumpenhersteller haben zwar inzwischen Propan-Wärmepumpen im Angebot, jedoch meist nur für die Aufstellung im Außenbereich. Der Grund: Für das Kältemittel gelten aufgrund seiner Brennbarkeit umfangreiche Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Innenräumen. Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit ihren üblichen fünf bis zehn Kilowatt Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 Gramm Kältemittel, kann sie nur mit erhöhten Sicherheitsanforderungen installiert werden.

Umweltfreundliche Wärmepumpe einsatzfähig

Die Neuentwicklung des Fraunhofer ISE will das ändern: In dem nun abgeschlossenen Projekt entwickelten die Forschenden einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis. Dieser stellt das Herzstück einer Wärmepumpe dar. 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 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt und unterschreitet damit die vorgeschriebene Höchstmenge für den Innenbereich. Die spezifische Kältemittelfüllmenge liegt bei 12,8 Gramm pro Kilowatt – rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen.

„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“, erläutert Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme und Kältetechnik am Fraunhofer ISE. „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 verwendete das Team marktverfügbare Komponenten. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmetauscher, 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 reduzieren. Das Modul ist zunächst für den Einfamilienhaus-Bereich nutzbar.

Nächster Schritt: Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser

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 Ölheizungen 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. na