Darauf haben viele bereits lange gewartet: Es gibt einen umweltfreundlichen Kältekreiskreislauf für Wärmepumpen. Während Propan als Kältemittel an sich nicht neu ist, haben Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts eine Wärmepumpe entwickelt, deren Kältekreislauf lediglich ein Fünftel der Propanmenge im Vergleich zu herkömmlichen Systemen benötigt. Das führt dazu, dass dieses System sogar im Innenbereich aufgestellt werden darf. Die Wärmepumpe kommt gerade richtig, da der Gesetzgeber Wärmepumpen mit umweltschädlichem Kältemittel in den nächsten Jahren verbieten möchte.
Forschende haben eine Propan-Wärmepumpe entwickelt, die mit 1/5 der herkömmlichen Kältemittel-Menge auskommt
Wärmepumpen spielen eine entscheidende Rolle bei der Energiewende. Allerdings verwenden viele Geräte nach wie vor umweltschädliche Kältemittel. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat nun einen viel beachteteten Fortschritt erzielt, indem es ein Kältekreis-Funktionsmuster mit einer umweltfreundlichen und kostengünstigen Alternative, nämlich Propan, entwickelt hat.
Eine der besten Sole-Wärmepumpen erreicht eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt und benötigt lediglich 146 Gramm Propan. Diese geringe Menge ermöglicht es, die Wärmepumpe ohne umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen im Innenbereich von Gebäuden aufzustellen. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen benötigt das Gerät lediglich ein Fünftel der Propanmenge pro Kilowatt Heizleistung.
Gesetzgeber belohnt Wärmepumpen mit natürlichem Kältemittel
Seit Anfang 2023 werden Wärmepumpen mit natürlichem Kältemittel vom Gesetzgeber belohnt. Neben dem BAFA-Basiszuschuss erhalten Hausbesitzer beim Austausch ihrer Heizung zusätzlich fünf Prozent Förderung von der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG). Dieser verstärkte Anreiz ist gerechtfertigt, und hier ist der Grund dafür:
Gemäß der EU-F-Gas-Verordnung ist es das Ziel, die Emissionen von teilfluorierten Treibhausgasen schrittweise zu reduzieren. Die noch verwendeten synthetischen Kältemittel sollen bis zum Jahr 2050 um 80 bis 95 Prozent reduziert werden. Zudem sollen die Verfügbarkeit und Nachfrage dieser Kältemittel reguliert und die damit verbundenen Emissionen kontrolliert werden.
Der Umstieg auf umweltfreundliche Kältemittel erfolgt in drei Schritten:
Phase-Down: Die Menge an synthetischen Kältemitteln, die in den Verkehr gebracht und am Markt verfügbar sind, wird schrittweise reduziert. Dieser schrittweise Rückgang zielt darauf ab, den Einsatz dieser Kältemittel nachhaltig zu reduzieren.
Verbote: Es werden Verbote erlassen, die den Gebrauch oder Vertrieb von umweltfreundlichen Alternativen zu den klimaschädlichen Kältemitteln fördern. Diese Verbote sollen sicherstellen, dass nachhaltige Kältemittel-Alternativen bevorzugt werden und somit die Verwendung schädlicher Kältemittel eingedämmt wird.
Verschärfung der Betreiberpflichten: Es werden strengere Regelungen für Betreiber eingeführt. Diese umfassen erweiterte Vorschriften für Dichtheitsprüfungen, Zertifizierung und Entsorgung von Kältemitteln. Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, dass Betreiber ihre Verantwortung für den sicheren Umgang mit Kältemitteln wahrnehmen und mögliche Umweltauswirkungen minimieren.
Treibhauspotenzial möglichst niedrig halten
Kältemittel spielen eine wichtige Rolle bei der Umwandlung von Umweltenergie in Wärme. Durch ihren niedrigen Siedepunkt können sie selbst bei niedrigen Temperaturen schnell von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergehen. In einer Wärmepumpe sorgt ein strombetriebener Kompressor für die Verdichtung des Kältemittels, was zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur führt. Anschließend wird das Kältemittel im Kondensator wieder verflüssigt und die dabei freigesetzte Wärme gelangt in das Heizungssystem der Wärmepumpe. Dank der thermodynamischen Eigenschaften der Kältemittel entsteht ein effizienter Kreislauf.
Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl von Kältemitteln ist ihr Treibhauspotenzial, das als Global Warming Potential (GWP) bezeichnet wird. Dieser Wert sollte möglichst niedrig sein. Der GWP-Wert vergleicht die Auswirkungen des Kältemittels auf die Ozonschicht mit dem Wert von CO2, das als Referenz einen GWP-Wert von 1 hat. Ein Kältemittel mit einem GWP-Wert von 1.000 beispielsweise hat eine 1.000-mal schädlichere Wirkung auf die Ozonschicht als CO2. Je höher der GWP-Wert, desto klimaschädlicher ist die Substanz. Seit 2020 darf der GWP-Wert eines Kältemittels maximal 2.500 betragen. Es ist generell verboten, bestehende Anlagen mit Kältemitteln zu befüllen, die einen höheren GWP-Wert aufweisen. Dies betrifft zum Beispiel das Kältemittel R404A. Ab 2025 wird die gesetzliche Höchstgrenze für den GWP-Wert bei 750 liegen.
Wärmepumpen mit Propangas gelten als Favorit
ie F-Gase-Verordnung wird durch das PFAS-Beschränkungsverfahren gemäß der EU-Chemikalienverordnung REACH ergänzt. Dies wird den Einsatz fluorhaltiger Kältemittel in Wärmepumpen zukünftig erschweren oder sogar unmöglich machen. Die Hersteller sind daher verpflichtet, umweltfreundliche Alternativen anzubieten.
Derzeit liegt Propan (R290) in der Rangliste der umweltfreundlichen Kältemittel vorne. Neben seinem äußerst niedrigen GWP-Wert (Global Warming Potential) von 3 kann das Gas auch hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 70 Grad Celsius erreichen. Sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen erzielt es eine hohe Energieeffizienz (Energy Efficiency Rating, EER). Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass Propan brennbar ist und spezielle Anforderungen am Aufstellungsort unterliegt. Im Außenbereich sind diese Anforderungen weit geringer als in einem speziellen Maschinenraum innerhalb eines Gebäudes. Aus diesem Grund sollten nur geschulte Fachkräfte die fachgerechte Installation und Entsorgung einer Wärmepumpe vornehmen. Hierfür ist ein spezieller „Kälteschein“ erforderlich.
Die EU hat Vorschriften für die Entsorgung fluorierter Treibhausgase in folgende Bereiche unterteilt:
Rückgewinnung: Regelungen zur Entnahme und Lagerung von fluorierter Treibhausgase, beispielsweise aus Behältern.
Recycling von Kältemitteln: Wiederverwendung von gereinigten fluorhaltigen Treibhausgasen.
Aufarbeitung: Durch eine bestimmte Behandlung kann das gebrauchte F-Gas auf den gleichen Stand wie ungebrauchtes Gas gebracht werden.
Innovation des Fraunhofer ISE
Eine Vielzahl von Wärmepumpenherstellern bietet mittlerweile Propan-Wärmepumpen an, allerdings meist nur für die Aufstellung im Außenbereich. Der Grund dafür sind umfangreiche Sicherheitsvorschriften aufgrund der Brennbarkeit des Kältemittels, die den Einsatz in Innenräumen erschweren. Wenn eine Wärmepumpe in einem Einfamilienhaus mit einer üblichen Leistung von fünf bis zehn Kilowatt die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 Gramm Kältemittel überschreitet, kann sie nur mit erhöhten Sicherheitsanforderungen installiert werden.
Eine Neuentwicklung des Fraunhofer ISE könnte dies jedoch ändern. Im Rahmen des abgeschlossenen Projekts LC150 haben die Forscher in Zusammenarbeit mit einem Konsortium von Wärmepumpenherstellern einen Propan-Kältekreislauf entwickelt, der die Menge an Kältemittel reduziert. Dieser Kältekreislauf bildet das Herzstück einer Wärmepumpe. Mehr als 20 Kombinationen von Wärmeübertragern und Verdichtern wurden aufgebaut, vermessen, bewertet und optimiert.
Einer der vielversprechenden Kältekreisläufe erreicht mit einem vollhermetischen Verdichter und einer Kältemittelfüllmenge von 146 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt. Damit unterschreitet er die vorgeschriebene Höchstmenge für den Einsatz im Innenbereich. Die spezifische Kältemittelfüllmenge beträgt 12,8 Gramm pro Kilowatt, was rund ein Fünftel der Kältemittelfüllmenge von marktverfügbaren Systemen entspricht.
„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.“
Dr. Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme und Kältetechnik am Fraunhofer ISE
Für den Prototypen wurden marktverfügbare Komponenten verwendet. Ein wesentliches Element des Konzepts ist die Verwendung asymmetrischer Plattenwärmetauscher, die mit einer geringeren Menge an Kältemittel auskommen. Das Forschungsteam konnte den Kältemittelbedarf auch durch die Reduzierung der Ölmenge im Kompressor signifikant verringern. Zusätzliche Bauteile wie Sensoren wurden auf ein Minimum beschränkt und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das benötigte Kältemittelvolumen zu reduzieren.
Nächstes Ziel: Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser
Im nächsten Schritt möchte das Team des Fraunhofer ISE umweltfreundliche Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser in Angriff nehmen. Dazu wurde Ende Dezember 2022 das neue Projekt „LCR290 – Low charge HP solutions“ gestartet, um Propan-Wärmepumpen auch in größeren Wohnanlagen möglich zu machen. In Zusammenarbeit mit Heizungsherstellern und der Wohnungswirtschaft sollen einfach anwendbare und skalierbare Lösungen für den Austausch von Gas- und Ölheizungen in Mehrfamilienhäusern entwickelt werden.
Die Projektpartner haben das Ziel, Wärmepumpen-Lösungen für drei Anwendungsbereiche zu entwickeln: Etagenheizungen, innen aufgestellte Zentralheizungen und höhere Leistungsklassen für außen aufgestellte Wärmepumpen. Für die Umsetzung als Etagenheizung greifen die Projektpartner auf die Ergebnisse des Projekts LC150 zurück. Dabei werden passende Speicher- und Quellenkonzepte erarbeitet, Lösungen für den Anschluss an das Hydraulik- und Quellensystem entwickelt und geeignete Regelungsansätze erarbeitet.
Nach einem Bauingenieurstudium und einer Ausbildung zum Online-Redakteur folgten 10 Jahre als bautechnischer Redakteur bei einer Internet-Agentur. Dort hat er zum Beispiel ein Baulexikon mit über 15.000 Begriffen aufgebaut, das zeitweise auch von OBI genutzt wurde. Eine Auskopplung davon mit speziellen Begriffen rund um den Fertighausbau ist noch auf fertighaus.de zu finden.
Es folgten 10 Jahre als Webtexter beim wohl größten Bad-Onlinshop Deutschlands. Dort war er dafür zuständig, dass die Seite für alle Begriffe rund ums Badezimmer (und Leuchten) gut bei Google rankt. Außerdem war er dort verantwortlicher Redakteur für das Magazin.
Aktuell arbeitet er als Content-Manager beim VDI Verlag. Dort kümmert er sich um all die technischen Themen, die Ingenieure interessiert.
Seit 2012 betreibt er bauredakteur.de und schreibt hier über Themen rund um Bauen, Wohnen, Einrichten und Garten.
