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 Forscherinnen und 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 70 Prozent gegenüber 1990 zu
reduzieren. Ab 2020 treten Verwendungsverbote für Kältemittel in Kraft,
deren »Global Warming Potential« (GWP) das 2.500-fache von CO2 (GWP-Wert
1) übersteigen. Danach sinkt der zulässige Wert Jahr für Jahr.
Propan-Wärmepumpen im Gebäudeinneren gibt es praktisch keine
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.
Neuentwicklung des Fraunhofer ISE könnte den Markt erschließen
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 Dr.-Ing. 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 Forscherinnen und 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.
Asymmetrische Plattenwärmeübertrager ein Erfolgsfaktor
Für den Prototyp verwendeten die Wissenschaftlerinnen und 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.
