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Thermodynamisch ist das natürliche Gas Propan sehr gut als Kältemittel für Wärmepumpen geeignet. Zudem weist es ein sehr geringes Treibhauspotenzial auf.
Wegen der Brennbarkeit kann Propan bei innen aufgestellten Geräten jedoch nur bis zu einer Füllmenge von 150 g pro Kältekreislauf ohne teure Sicherheitsmaßnahmen eingesetzt werden.
Konventionelle Wärmepumpenkonstruktionen erreichen damit Heizleistungen von nur etwa 2 kW und sind damit nicht für die Raumheizung geeignet. Am Markt existieren deshalb fast ausschließlich Propan-Wärmepumpen zur Außenaufstellung.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat nun eine Sole/Wasser-Wärmepumpe vorgestellt, die mit 150 g Propan eine Heizleistung von rund 8 kW erreicht. Zusammen mit Industriepartnern soll der Prototyp für einen breiten Einsatz weiterentwickelt werden.
Der über die EU-weit geltende F-Gase-Verordnung eingeleitete F-Gase-Phase-down erfordert auch für Wärmepumpen Alternativen zu den bisher überwiegend eingesetzten HFKW-Kältemitteln. Erste Fortschritte sind bereits am Markt erkennbar, doch die bislang entwickelten Alternativen sind fast alle brennbar oder giftig. Sie gehören deshalb überwiegend Sicherheitsgruppen an, für die erhöhte Anforderungen gelten. Dies macht die Systeme teuer.
Die thermodynamisch attraktive Alternative Propan (R290) hat mit einem GWP von 3 ein sehr niedriges Treibhauspotenzial (das Standard-Kältemittel R410A hat ein GWP von 2088, der bereits verbreitete Nachfolger R32 und zu 50 % Bestandteil von R410A hat ein GWP von 675), ist weltweit kostengünstig verfügbar, ermöglicht hohe Leistungszahlen und hohe Vorlauftemperaturen. Jedoch sind die Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Wärmepumpen aufgrund der Brennbarkeit ab einer bestimmten Kältemittelfüllmenge recht umfangreich.
Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit hier üblichen 5 bis 10 kW Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g des Kältemittels Propan, kann sie nur mit hohen und kostenaufwendigen Sicherheitsmaßnahmen installiert werden. Deshalb sind Heizungs-Wärmepumpen mit Propan als Kältemittel zur Aufstellung im Innenbereich derzeit fast nicht am Markt vertreten.
Eine Neuentwicklung des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Arbeitsname LC150 (1), könnte dies ändern: Die Sole/Wasser-Wärmepumpe erreicht mit 150 g Propan rund 8 kW Heizleistung und wäre so auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für eine Aufstellung im Inneren von Häusern einsetzbar. Pro kW sind knapp 20 g Propan erforderlich. Marktverfügbare Systeme liegen aktuell bei 80 bis 90 g/kW. Bei einer Leistung von knapp 2 kW übertreffen sie damit bereits den 150-g-Grenzwert. Die meisten Wärmepumpenhersteller bieten deshalb aktuell nur außen aufgestellte Wärmepumpen mit Propan an.
Dr.-Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik, Kompressionstechnik am Fraunhofer ISE: „Ziel unserer Arbeiten ist eine Wärmepumpe, die ein klimafreundliches Kältemittel nutzt und mit möglichst geringer Kältemittelmenge eine hohe Leistung sowie eine gute Effizienz erreicht. 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 will das ISE das System optimieren und Industriepartner für einen breiten Einsatz gewinnen. Auf der Aufgabenliste stehen etwa die Erhöhung der Effizienz und die Entwicklung serientauglicher Designs. Am Ende soll ein kompaktes, kostengünstiges System stehen, das standardisiert ist und den unterschiedlichen nationalen Sicherheitsanforderungen genügt.
Für den Prototyp wurden marktverfügbare Komponenten verwendet. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Platten-Wärmeübertrager. 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 ISE-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.
