Wärmepumpe : Fraunhofer ISE entwickelt Propan-Wärmepumpe für den Innenraum

Die 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 übersteigen. Dazu zählen auch einige bisher gängige Kältemittel.

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.

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 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 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.

Für den Prototyp verwendeten die 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.