Explosionsgefahr

So wollen Forscher dafür sorgen, dass Propan-Wärmepumpen sicherer werden

Wärmepumpen können Umweltenergie in Heizenergie verwandeln. Leider meist mit synthetischen Kältemitteln, die Treibhausgase enthalten und damit die schöne Umweltbilanz von Wärmepumpen verdüstern. Fraunhofer-Forscher haben nun einen völlig neuen Ansatz gewählt und wollen Propan-Wärmepumpen sicherer machen.

Verästelung: Der neu entwickelte Verteiler orientiert sich an den sich verzweigenden Ästen eines Baumes.

Rund 40 Prozent der Endenergie in Deutschland werden derzeit für Heizung und Warmwasser benötigt. Wärmepumpen sind da eine umweltfreundliche Alternative zu Öl oder Erdgas. Sie  "machen aus einer Einheit elektrischer Antriebsenergie, häufig aus erneuerbaren Energien, drei bis fünf Einheiten Wärmeenergie – und das völlig CO2-neutral. Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Energiewende", so Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank: Das Kältemittel nimmt die Wärme im Innern des Kühlschranks auf und befördert sie nach draußen. Doch während beim Kühlschrank die Wärme an der Rückwand ungenutzt verpufft, wird die Wärme, die eine Wärmepumpe der Erde, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft entzieht, zum Heizen oder für die Warmwasserzubereitung verwendet.

Dazu wird das erwärmte, dampfförmige Kältemittel verdichtet und so seine Temperatur und sein Druck erhöht. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme an Wasser ab und kondensiert. Das warme Wasser strömt in Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Warmwasserspeicher und das abgekühlte, flüssige Kältemittel fließt wieder zurück in den sogenannten Verdampfer, wo es erneut Wärmeenergie aufnimmt. Der Kreislauf beginnt von Neuem.  

Leider verwenden Wärmepumpen meist synthetische Stoffgemische als Kältemittel - was wiederum Treibhause freisetzt. Schon 2014 hat die EU den schrittweisen Ausstieg aus der Nutzung synthetischer Kältemittel beschlossen.

Als Alternative zu den Kältemitteln wird zunehmend Propan eingesetzt. Thermodynamisch großartig, aber leider auch leicht brennbar. "Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten, um das Sicherheitsrisiko zu reduzieren", so Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE, über die große Hürde, die es zu überwinden gilt.

Die ISE-Forscherinnen und Forscher haben daher gemeinsam mit europäischen Forschungspartnern hochkompakte, gelötete Lamellenwärmeübertrager eingesetzt, die mit geringen Flüssigkeitsmengen funktionieren. In Wärmeübertragern wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus vielen parallel verlaufenden Kanälen, in denen das Kältemittel zirkuliert und Wärme aufnimmt, dann nennt man sie Verdampfer, oder abgibt, dann heißen sie Verflüssiger. "Die Flüssigkeit soll über die Lauflänge vollständig verdampfen beziehungsweise wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen das gleiche Dampf-Flüssigkeitsverhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will.", erklärt Schnabel das Prinzip.

Doch es gibt da noch ein Problem: W"Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Unser Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels in die einzelnen Verdampferkanäle bei geringer Kältemittelmenge ermöglichen", sagt Schnabel. Damit soll die gesamte Wärmeübertragerfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden.

Damit auch bei der Kompression keine Explosion passiert, verwenden die Forscher einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Pumpe auch besonders sorgfältig miteinander verbunden.