Wärme aus Luft und Boden: Der Kohlenwasserstoff Propan gilt als besonders klimafreundliches Kältemittel in Wärmepumpen, ist aber leicht brennbar. Jetzt ist es Forschenden gelungen, ein System zu entwickeln, das mit besonders geringen Mengen an Propan eine hohe Heizleistung erzielen kann. Der neu entwickelte Kältekreis erreicht mit nur 124 Gramm Propan eine Heizleistung von 12,8 Kilowatt – das ist ein neuer Effizienzrekord. Der Prototyp ist zwar noch nicht auf einen Dauerbetrieb ausgelegt, weitere Optimierungen sollen dies aber ändern.
Wärmepumpen können schon geringe Temperaturunterschiede nutzen, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Möglich wird dies durch ein spezielles Kältemittel – ein Fluid, das schon bei niedrigen Temperaturen verdampft, verdichtet wird und dann die so konzentrierte Wärmeenergie aus Boden oder Umgebungsluft innerhalb des Gebäudes wieder abgibt. Der Haken jedoch: Wie bei Kühlschränken bestehen die gängigen Kältemittel aus fluorierten Kohlenwasserstoffen, die ein hohes Treibhauspotenzial haben und daher extrem klimaschädlich sind.
Propan als klimafreundlicheres Kältemittel
Als mögliche Alternative für Wärmepumpen-Kältemittel gilt Propan, das sehr gute thermodynamische Eigenschaften besitzt, aber mit einer „nur“ dreifach höheren Treibhauswirkung als CO2 weniger klimaschädlich ist als gängige Kältemittel. Das Problem ist jedoch die hohe Brennbarkeit des Gases. Um die Gefahr zu verringern, suchen Wissenschaftler im Forschungsvorhaben LC150 nach einer Möglichkeit, Wärmepumpen mit einem Minimum an Kältemittel, aber trotzdem effizient zu betreiben.
Dafür haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und eines Konsortiums aus Wärmepumpenherstellern seit Herbst 2021 verschiedene Prototypen für Sole-Wärmepumpen entwickelt und getestet. Dabei setzten sie die einzelnen Komponenten, darunter Verdampfer, Verdichter, Kondensator, Wärmeübertrager und Expansionsventil, in verschiedenen Konstellationen zusammen und überprüften die Leistung jeweils zwei Wochenlang im Dauerbetrieb.
Nur knapp zehn Gramm Propan pro Kilowatt
Mit Erfolg: Die beste Komponenten-Konstellation benötigte nur 124 Gramm Propan für eine maximale Heizleistung von 12,8 Kilowatt – das ist neuer Effizienzrekord und entspricht einem Kältemittelbedarf von nur knapp zehn Gramm pro Kilowatt. „Das entspricht etwa der Propan-Menge in fünf Feuerzeugen“, erklärt Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE. Zum Vergleich: Handelsübliche Wärmepumpen benötigen etwa 60 Gramm Propan pro Kilowatt.
Noch ist der Rekord-Kältekreis allerdings nicht reif für eine Markteinführung, weil der in ihm eingesetzt Verdichter nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt ist. „Der Hersteller arbeitet aber bereits an vollhermetischen Verdichtern mit längerer Lebenszeit“, sagt Dankwerth. Außerdem arbeiten die Wissenschaftler auch an weiteren Stellschrauben, um die Kältemittelmenge zu senken: das innere Volumen der Wärmeübertrager und die benötige Ölmenge wurden reduziert, auch Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt. Die Rohrleitungen wurden so kurz wie möglich gehalten, um die inneren Volumina zu reduzieren.
Die finale Ausführung des Rekordkältekreises würde dann mit etwas mehr Kältemittel und einem etwas größeren Wärmeübertrager umgesetzt, um ein ausgewogeneres System zu erreichen. Die Ziele des Projekts– ein Kältekreis mit 8 bis 10 Kilowatt Leistung bei einer maximalen Füllmenge von 150 Gramm Kältemittel – seien damit auch unter realen Einsatzbedingungen erreichbar, ist sich das Forschungsteam sicher.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
