11.10.2022, 12:54 Uhr

Wärmepumpen-Kältekreis mit Propan erreicht neuen Effizienzrekord

Freiburg - Wärmepumpen gelten als Schlüsseltechnologie für die zukünftige Wärmeversorgung, ihre Weiterentwicklung ist ein wichtiger Aspekt der Wärmewende. Die Erforschung nachhaltiger, effizienter Kältemittellösungen hat daher einen hohen Stellenwert. In einem Forschungsprojekt wurde jetzt ein neuer Effizienzrekord für einen Wärmepumpen-Kältekreis mit Propan erzielt.

Wärmepumpen-Hersteller arbeiten derzeit sowohl an Kostensenkungen als auch an nachhaltigen Kältemitteln für ihre Geräte. Im Forschungsprojekt Projekt LC150 (low charge 150 g) entwickeln das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer ISE) und ein Konsortium aus Wärmepumpenherstellern einen standardisierten und kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis. Dem Team gelang nun ein Effizienzrekord: mit nur 124 Gramm Propan wurde eine Heizleistung von 12,8 Kilowatt (kW) erreicht.

Propangasbedarf für 1 kW Heizleistung entspricht Füllmenge von fünf Feuerzeugen

Seit Oktober 2021 baut das Projektteam des Fraunhofer ISE Prototypen für Sole-Wärmepumpen, wobei die einzelnen Komponenten (Verdampfer, Verdichter, Kondensator, Wärmeübertrager und Expansionsventil) in verschiedenen Konstellationen zusammengesetzt werden. Diese werden an Testständen für jeweils zwei Wochen 24 Stunden am Tag vermessen. Pro Prototyp werden dabei zwischen 30 und 150 Betriebspunkte angefahren und die Messwerte von 26 Sensoren aufgezeichnet. Auf der Suche nach der idealen Wärmepumpe wurden bisher 26 Prototypen aufgebaut, von denen 14 bereits die komplette Messmatrix durchlaufen haben.

Als Kältemittel kommt dabei Propan zum Einsatz, das in der Wärmepumpenbranche zunehmend favorisiert wird, da es sich durch sehr gute thermodynamische Eigenschaften und ein geringes Treibhausgaspotenzial auszeichnet. Weil es aber brennbar ist, wird eine möglichst geringe Propanmenge angestrebt. Im Rahmen der Tests erreichte die beste Komponenten-Konstellation mit nur 124 g Propan eine maximale Heizleistung von 12,8 kW und eine Effizienz von 4,7 (Verhältnis der erzeugten Wärme zum eingesetzten Strom). Das heißt, dass die notwendige Kältemittelmenge pro kW Heizleistung bei nur 9,7 g Propan lag. „Das entspricht etwa der Propan-Menge in fünf Feuerzeugen“, so Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE. Damit ist das eigentliche Ziel des Projektes, den spezifischen Kältemittelmenge auf 15- 30 g pro kW zu reduzieren, nach Angaben von Fraunhofer ISE deutlich übertroffen. Marktgängige Wärmepumpen liegen derzeit bei etwa 60 Gramm Propan pro kW.

Der Rekord-Kältekreis ist in dieser Form allerdings noch nicht marktreif, da ein halbhermetischer Automobil-Verdichter eingesetzt wurde, der dank seiner hohen Drehgeschwindigkeit und der geringen Ölmenge weniger Kältemittel bei höherer Leistung benötigt, allerdings nicht auf die die hohen Betriebsstunden einer 20 Jahre laufenden Wärmepumpe ausgelegt ist. Der Hersteller arbeitet nach Angaben von Dankwerth aber bereits an vollhermetischen Verdichtern mit längerer Lebenszeit.

Die finale Ausführung des Rekordkältekreises würde mit etwas mehr Kältemittel und einem etwas größeren Wärmeübertrager umgesetzt, um ein ausgewogeneres System zu erreichen. Die Ziele des Projekts LC 150, ein Kältekreis mit 8 bis 10 Kilowatt Leistung bei einer maximalen Füllmenge von 150 Gramm Kältemittel, sind damit auch unter realen Einsatzbedingungen erreichbar, ist sich das Forschungsteam sicher.

Optimierung weiterer Wärmepumpen-Komponenten im Blick

Neben dem Verdichter arbeitet das Forschungsteam an weiteren Stellschrauben zur Kältemittelreduzierung. So wurden das innere Volumen der Wärmeübertrager und die Ölmenge verringert, auch Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt. Außerdem wurden die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um die inneren Volumina zu reduzieren.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Projekt läuft noch bis März 2023. Aus der gewonnenen Datenbasis wollen die Forschenden methodische Zusammenhänge ableiten, damit kältemittelreduzierte Wärmepumpen zukünftig mit weniger Aufwand ausgelegt werden können. Die Polytechnische Universität von Valencia entwickelt dafür mit ihrer Software IMST-Art ein Werkzeug für simulative Voraussagen.

Quelle: IWR Online