Fraunhofer ISE entwickelt Wärmepumpe mit Propan-Kältekreis für Innenräume

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Freiburg - Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende, allerdings werden in vielen Geräten noch umweltschädliche Kältemittel eingesetzt. Eine Alternative ist Propan, für das allerdings strenge Sicherheitsauflagen gelten. Ein neu entwickelter Propan-Kältekreis könnte die Verbreitung in Innenräumen nun deutlich erleichtern.

Viele Wärmepumpenhersteller haben inzwischen Propan-Wärmepumpen im Angebot, jedoch meist nur für die Aufstellung im Außenbereich, da für das Kältemittel aufgrund seiner Brennbarkeit umfangreiche Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Innenräumen gelten. Ein Forschungsprojekt des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) liefert vielversprechende Ergebnisse für die künftige Nutzung von Wärmepumpen mit Propan-Kältekreis in Innenräumen.

Neuer Kältekreis unterschreitet 150 Gramm Propan-Grenze für Innenräume

In dem nun abgeschlossenen Forschungsprojekt LC150 haben Forschende des Fraunhofer ISE zusammen mit Wärmepumpenherstellern einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis entwickelt, der den Weg für die Installation von Wärmepumpen auch in Innenräumen ebnen könnte.

Im Rahmen des Projektes wurden dazu mehr als 20 Kombinationen aus Wärmeübertragern und Verdichtern aufgebaut, vermessen, bewertet und optimiert. Einer der vielversprechenden Kältekreise erreicht mit 146 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt und unterschreitet damit die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 Gramm Propan für den Innenbereich. Die spezifische Kältemittelfüllmenge liegt bei 12,8 Gramm pro Kilowatt, was rund einem Fünftel der Propanmenge von bislang marktverfügbaren Systemen entspricht.

Für den Prototyp verwendete das Team marktverfügbare Komponenten. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmetauscher, die mit weniger Kältemittel auskommen. Verringert werden konnte der Kältemittelbedarf auch durch eine reduzierte Ölmenge im Kompressor. Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das erforderliche Kältemittelvolumen zu reduzieren.

„Ziel des Projekts war ein marktnahes Wärmepumpenmodul, das das klimafreundliche Kältemittel Propan nutzt, die 150-Gramm-Grenze für den Innenbereich nicht überschreitet und trotzdem Einfamilienhäuser beheizen kann. Das haben wir in Kooperation mit der Industrie nun erreicht und ihr die Werkzeuge in die Hand gegeben, um eine marktreife Wärmepumpe zu entwickeln“, bilanziert Dr. Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme und Kältetechnik am Fraunhofer ISE.

Entwicklung von Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser auf der Agenda

Der nächste Schritt für die Forschenden ist die Entwicklung von Propan-Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser. Dafür hat das Fraunhofer ISE Ende Dezember 2022 das neue Projekt „LCR290 - Low charge HP solutions“ gestartet. Gemeinsam mit Heizungsherstellern und der Wohnungswirtschaft sollen einfach anwendbare und multiplizierbare Lösungen für den Austausch von Gas- und Ölheizungen in Mehrfamilienhäusern entwickelt werden.

Die Projektpartner wollen Wärmepumpen-Lösungen für drei Anwendungsfelder entwickeln: Etagenheizungen, innen aufgestellte Zentralheizungen sowie höhere Leistungsklassen für außen aufgestellte Wärmepumpen. Für die Umsetzung als Etagenheizung greifen die Projektpartner auf die Ergebnisse des Projekts LC150 zurück und erarbeiten passende Speicher- und Quellenkonzepte, Lösungen für den Anschluss an das Hydraulik- und Quellensystem sowie geeignete Regelungsansätze.

Das neue Verbundprojekt hat ein Budget von sieben Mio. Euro und wird ebenso wie LC150 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Das Vorhaben läuft bis zum 30. Juni 2025.

Hintergrund: Vorteile des Kältemittel Propan gegenpüber F-Gasen

Derzeit nutzen Wärmepumpen oft Kältemittel mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gase). Das Kältemittel verbleibt zwar im geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, doch können im Herstellungsprozess, bei der Befüllung und bei Reparaturen Teile der Substanzen in die Atmosphäre gelangen.

Die derzeit in der Novellierung befindliche EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase (F-Gase-Verordnung), schreibt eine kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potenzials von Kältemitteln vor. Bereits seit 2020 sind Kältemittel verboten, deren „Global Warming Potential“ (GWP) gegenüber CO₂ den Faktor 2.500 übersteigt.

Eine umweltfreundliche Alternative ist das unter der Bezeichnung R290 bekannte Propan, dessen Treibhauspotenzial nur bei drei und damit erheblich unter dem GWP-Wert herkömmlicher Kältemittel liegt. So hat das Kältemittel R410A z.B. einen GWP-Wert von 2.088.

Propan ist weltweit kostengünstig verfügbar und hat sehr gute thermodynamische Eigenschaften, die eine höhere Effizienz gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Und anders als bei einem Teil der bisher eingesetzten Kältemittel mit niedrigem GWP entstehen beim Abbauprozess von Propan in der Atmosphäre keine kritischen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS).

Quelle: IWR Online

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