Wärmepumpe für die Aufstellung im Haus

Prototyp einer Sole/Wasser-Wärmepumpe

Heizen mit Umweltwärme verursacht einen geringen Kohlendioxidausstoß, zumal bei stetig sinkenden Emissionen der Stromerzeugung. Wärmepumpen werden daher eine wichtige Heizungstechnologie der Zukunft sein. Derzeit nutzen sie jedoch noch überwiegend Kältemittel mit umweltschädlichen Treibhausgasen.

Eine Wärmepumpe mit einer klimafreundlichen Alternative wurde am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt. Diese arbeitet mit dem natürlichen Gas Propan, dessen Treibhauspotenzial rund 500 Mal niedriger als das herkömmlicher Kältemittel und somit äußerst gering ist. Zudem benötigt der Prototyp der neuen Sole/Wasser-Wärmepumpe bei gleicher Leistung nur ein Viertel der Kältemittelmenge im Vergleich zu marktverfügbaren Systemen.

Eine auf dieser Entwicklung aufbauende Propan-Wärmepumpe wäre die erste dieser Art in Deutschland, die ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen in Innenräumen von Wohngebäuden aufgestellt werden darf. Nach Abschluss der Machbarkeitsstudie, die das Funktionieren des Konzepts nachwies, soll die Technologie nun weiter verbessert werden.

Kältemittelgesetzgebung

Für die Wärmepumpenbranche sind neue Kältemittel besonders wichtig: Seit dem 1. Januar 2020 gelten in der Europäischen Union erste Verwendungsverbote. Die EU-Verordnung Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase, kurz 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 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Ab 2020 treten Verwendungsverbote für Kältemittel in Kraft, deren „Global Warming Potential“ (GWP) das 2.500-fache von CO₂ (GWP-Wert 1) übersteigen. Danach sinkt der zulässige Wert Jahr für Jahr.

Propan-Wärmepumpen für die Aufstellung im Haus

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 3 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 5 bis 10 kW Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g 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 g Propan bereits rund 8 kW Heizleistung und wäre so auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für eine Aufstellung im Inneren von Häusern einsetzbar. Pro kW Heizleistung sind knapp 20 g Propan erforderlich. Marktverfügbare Systeme liegen aktuell bei 80 bis 90 g/kW Leistung und übertreffen bereits bei einer Leistung von knapp 2 kW den Grenzwert von 150 g. Die meisten Wärmepumpenhersteller bieten daher aktuell nur außen aufstellbare Systeme 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 Dr.-Ing. 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.“ Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer ISE, zufolge ist die Wärmepumpe damit auch für die Aufstellung im Kellergeschoss geeignet.

Nun wollen die Forscherinnen und Forscher 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 serientauglichen Designs. Am Ende soll ein kompaktes, kostengünstiges System stehen, das standardisiert ist und den unterschiedlichen nationalen Sicherheitsanforderungen genügt. Die Patentanmeldung laufe, bis zur Marktreife werden allerdings noch etwa drei Jahre vergehen, schätzt Marek Miara.

Asymmetrische Plattenwärmeübertrager ein Erfolgsfaktor

Für den Prototyp verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE marktverfügbare Komponenten. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmeübertrager. Da sich der überwiegende Anteil des Kältemittels 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.

Wärmepumpenforschung am Fraunhofer ISE

Das Fraunhofer ISE forscht an der gesamten Wertschöpfungskette von Wärmepumpen – von Materialien über Komponenten- und Geräteentwicklung bis hin zur Qualitätssicherung und Monitoring im Feld. Ebenso verfügt das Institut über ein akkreditiertes TestLab Heat Pumps and Chillers. Diese große Bandbreite an Kompetenzen und Erfahrungen war die Basis für die Entwicklung dieser vielversprechenden Wärmepumpe.