Wärmepumpen werden die wichtigste Heizungstechnologie der Zukunft sein, doch heutige Modelle arbeiten oft mit klimaschädlichen Kältemitteln. Letzteres gilt auch für Klimaanlagen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg entwickelt in Kooperation mit führenden europäischen Herstellern eine kompakte, sichere und effiziente Wärmepumpe mit dem Kältemittel Propan. Sie soll Basis für einen neuen Standard werden.

Das Heizen mit Umweltwärme verursacht einen geringen CO₂-Ausstoß, zumal wenn der dafür benötigte Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Wärmepumpen werden daher eine zentrale Rolle in der zukünftigen Wärmeversorgung spielen. Die Bundesregierung plant, bis 2030 den Bestand an Wärmepumpen in Deutschland von heute 1,5 Millionen auf sechs Millionen zu vervierfachen.

Bisher verwenden Wärmepumpen und Klimaanlagen allerdings überwiegend Kältemittel mit fluorierten Gasen, die eine starke Treibhausgaswirkung haben. Eine EU-Verordnung (F-Gas-Verordnung) schreibt daher die kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potentials von Kältemitteln vor. Bis 2030 sollen die Emissionen von Kältemitteln um 70 Prozent gegenüber 1990 reduziert werden.

Seit 2020 sind Kältemittel, deren Treibhausgaswirkung das 2.500-fache von CO₂ übersteigt, bereits verboten. Aktuell liegt zudem die Entwurfsfassung für die Überarbeitung der F-Gas-Verordnung vor, die bei ihrer Umsetzung zu einer noch schnelleren Reduzierung der aktuell überwiegend verwendeten synthetischen Kältemittel führen würde.

„Die Hersteller von Wärmepumpen und Klimaanlagen arbeiten intensiv an Lösungen zum Ersatz der herkömmlichen Kältemittel und die Anzahl der Firmen, die sich hier klar für natürliche Kältemittel aussprechen, steigt stetig“, erklärt Dr.-Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.

Natürliches Kältemittel Propan

Das Fraunhofer-Institut setzt – wie auch zunehmend die Industrie – seit vielen Jahren auf Propan als Kältemittel: Es ist klimafreundlich, weltweit kostengünstig verfügbar und ermöglicht hohe Leistungszahlen. Jedoch sind die Sicherheitsauflagen für die Nutzung aufgrund der Brennbarkeit von Propan recht umfangreich. Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit ihren üblichen fünf bis zehn kW Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 g Kältemittel, kann sie nur mit kostenaufwändigen Sicherheitsanforderungen installiert werden. Daher sind kaum Wärmepumpen mit Propan zur Aufstellung im Innenbereich auf dem Markt. Vergleichbares gilt für Kühlmöbel und Klimageräte.

Für Kühlschränke und einzeln angeschlossene Kühlmöbel sind bereits brennbare Kältemittel wie Isobutan und Propan im Einsatz, in der Regel mit Füllmengen von weniger als 150 g. Das Fraunhofer ISE konnte in einem Eigenforschungsprojekt bereits 2019 zeigen, dass auch mit einer Füllmenge von 150 g Propan – weniger als in einer handelsüblichen Campingkartusche – bereits rund 8 kW Heizleistung zu erzielen sind. Für den Prototypen verwendete das Forscherteam ISE Komponenten, die mittlerweile alle marktverfügbar sind.

Europäische Kooperation für Propan-Wärmepumpe

Seit Ende 2020 arbeitet das Fraunhofer ISE in Kooperation mit führenden europäischen Wärmepumpenherstellern im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt „LC150“ an einem standardisierten Kältekreis für Wärmepumpen. Dieser benötigt für deutlich höhere Heizleistungen bei vergleichbaren Effizienzen geringe Mengen an Propan.

„Bislang entwickelt jeder Hersteller seine eigenen Kältekreise für unterschiedliche Kältemittel und Leistungsklassen. Unser Projekt geht nun neue Wege – mit einer gemeinsamen Plattformentwicklung, die durch höhere Stückzahlen und eine automatisierte Produktion eine deutliche Kostensenkung ermöglichen kann. Ähnlich wie bei den Autos sollen auch im Wärmepumpenbereich durch gemeinsame Entwicklungen Synergien geschaffen werden. Mit dem im Projekt gewonnenen Auslegungswissen kann eine modulare Bauweise für unterschiedliche Baureihen und Leistungsklassen entwickelt werden“, so Dr. Schnabel.

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