Letzte Aktualisierung: 12.06.2021

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Vor- & Nachteile von klimaaktiven und natürlichen Kältemitteln in Wärmepumpen

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Warum werden Kühl- und Kältemittel in Wärmepumpen eingesetzt? Welche Kältemittel sind besonders klimaschädlich? Welche natürlichen Kältemittel kommen in Wärmepumpen-Heizungen zum Einsatz?

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Eigenschaften und „Global Warming Potential“

Kältemittel werden in Wärmepumpen als Arbeitsmittel eingesetzt, da sie aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften bereits bei einer sehr geringen Temperatur verdampfen (Verdampfer) und sich durch Kompression in einem Verdichter auf ein für Heizzwecke höheres, nutzbares Temperaturniveau anheben lassen. Daher lässt sich nur mit Kühl- und Kältemitteln der physikalischen Effekt der Verdampfungswärme (Verdampfungsenthalpie) bei Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig in Wärmepumpen nutzbar machen.

Kältemittel in Wärmepumpen sollten vor Allem gute thermodynamische Eigenschaften besitzen. Insbesondere sollten Kältemittel in Wärmepumpen dabei eine hohe volumetrische Kälteleistung besitzen, für den Temperaturbereich der Wärmepumpenanwendung geeignet sein, niedrige Druckverluste aufweisen und chemisch als auch thermisch stabil sein.

Darüber hinaus wird aus Sicherheits- und Umweltschutzgründen vom Kältemitteleinsatz in Wärmepumpen verlangt, dass diese nicht giftig, nicht brennbar und ihr Ozonabbaupotenzial bzw. Treibhauspotenzial („Global Warming Potential“) so gering wie möglich ist.

Der GWP-Wert (global warming potential) beschreibt das relative Treibhauspotenzial in Bezug auf CO2. (auch als CO2-Äquivalent bezeichnet). Der Wert beschreibt die Erderwärmungswirkung über einen bestimmten Zeitraum, bei Kältemitteln in der Regel über 100 Jahre. Je höher also der GWP-Wert ist, desto klimaschädlicher ist die entsprechende Substanz.

Gemäß der aktuellen europaweiten F-Gase-Verordnung gelten je nach GWP-Wert eines Kältemittels bzw. CO2-Äquivalent unterschiedliche Regelungen und Verbote. Insbesondere sieht die Verordnung für Kältemittel mit einem GWP-Wert über 2.500 bereits ab dem 1.1.2020 gravierende Beschränkungen und Regelverschärfungen vor.

Tabelle: Überblick über die wichtigsten Kältemittel in Wärmepumpen nach ihrem Treibhauspotenzial (GWP)
Kategorie Kältemittel GWP (Global warming potential)
Natürliche Kältemittel R717 (NH3 / Ammoniak) 0
Natürliche Kältemittel R744 (CO2 / Kohlenstoffdioxid) 1
Natürliche Kältemittel R290 (C3H8 / Propan) 3
HFO (Hydrofluorolefin) R1234yf 4
FKW/HFKW R32 675
FKW/HFKW R134a 1430
FKW/HFKW R407C 1770
FKW/HFKW R410a 2090

Ozonschicht abbauende Kältemittel

Viele Jahre wurden in Wärmepumpen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als Kältemittel verwendet, da sie leicht handhabbar, nicht giftig und nicht brennbar sind und nicht mit den in Wärmepumpen eingesetzten Werkstoffen reagieren. Wird das Kältemittel FCKW allerdings freigesetzt, so schädigt es die Ozonschicht.

Daher wurde 1987 zunächst vollhalogenierte FCKW wie R-12 und R-114 im Zuge des Montreal-Protokolls verboten und ab 1994 auch teilhalogenierte H-FCKW wie R-22 in der Verwendung eingeschränkt. Unter Berücksichtigung von Übergangsfristen darf seit dem 01.01.2000 z. B. das vielfach in Wärmepumpen verwendete Kältemittel R22 nicht mehr eingesetzt werden.

Klimaaktive Kältemittel

Die daraufhin in Wärmepumpen als Ersatz verwendeten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) und teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW) wie z. B. R-134a, R-404A, R-407C, R-410A, R-417A und R-507A schädigen nicht die Ozonschicht sind jedoch in der Luft "stabil", d. h. klimaaktiv und tragen zum Treibhauseffekt bei und sind deshalb auch im Kyoto-Protokoll als umweltgefährdend erfasst.

Insbesondere das HFKW R410A erwies sich wegen seiner großen volumetrischen Kälteleistung als ideales Kältemittel für Anwendungen in typischen Heizungswärmepumpen. Wegen des relativ hohen Treibhauspotentials von R410A mit einem GWP-Wert von 2.088 wird dieses Kältemittel im Rahmen des "Phase Downs" der seit Anfang 2015 geltenden neuen F-Gase-Verordnung nach und nach aus dem Markt gedrängt.

Viele Wärmepumpen-Hersteller setzten daher auf das Kältemittel R32, das sich bereits als Bestandteil vieler Kältemittelgemische bewährt hat. Mit einem GWP-Wert von 675 gilt es jedoch auch eher als Übergangskältemittel.

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Natürliche Kältemittel in Wärmepumpen

Aus Klimaschutzgründen müssen Wärmepumpenhersteller die Kältemittelmenge jedoch reduzieren oder natürliche Kältemittel. Als natürliche Kältemittel gelten reine, nicht halogenierte und chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe wie z. B.

  • Ammoniak (R-717),
  • 60% Ammoniak und 40% Dimethylather (R-723),
  • Kohlenwasserstoffe (R-600a, R-290),
  • Kohlendioxid CO2 (R-744),
  • Wasser (R-718)
  • Isobutan (R600a) oder
  • Propan (R290).

Der Einsatz natürlicher Kältemittel ist weder ozonschädigend noch klimaschädlich und ungiftig.

Dafür sind sie jedoch brennbar und stellen bei nennenswerten Luftkonzentrationen eine Explosionsrisiko dar. Daher ist ihr Einsatz in Wärmepumpen auch mit einem höheren technischen Sicherheitsaufwand verbunden. Nicht brennbare, natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Kohlendioxid oder Wasser machen aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften ebenfalls einen höheren technischen Aufwand notwendig.

Bezogen auf das verfügbare Angebot an Wärmepumpen für die Beheizung kleiner und mittelgroßer Wohngebäude bezieht sich „natürliche Kältemittel“ insbesondere auf Propan (R290) mit einem GWP von 3 und ggf. CO2 (R744) mit einem GWP von 1. Ammoniak und Kohlendioxid werden auch in industriellen Kühlanlagen wie Kühlhäusern und Brauereien als auch in Kleinanlagen wie z. B. in Absorptionswärmepumpen verwendet.

Umgang mit Wärmepumpenkältemittel

Nur eigens dafür ausgebildete Kältetechniker sollten Arbeiten am Kühlmittelkreislauf vornehmen, um ein unnötiges Entweichen von Kältemittel in die Atmosphäre zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei Wärmepumpen notwendig, die wie z. B. Direktverdampfungssysteme eine wesentliche größere Kältemittelmenge im Wärmepumpenkreislauf beinhalten.

Kommt es bei einer Wärmepumpe trotzdem zu einer Leckage, so sind auch kleine Kältemittelmengen zwischen 1 und 3 kg bei Wärmepumpen in Einfamilienhäusern als klimaschädlich anzusehen!

Entweichen z. B. 2 kg des Kältemittels FKW R404A, so entwickelt diese Menge an Kältemittel das gleiche Treibhauspotenzial wie 6,5 Tonnen Kohlendioxid, die beispielsweise bei der Verbrennung von 32.500 kWh Erdgas anfallen. Dies entspricht in etwa der Energiemenge, die man 3 Jahre zum Beheizen eines normalen Neubaus einsetzen würde.

Daher sollte gerade beim Befüllen und Entsorgen der Wärmepumpe auf einen umweltgerechten Umgang mit dem Wärmepumpenkältemittel geachtet werden. Zudem kann die Nichtbeachtung dieser Regelungen und Verbote schwerwiegende Folgen für den Wärmepumpen-Fachbetrieb nach sich ziehen.

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