Propan-Wärmepumpen: Technik, Besonderheiten & Vorteile

Warum wird Propan als Kältemittel eingesetzt? Welche Klimawirkung besitzt C3H8? Welche technischen Vorrichtungen müssen beachtet werden? Wie wird eine Propan-Wärmepumpe sicher aufgestellt?

Da Propan (R290) nicht zum Treibhauseffekt beiträgt und höhere Leistungszahlen bewirkt, wird Propan trotz besonderer Sicherheitsanforderungen immer häufiger in Wärmepumpen, Klima- und Kälteanlagen sowohl in maßgeschneiderten Großanlagen als auch in Serienmodellen in mittleren und kleinen Leistungsbereichen bis 100 kW eingesetzt. Aufgrund der Brennbarkeit von Propan, müssen jedoch höhere Sicherheitsanforderungen bei der Aufstellung und Betrieb beachtet werden.

Propan (C3H8) gehört zu den Kohlenwasserstoffen und ist in der Kältetechnik auch unter der Bezeichnung R 290 bekannt. Propan ist unter Druck verflüssigt, farb- und fast geruchlos und weist weder ein Ozonabbaupotenzial (ODP = 0) noch einen nennenswerten direkten Treibhauseffekt (GWP = 3) auf. Dank seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften ist Propan ein besonders energiesparendes Kältemittel.

Es ist schwerer als Luft und wirkt in hohen Konzentrationen narkotisierend und erstickend. Propan ist brennbar und kann mit Luft explosive Gemische bilden. Auf Grund der vorhandenen Sicherheitsvorrichtungen liegen die Kältemittelverluste jedoch nahe Null. Propan ist weltweit preiswert erhältlich und wird dank seiner idealen kältetechnischen Eigenschaften besonders in Anlagen mit geringen Füllmengen eingesetzt.

Propan eignet sich zum einen als umweltfreundliches Kältemittelsubstitut in Klimaanlagen. Eine technische Möglichkeit bieten dabei sogenannte Solekühlsatze, die aus Sicherheitsgründen meistens außerhalb des Gebäudes aufgestellt werden und über die typischen Bauelemente wie einen Kaltwassersatz, einen Verflüssiger und einen Verdampfer verfügen. Für die Anpassung an eine spezielle R 290-Ausführung können dabei halbhermetische Hubkolbenverdichter und zusätzliche Niederdruck- und Hochdruckwächter sowie Sicherheitshochdruckbegrenzer eingesetzt werden. Mit einem zusätzlichen Saugwärmeübertrager kann zudem die Effizienz der Propan-Anlage gesteigert werden, da eine erhöhte Enthalpiedifferenz bei gleicher Kältemittelmenge mehr Wärmeenergie aufnehmen lässt.

Um die Sicherheitsrisiken der Verwendung von Propan im Wärmekreislauf zu minimieren, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten. Die Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE hat daher hochkompakte, gelötete Lamellenwärmeübertrager entwickelt, die mit geringen Flüssigkeitsmengen funktionieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen zudem das gleiche Dampf-Flüssigkeitsverhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will.

Das Besondere am Propan-Wärmetauscher des Fraunhofer ISE ist nun, dass er eine bionische Struktur besitzt. Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Der ISE-Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleichmäßige Verteilung des Propans in die einzelnen Verdampferkanäle bei geringer Kältemittelmenge ermöglichen. Damit kann die gesamte Wärmeübertragerfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden.

Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren, verwendete das Fraunhofer ISE einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Wärmepumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden.

Auch bei der Kälteerzeugung als auch für die Klimatisierung und Wärmeversorgung von z. B. Supermärkten wird heutzutage vielfach bereits auf Propan als Kältemittel zurückgegriffen. Hierzu werden kompakte Integralanlagen bestehend aus einer Kälteanlage zur Kühlung und einer Wärmepumpe zum Heizen über eine Bodenheizung eingesetzt. Die Kühlmöbel und Kühlräume werden dabei mit Propylenglykol als Kälteträger indirekt gekühlt. Der Bedarf an Tieftemperatur wird mit einem zusätzlichen Kälteaggregat als CO₂-Kaskade ergänzt. Ein zusätzlicher Verdampferkreislauf in den Lamellenblöcken der luftgekühlten Verflüssiger nutzt dann die Wärme aus der Umgebungsluft für die Fußbodenheizung. Neben der Umweltfreundlichkeit des Propans resultiert zudem eine hohe Leistungszahl und eine niedrige Drucklage und Druckgasendtemperatur.

Um sehr tiefe Temperaturen zu erzeugen, können Kaskadenanlagen mit einer Kombination aus Propan und Kohlendioxid (CO₂ bzw. R744) eingesetzt werden. Solche Kaltsole-Anlagen erreichen Tieftemperaturen von bis zu -35°C. Zur Erfüllung der Sicherheitskriterien in komplexen Propan/CO₂-Kaskadenanlage werden vielfach halbhermetische Hubkolbenverdichter eingebaut, die exakt auf Propan und auf subkritische CO₂-Anwendungen abgestimmt sind. Zudem können Enthitzer für R744 und Unterkühler für R290 nötig werden, die für entflammbare Kältemittel wie Propan zugelassen sind. Um die Effizienz solcher Kaltsoleanlagen weiter zu steigern werden drehzahlgeregelte Verdichter mit Frequenzumrichter und elektronische Einspritzventile eingesetzt. Bei Soletemperaturen von unter -35°C können so immer noch Leistungszahlen von bis zu 2,3 erreicht werden.

Seit dem 1. Januar 2023 gelten für den Einbau von Wärmepumpen neue Förderrichtlinien. Wärmepumpen werden mit den BEG-Einzelmaßnahmen (BEG-EM) mit bis 40 Prozent der Investitionskosten gefördert.

Neben dem Fünf-Prozent-Bonus für Wärmepumpen, die als Wärmequelle Wasser, Erdreich oder Abwasser nutzen, gibt es alternativ auch einen Fünf-Prozent-Bonus für Wärmepumpen, die mit einem natürlichen Kältemittel wie Propan betrieben werden. Somit hebt sich der Standard-Fördersatz für Wärmepumpen von 25 Prozent in beiden Konstellationen auf 30 Prozent.

Weiterhin wird für den Austausch ineffizienter Heizungsanlagen ein Zehn-Prozent-Bonus gewährt, sodass maximal 40 Prozent der förderfähigen Investitionen bezuschusst werden.

Ab dem Jahr 2028 werden nur noch Wärmepumpen gefördert, die ein natürliches Kältemittel verwenden. Das BMWK verweist aber auch auf die laufenden Verhandlungen um die F-Gase-Verordnung und behält sich vor, darauf noch zu reagieren.

Bereits seit 2009 fördert das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) die Sanierung alter und den Bau neuer Kälteanlagen mit bis zu 25 Prozent, sofern alle vorgeschriebenen Richtlinien, beispielsweise der Einsatz natürlicher Kältemittel, die Einhaltung eines spezifischen TEWI-Wertes oder etwa ein festgelegter Jahreselektroenergieverbrauch, eingehalten werden. Auch die nationale Chemikalienklimaschutzverordnung (ChemKlimaschutzV) legt hierzu entsprechende Anforderungen fest.