Fraunhofer baut die ideale Propan-Wärmepumpe

Wärmepumpen werden die wichtigste Heizungstechnologie der Zukunft sein. Propan ist aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften und sehr geringen Treibhausgaspotenzials ein für Wärmepumpen sehr gut geeignetes Kältemittel. Ein Nachteil ist allerdings die Brennbarkeit, die weitere Sicherheitskonzepte erforderlich macht. Die Reduzierung der Füllmenge ist daher naheliegend und laut Fraunhofer-Institut auch in einem deutlichen Ausmaß möglich.

In dem vom Bundeswirtschaftsministerium BMWi geförderten Forschungsvorhaben „LC150 Entwicklung eines kältemittelreduzierten Wärmepumpenmoduls mit Propan“ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE einen kompakten und kosteneffizienten Kältekreis für Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan.

In einer großangelegten automatisierten Kreuzevaluation testet ein Team des Instituts verschiedene Einzelkomponenten von Wärmepumpen in dutzenden Kombinationsvarianten und unter verschiedenen Betriebsparametern. Ziele sind

• die weitere Reduktion der benötigten Kältemittelmenge,
• das Erkennen methodischer Zusammenhänge und
• das Gewinnen von Daten für die simulative Auslegung von Wärmepumpen.

Dazu erhebt eine Messkampagne ein Jahr lang rund um die Uhr eine Fülle an Parametervariationen und generiert damit eine einzigartige Datenbasis.

In der Messkampagne werden Dutzende Kombinationen von Wärmepumpen-Komponenten unter verschiedenen Betriebsparametern getestet: Für die Messkampagne werden zwischen 40 und 80 Prototypen für Sole-Wärmepumpen gebaut, wobei die einzelnen Komponenten (Verdampfer, Verdichter, Kondensator, interner Wärmeübertrager und Expansionsventil) in verschiedenen Konstellationen zusammengesetzt werden.

An drei identischen Testständen laufen die Tests parallel ein Jahr lang 24 Stunden am Tag, wobei pro Prototyp zwischen 30 und 150 Betriebspunkte angefahren und die Messwerte von 26 Sensoren aufgezeichnet werden.

Für die automatisierte Durchführung der Tests entwickelt das Team des Fraunhofer ISE ein System zur automatischen Kältemittelbefüllung und -entleerung der Wärmepumpen, um das aufwändige händische Handling des Propans durch geschultes Fachpersonal zu sparen.

Sensoren erfassen Temperatur, Druck, Leistungsaufnahme und Volumenströme in den Prototypen, die Daten werden automatisch in eine Software zur Auswertung geladen. Um ihre Auswirkungen auf die Komponenten zu ermitteln, werden Wärmesenken und -quellen ebenso variiert wie Temperaturen und Betriebszustände. Dies erlaubt die Abschätzung der saisonalen Effizienz einer mit dem jeweiligen Kältekreis aufgebauten Wärmepumpe. Auch die Ölmenge und der Öltyp im Verdichter werden variiert.

Mit der automatisierten Prüftechnik, die in enger Zusammenarbeit mit der Firma EP Ehrler Prüftechnik-Engineering GmbH entwickelt wurde, sollen möglichst viele Messungen durchgeführt und die Teststände 24/7 betrieben werden. Damit kann das Fraunhofer-Institut in vergleichsweise kurzer Zeit einen umfangreichen multidimensionalen Datenschatz heben und so die Basis für eine schnelle Marktumsetzung deutlich kältemittelreduzierter Propan-Kältekreise legen.

„Die Herausforderungen beim Messbetrieb bestehen im methodischen Abgleich von Einzelmessungen an Komponenten und Messungen im Gesamtkältekreis. Die Performance des gesamten Kältekreises soll möglichst aus Messungen von Einzelkomponenten abgeleitet werden können und umgekehrt. Parallele laufende Simulationen werden durch den Messbetrieb validiert und erzeugen eine große Datenbasis“, erklärt Projektmanager Clemens Dankwerth.

Auf Basis der Messergebnisse wollen die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer ISE „Best of“- Kombinationen der besten Komponenten über einen längeren Zeitraum testen, mit dem Ziel der weiteren Füllmengenreduzierung des Kältemittels Propan.

Aus der gewonnenen Datenbasis wollen die Forscherinnen und Forscher methodische Zusammenhänge ableiten, damit kältemittelreduzierte Wärmepumpen in Zukunft mit weniger Aufwand ausgelegt werden können.

Die technische Universität von Valencia (UPV) entwickelt dafür mit ihrer Software IMST-Art ein Werkzeug für simulative Voraussagen. Während der Messkampagne werden die Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Messwerten abgeglichen und die Software so laufend verbessert.

Auch die Partner des LC150-Projektkonsortiums können auf die browserbasierte Datenbank mit den vom Fraunhofer ISE aufbereiteten Ergebnissen der Messkampagne zugreifen, um diese nach ihren eigenen Vorgaben auszuwerten.

Da die Wärmepumpen-Hersteller aufgrund der europäischen Verordnung über fluorierte Treibhausgase den Anteil klimaschädlicher Gase im Kältekreis bis 2030 um 70 Prozent gegenüber 1990 reduzieren müssen, gewinnt Propan als natürliches Kältemittel an Bedeutung.

Seine Vorteile liegen in der breiten Verfügbarkeit und sehr guten thermodynamischen Eigenschaften, die eine höhere Effizienz (d.h. Verhältnis zwischen erzeugter Nutzwärme und eingesetzter Antriebsenergie) gegenüber konventionellen Wärmepumpen ermöglichen. Gleichzeitig ist das Erderwärmungspotenzial (Global Warming Potential = 3) um das 500fache niedriger gegenüber den heute meist verwendeten klassischen fluorierten Kältemitteln.

Dem Fraunhofer ISE ist es 2019 im Rahmen einer Potenzialstudie gelungen, einen auf marktverfügbaren Komponenten beruhenden Sole-Wasser-Kältekreis zu entwickeln, der für eine Heizleistung von 8 kW nur 150 Gramm Propan benötigt. Das entspricht einer Kältemittel-Reduktion um 75 Prozent gegenüber marktverfügbaren Systemen.

Eine auf diesem Konzept beruhende Wärmepumpe dürfte – ähnlich wie Kühlschränke – auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen im Inneren von Häusern eingesetzt werden.

„Wir sind zuversichtlich, dass diese Reduktion der Kältemittel durch einen Zuschnitt aller Einzelkomponenten auf das Kältemittel Propan auch für andere Leistungen und Betriebspunkte erreicht werden kann“, sagt Dr. Peter Schossig, Bereichsleiter Thermische Systeme und Gebäudetechnik.

Ausschlaggebend für die Optimierung, die im Projekt sowohl Leistung als auch Effizienz und Betriebsstabilität adressieren wird, ist der Einsatz füllmengenreduzierter Wärmeübertrager, Verdichter sowie Verrohrungssysteme und die Entwicklung von Betriebsweisen, die eine gute Kältemittelverteilung in den Komponenten erlauben.