Propan-Wärmepumpe: Forscher senken Explosionsgefahr!
Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan (R290) gelten als die wegweisende Technologie der Wärmewende. Einerseits hat Propan mit einem GWP von 3 so gut wie keinen Einfluss auf den Treibhauseffekt. Andererseits besitzt R290 gerade für typische Heizanwendungen hervorragende thermodynamische Eigenschaften, mit denen man auch effizient höhere Temperaturen im Altbau bereitstellen kann. Allerdings kann Propan bei Austritt aus dem Kältemittelkreislauf mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch bilden.
Forschern des Fraunhofer ISE entwickeln daher seit Oktober 2021 im LC150-Projekt Propan-Wärmepumpen mit einem möglichst geringen Kältemittelanteil. Dazu kombinieren sie unterschiedliche Verdampfer, Verdichter, Kondensatoren, Wärmeübertrager und Expansionsventile in verschiedenen Konstellationen und testen diese dann an Testständen für jeweils zwei Wochen 24 Stunden am Tag. So wurden 26 Prototypen von Propan-Wärmepumpen aufgebaut, von denen eine nun besonders gute Ergebnisse erzielt hat.
Propan-Menge entspricht etwa "5 Feuerzeugen für 1 Kilowatt Heizleistung"
Wärmepumpen-Hersteller arbeiten derzeit sowohl an Kostensenkungen als auch an nachhaltigen Kältemitteln für ihre Geräte. Im Projekt LC150 ("low charge 150 g") entwickeln das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und ein Konsortium aus Wärmepumpenherstellern einen standardisierten und kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis.
Dem Team gelang nun ein Effizienzrekord: mit nur 124 Gramm Propan wurde eine Heizleistung von 12,8 Kilowatt und eine Effizienz (COP) von 4,7 erreicht. Daraus ergibt sich eine spezifische Kältemittelfüllmenge von nur 9,7 g/kW. „Das entspricht etwa der Propan-Menge in fünf Feuerzeugen“, vergleicht Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE.
Das Ziel des Projekts, die spezifische Kältemittelmenge auf 15 - 30 Gramm/ Kilowatt zu reduzieren, ist damit deutlich übertroffen worden. Handelsübliche Wärmepumpen liegen bei etwa 60 Gramm Propan pro Kilowatt. Mit dieser Menge kann das Brand- und Explosions-Risiko, das von Propan grundsätzlich ausgeht, deutlich reduziert werden.
Ergebnisse sind auch mit vollhermetischen Verdichtern möglich
Allerdings ist dieser Kältemittel-Rekord so nicht direkt in die Anwendung von Wärmepumpen als typische Einfamilienhaus-Heizung umsetzbar. Im Test wurde „nur“ ein halbhermetischer Automobil-Verdichter eingesetzt. Dieser benötigt dank seiner hohen Drehgeschwindigkeit und der geringen Ölmenge weniger Kältemittel bei höherer Leistung. Zudem sind die Verdichter aus der Automobilbranche bisher nicht auf die hohen Betriebsstunden einer 20 Jahre laufenden Wärmepumpe ausgelegt.
"Der Hersteller arbeitet aber bereits an vollhermetischen Verdichtern mit längerer Lebenszeit", blickt Clemens Dankwerth voraus. Die finale Ausführung des Rekordkältekreises würde mit etwas mehr Kältemittel und einem etwas größeren Wärmeübertrager umgesetzt, um ein ausgewogeneres System zu erreichen.
Da auch der bisher zweitbeste Kältekreis im Testprogramm die Zielvorgaben des Projekts mit einer Füllmenge von 164 Gramm Propan bei einer Effizienz von 4,8 und einer Heizleistung von 8,1 Kilowatt mit einem herkömmlichen vollhermetischen Verdichter erfüllte, ist sich das Forschungsteam sicher, die Ziele des Projekts LC 150, einen Kältekreis mit 8 bis 10 Kilowatt Leistung bei einer maximalen Füllmenge von 150 Gramm Kältemittel zu entwickeln, auch unter realen Einsatzbedingungen erreichen zu können.
Methodische Zusammenhänge kältemittelreduzierter Wärmepumpen im Fokus
Neben dem Wärmepumpen-Verdichter arbeitet das Forschungsteam an weiteren Stellschrauben, um die Kältemittelmenge zu senken: das innere Volumen der Wärmeübertrager und die benötige Ölmenge wurden reduziert, auch Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt. Die Rohrleitungen wurden so kurz wie möglich gehalten, um die inneren Volumina zu reduzieren.
Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Projekt läuft noch bis März 2023. Aus der in den Kreuztests gewonnenen Datenbasis wollen die Forscherinnen und Forscher methodische Zusammenhänge ableiten, damit kältemittelreduzierte Wärmepumpen zukünftig mit weniger Aufwand ausgelegt werden können.
Die Polytechnische Universität von Valencia 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 Industriepartner des LC150- Projektkonsortiums können auf Ergebnisse der Messkampagne zugreifen, um diese nach ihren eigenen Vorgaben auszuwerten.
