Effizienzrekord: Wärmepumpe erreicht beeindruckende Heizleistung mit nur wenigen Gramm Propan

Der Kohlenwasserstoff Propan wird als besonders klimafreundliches Kältemittel für Wärmepumpen angesehen. Allerdings ist er leicht brennbar. Forscher:innen gelang es nun, eine Wärmepumpe zu entwickeln, die mit einer geringen Menge Propan eine hohe Heizleistung erzielen kann und dabei einen Effizienzrekord aufstellt. Zwar ist der Prototyp noch nicht für einen dauerhaften Betrieb ausgelegt, aber dies soll sich in Zukunft ändern.

Propan als Kältemittel

Wärmepumpen sind gefragt wie nie. Das ist wenig verwunderlich, denn im Zuge des durch den Ukraine-Konflikt entstandenen Gasmangels und der damit verbundenen Gaspreise möchten viele Menschen ihre Gasheizung durch eine Alternative ersetzen. Wärmepumpen können bereits geringe Temperaturunterschiede nutzen, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Dies wird durch ein spezielles Kältemittel erreicht, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft, verdichtet wird und dann die Wärmeenergie aus dem Boden oder der Umgebungsluft wieder abgibt. Allerdings bestehen die gängigen Kältemittel aus fluorierten Kohlenwasserstoffen. Diese haben ein hohes Treibhauspotenzial und gelten daher als extrem klimaschädlich.

Eine mögliche Alternative zu klimaschädlichen Kältemitteln in Wärmepumpen ist Propan. Dieses besitzt sehr gute thermodynamische Eigenschaften und hat dabei im Vergleich zu CO2 „lediglich“ eine dreifach erhöhte Treibhauswirkung. Das reicht bereits aus, um unter den Kältemitteln als weniger klimaschädlich zu gelten. Allerdings ist Propan sehr brennbar. Wissenschaftler:innen versuchen daher, Wärmepumpen zu entwickeln, die mit möglichst wenig Propan auskommen.

Forscher:innen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE hat gemeinsam mit einem Konsortium aus Wärmepumpenherstellern haben seit 2021 verschiedene Prototypen für Sole-Wärmepumpen entwickelt und getestet. Sie setzten dafür verschiedene Komponenten in unterschiedlichen Konstellationen zusammen und überprüften die daraus resultierende Leistung dann in einem Dauerbetrieb über zwei Wochen.

Neuer Wärmepumpen-Effizienzrekord

In der besten Konstellation benötigte die Wärmepumpe lediglich 124 Gramm Propan für eine maximale Heizleistung von 12,8 Kilogramm , was einem Kältemittelbedarf von etwa 10 Gramm pro Kilowatt entspricht — ein neuer Effizienzrekord. Handelsübliche Wärmepumpen benötigen etwa die sechsfache Menge Propan pro Kilowatt.

Dieser Rekord-Kältekreis ist allerdings noch weit entfernt von einer Marktreife, da der eingesetzte Verdichter nicht für den dauerhaften Betrieb ausgelegt ist. „Der Hersteller arbeitet aber bereits an vollhermetischen Verdichtern mit längerer Lebenszeit“, so der Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE.

Die Forscher:innen arbeiten außerdem an weiteren Stellschrauben, mit denen sie die Menge des benötigten Kältemittel senken wollen. So haben sie etwa das innere Volumen der Wärmeübertrager sowie die Ölmenge reduziert. Außerdem wurden die Rohrleitungen möglichst kurz gehalten und die Menge an Zusatzbauteilen wie Sensoren reduziert.

In der finalen Ausführung des Rekordkältekreises wurde mit etwas mehr Kältemittel und einem größeren Wärmeübertrager ausgestattet. Ziel war es, so ein ausgewogeneres System umzusetzen. Ein Kältekreis mit einer Leistung von 8 bis 10 Kilowatt bei maximal 150 Gramm Kältemittel sei auch für ein Gerät im Dauerbetrieb erreichbar, so das Forschungsteam.

via Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE