Wärmepumpen-Entwicklung: Gemeinsames Forschungsvorhaben
Die Wärmepumpe gilt als Schlüsseltechnologie für das erfolgreiche Gelingen einer nachhaltigen Wärmewende. Umso größer ist das Interesse von Wissenschaft und Wirtschaft in diesem Segment neue Lösungen zur Marktreife zu bringen. In Freiburg startete dazu jetzt ein Forschungsvorhaben am Fraunhofer ISE – unterstützt von zahlreichen Industrievertretern.
Mit einer am Fraunhofer ISE entwickelten Wärmepumpe testet das Forschungskonsortium den Einsatz von Propan als Kältemittel.
Foto: Fraunhofer ISE
Nach aktuellen Zahlen des Bundesverbands Wärmepumpe wurden in 2020 deutschlandweit rund 120.000 Heizungswärmepumpen installiert. Das entspricht einem Wachstum von 40 % gegenüber dem Vorjahr und verdeutlicht die zunehmende Bedeutung von Wärmepumpen in Zusammenhang mit einer angestrebten Wärmewende. In diesem Kontext von besonderer Bedeutung: das in den Geräten eingesetzte Kältemittel. Die Industrie ist angehalten den Anteil klimaschädlicher Gase im Kältekreis bis 2030 um 70 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Geregelt ist dies in einer europäischen Verordnung über fluorierte Treibhausgase, der so genannten F-Gase-Verordnung. Natürliche Kältemittel gewinnen vor diesem Hintergrund in der Branche an Bedeutung. Eines davon ist Propan. Seine Vorteile liegen in der breiten Verfügbarkeit und sehr guten thermodynamischen Eigenschaften, die eine höhere Effizienz (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.
Gemeinsame Entwicklung eines kältemittel-reduzierten Kältekreises
Um die Marktdurchdringung von Wärmepumpen deutlich zu beschleunigen, arbeiten Hersteller sowohl an Kostensenkungen als auch an nachhaltigen Kältemittellösungen für die Geräte. In dem vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) geförderten Forschungsvorhaben entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE einen kompakten und kosteneffizienten Kältekreis für Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan. Das Projekt wird durch ein Konsortium europäischer Wärmepumpenhersteller finanziell unterstützt und fachlich begleitet. „Die Branche arbeitet aktuell an vielen Stellen parallel an der Umsetzung von Propan-Wärmepumpen. Propan ist ein thermodynamisch sehr gut geeignetes Kältemittel. Ein Nachteil ist allerdings die Brennbarkeit, die weitere Sicherheitskonzepte erforderlich macht. Die Reduzierung der Füllmenge ist daher naheliegend und in einem deutlichen Ausmaß möglich, das haben unsere Vorarbeiten gezeigt“, berichtet Dr. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE.
Herausfordernd sei die gleichzeitig erforderliche hohe Effizienz und Betriebssicherheit des Kältekreises. Hier will das Projekt durch breite Mess- und Simulationskampagnen fachliche Antworten und Auslegungswissen schaffen, das den beteiligten Partnern vorrangig zur Verfügung stehen wird. Bislang entwickelt jeder europäische Hersteller seine eigenen Kältekreise für unterschiedliche Kältemittel und Leistungsklassen. Mit einer gemeinsamen Plattformentwicklung, die durch höhere Stückzahlen und eine automatisierte Produktion eine deutliche Kostensenkung ermöglichen würde, beschreitet man nun neue Wege. Ähnlich wie bei den Automobilherstellern sollen auch im Wärmepumpenbereich durch die Schaffung von allgemeinen Standards nutzbringende Synergien geschaffen werden – eventuell sogar mit einer gemeinsamen Fertigung.
Kältemittel-Reduktion um 75 % im Vergleich zu marktverfügbaren Systemen möglich
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 Kilowatt nur 150 Gramm Propan benötigt. Das entspricht einer Kältemittel-Reduktion um 75 % 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“, so Dr. Peter Schossig, Bereichsleiter Thermische Systeme und Gebäudetechnik am Fraunhofer ISE. Ausschlaggebend für die Optimierung, die im Projekt sowohl Leistung als auch Effizienz und Betriebsstabilität adressieren wird, sei der Einsatz füllmengenreduzierter Wärmeübertrager, Verdichter sowie Verrohrungssysteme und die Entwicklung von Betriebsweisen, die eine gute Kältemittelverteilung in den Komponenten erlauben.
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