Forschung: Kältemittelreduziertes Wärmepumpenmodul mit Propan
Fraunhofer ISE untersucht wie hohe Effizienz und Betriebssicherheit zu gewährleisten sind
Vor dem Hintergrund der aktuellen Klimaschutzziele spielen Wärmepumpen eine zentrale Rolle als Heizungstechnologie der Zukunft. Wichtig dabei wird künftig aber die Frage sein, welches Kältemittel in den Wärmepumpen-Systemen zum Einsatz kommt und wie viel davon. In Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium BMWi geförderten Forschungsvorhabens LC150 Entwicklung eines kältemittelreduzierten Wärmepumpenmoduls mit Propan möchte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE deshalb einen kompakten und kosteneffizienten Kältekreis für Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan entwickeln. Das Projekt wird durch ein breites Industriekonsortium unterstützt. Eine gemeinsame Entwicklungsplattform soll im besten Falle eine gemeinsame Fertigung fördern und die Marktdurchdringung deutlich beschleunigen.
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Die europäische Verordnung über fluorierte Treibhausgase verlangt von den Wärmepumpen-Herstellern, den Anteil an klimaschädlichen Gasen im Kältekreis bis 2030 um siebzig Prozent gegenüber dem Wert aus dem Jahr 1990 zu reduzieren. Natürliche Kältemittel wie Propan gewinnen deshalb zunehmend an Bedeutung. Das farblose Gas bringt viele Vorteile mit sich, etwa die breite Verfügbarkeit, die sehr guten thermodynamischen Eigenschaften, die höhere Effizienz, also das Verhältnis zwischen erzeugter Nutzwärme und eingesetzter Antriebstechnologie. Außerdem ist das Erderwärmungspotenzial (Global Warming Potential) mit 3 um das 500-fache niedriger als bei den heute meistens eingesetzten klassischen fluorierten Kältemitteln.
Propan – Umweltfreundlich, aber brennbar
Im Rahmen einer Potenzialstudie ist es dem Fraunhofer ISE 2019
gelungen, mit marktverfügbaren Komponenten einen
Sole-Wasser-Kältekreis zu entwickeln, der für eine Heizleistung von
8 kW nur 150 Gramm Propan benötigt. Gegenüber den derzeitigen
Systemen am Markt entspricht das einer Kältemittel-Reduktion um 75
Prozent. Eine Wärmepumpe, die auf diesem Konzept beruht, dürfte
– ähnlich wie ein Kühlschrank – sogar ohne zusätzliche
Sicherheitsvorkehrungen im Innenraum eingesetzt werden.
Ausschlaggebend für den künftigen Einsatz leistungsfähigerer
Systeme wird die Verwendung füllmengenreduzierter Wärmeübertrager,
Verdichter und Verrohrungssysteme sein sowie die
Entwicklung von Betriebsweisen, die eine gute Kältemittelverteilung
in den Komponenten erlauben.
Propan ist also ein sehr geeignetes Kältemittel – das jedoch auch brennbar ist. „Die Reduzierung der Füllmenge ist daher naheliegend und in einem deutlichen Ausmaß möglich, das haben unsere Vorarbeiten gezeigt“, erklärt Dr. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE. So besteht die gegenwärtige Herausforderung darin, die hohe Effizienz und gleichzeitig die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Hier soll das aktuelle Forschungsprojekt ansetzen.
Gemeinsame Plattform soll Synergien schaffen
Dafür wurde parallel eine Plattform entwickelt, durch die Synergien durch Standards geschaffen werden sollen, die den am Projekt beteiligten Partnern konzeptionell zur Verfügung gestellt werden. Denn bislang entwickelte jeder europäische Hersteller seine eigenen Kältekreise für unterschiedliche Kältemittel und Leistungsklassen. Durch die Nutzung der gemeinsamen Plattform kann eine modulare Bauweise im Baukasten-System entstehen, durch die nicht nur die Hersteller profitieren, sondern auch die Marktdurchdringung beschleunigt werden kann.
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