Forschung am Propan-Kältekreis
So werden Wärmepumpen effizienter
Industrie und Forschung arbeiten an der Kostensenkung von Wärmepumpen sowie an nachhaltigeren Kältemitteln für die Geräte. Welche Erkenntnisse es diesbezüglich gibt, zeigt das Projekt »LC150«, das im März 2023 zum Abschluss gekommen ist. Lesen Sie eine Zusammenfassung.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und ein Konsortium aus Wärmepumpenherstellern haben sich zum Ziel gesetzt, gemeinsam einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis zu entwickelt. Das vom Bund geförderte Projekt, das bis März 2023 angesetzt war, sollte dazu beitragen, die Effizienz von Wärmepumpen zu erhöhen sowie verlässliche Standards zu schaffen. Eine gemeinsame Entwicklungsplattform sollte es den beteiligten Firmen ermöglichen, ihre Entwicklungskosten zu senken und gleichzeitig die industrielle Entwicklung und Fertigung von Wärmepumpen für Wohngebäude zu beschleunigen.
Propan als Kältemittel – eine Herausorderung?
Die Umsetzung von Wärmepumpen, die Propan als Kältemittel nutzen, bringt einige Vorteile mit sich: Propan ist ein thermodynamisch sehr gut geeignetes Kältemittel, das eine breite Verfügbarkeit aufweist. Es hat ein Erderwärmungspotenzial (Global Warming Potential = 3), welches um das bis zu 500-Fache niedriger ist als das GWP der herkömmlichen fluorierten Kältemittel. Da die europäische F-Gase-Verordnung den Wärmepumpenherstellern vorschreibt, den Anteil der klimaschädlichen Gase im Kältekreis bis 2030 um 70 Prozent gegenüber 1990 zu reduzieren, gewinnt Propan als natürliches Kältemittel immer stärker an Bedeutung.
Ein Nachteil ist allerdings die Brennbarkeit von Propan, die weitere Sicherheitskonzepte erforderlich macht. Der Entwicklungsansatz geht deswegen dahin, die erforderliche Füllmenge in einem deutlichen Ausmaß zu reduzieren sowie gleichzeitig geeignete Sicherheitsprüfungen zu installieren.
Bislang entwickelte jedoch jeder europäische Hersteller seine eigenen Kältekreise für unterschiedliche Kältemittel und Leistungsklassen – eine gemeinsame Abstimmung fehlte. Das Projekt »LC150« setzt genau hier an: mit einer gemeinsamen Plattformentwicklung, die hohe Stückzahlen und eine automatisierte Produktion zum Ziel hat.
Ähnlich wie bei den Automobilherstellern sollen auch im Wärmepumpenbereich durch die Schaffung von Standards Synergien geschaffen werden. Mit dem entstehenden Auslegungswissen kann eine modulare Bauweise für unterschiedliche Baureihen und Leistungsklassen erschlossen werden.
Dem Fraunhofer ISE ist es 2019 im Rahmen einer Potenzialstudie erstmals gelungen, einen auf marktverfügbaren Komponenten beruhenden Sole-Wasser-Kältekreis zu entwickeln, der für eine Heizleistung von 8 kW nur 150 g 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.
Effizienz-Rekord
Das Projekt "LC150" brachte beachtliche Ergebnisse hervor. Im Oktober 2022 verkündeten die Projektpartner einen neuen Effizienz-Spitzenwert bei Wärmepumpen: eine Heizleistung von 12,8 kW mit nur 124 g Propan! Daraus ergibt sich eine spezifische Kältemittelfüllmenge von ca. 10 g/kW.
Das Projektteam des Fraunhofer ISE hat für diese Optimierung über ein Jahr lang verschiedene Prototypen für Sole-Wärmepumpen gebaut, wobei die einzelnen Komponenten – Verdampfer, Verdichter, Kondensator, Wärmeübertrager und Expansionsventil – in verschiedenen Konstellationen zusammengesetzt wurden. Die unterschiedlichen Systeme wurden dann an Testständen für jeweils zwei Wochen rund um die Uhr vermessen, wobei pro Prototyp zwischen 30 und 150 Betriebspunkte angefahren und die Messwerte von 26 Sensoren aufgezeichnet wurden. Auf der Suche nach der idealen Wärmepumpe hat man 26 Prototypen aufgebaut, von denen 14 bis Oktober 2022 bereits die komplette Messmatrix durchlaufen haben.
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