Wärmepumpen mit Propan-Kältekreis sind nachhaltig und kostengünstig. In LC150 arbeiten Forschende an der Entwicklung eines effizienten Kältekreises. © Fraunhofer ISE
Wärmepumpen mit Propan-Kältekreis sind nachhaltig und kostengünstig. In LC150 arbeiten Forschende an der Entwicklung eines effizienten Kältekreises.

Effiziente Wärmepumpen
Propan-Kältekreis erreicht Rekordwerte

28.10.2020 | Aktualisiert am: 14.11.2024

Im Forschungsprojekt LC150 entwickelt ein Team des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE einen nachhaltigen und kosteneffizienten Kältekreis für Wärmepumpen. Als Kältemittel verwenden die Forschenden eine geringe Menge Propan. Nun gelang ihnen ein Effizienzrekord.

Nur 124 Gramm Propan — das ist die Kältemittelmenge, mit der die Forschenden von LC150 eine maximale Heizleistung von 12,8 Kilowatt erreichen konnten. Pro Kilowatt Heizleistung entspricht das rund 10 Gramm und ist etwa vergleichbar mit der Propanmenge von nur fünf Feuerzeugen.

Ziel des Projektteams ist es, die Kältemittelmenge auf 150 Gramm reduzieren — wie auch der Name des Projekts LC150: low charge 150 g verrät. Das entspricht gegenüber marktverfügbaren Systemen einer Kältemittel-Reduktion um 75 Prozent. Mit der geringen Füllmenge wäre eine solche Wärmepumpe auch ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen im Gebäude einsetzbar. Entsprechend einer vorherigen Potenzialstudie des Fraunhofer ISE war zu Projektstart eine Heizleistung von acht Kilowatt wahrscheinlich. Die ursprünglich erwarteten Werte haben die Forschenden somit bei einem ihrer Prototypen bereits übertroffen. Einen Beispiel-Kältekreis zeigte das Projektteam vom 11. bis 13. Oktober 2022 auf der Messe Chillventa in Nürnberg.

Warum eignet sich Propan als Kältemittel?

Propan gehört zu den Kohlenwasserstoffen und hat hervorragende thermodynamische Eigenschaften. Zudem gilt es als besonders energiesparendes Kältemittel und ist weltweit preiswert erhältlich. Weil Propan brennbar ist, wird es in Anlagen mit geringen Füllmengen eingesetzt. So ist auch eine reduzierte Füllmenge als Kältemittel in der Wärmepumpe möglich. „Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten“, erklärt Lena Schnabel, Projektkoordinatorin des Forschungsprojekts LC150 und Abteilungsleiterin für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. „Herausfordernd ist die gleichzeitig erforderliche hohe Effizienz und Betriebssicherheit des Kältekreises“.

Im Juni 2014 hat die Europäische Kommission beschlossen, dass synthetische Kältemittel, die fluorierte Treibhausgase enthalten, schrittweise vom Markt genommen werden müssen. Propan ist eine klimafreundliche Alternative und wird auch schon in Klima- und Kälteanlagen eingesetzt. In Wärmepumpen ist es bisher weniger verbreitet. Dies soll sich nun mit dem Forschungsprojekt LC150 ändern.

26 Prototypen gebaut und aktuell im Test

„Die Reduktion des Kältemittels kann durch eine gezielte Anpassung aller Einzelkomponenten auf das Kältemittel Propan auch für andere Leistungen und Betriebspunkte erreicht werden“, erklärte Lena Schnabel zu Beginn des Projekts. Ausschlaggebend für einen optimierten Propan-Kältekreis ist der Einsatz füllmengenreduzierter Wärmeübertrager, Verdichter und Verrohrungssysteme sowie die Entwicklung von Betriebsweisen, die eine gute Kältemittelverteilung in den Komponenten erlauben.

Seit Oktober 2021 haben die Forschenden 26 Prototypen für Sole-Wärmepumpen gebaut. Die einzelnen Komponenten haben sie dabei in verschiedenen Konstellationen zusammengesetzt. Alle Prototypen durchlaufen ein Messverfahren am Teststand, um die ideale Wärmepumpe zu finden.

Wärmepumpen-Komponenten weiter optimieren

Der Rekord-Kältekreis ist ein großer Schritt, marktreif ist er allerdings noch nicht. Der im Prototyp eingesetzte Verdichter stammt aus der Automobilbranche und braucht aufgrund seiner technischen Eigenschaften weniger Kältemittel bei höherer Leistung. Für eine Wärmepumpe, die über 20 Jahre viele Betriebsstunden laufen soll, sind diese Verdichter nicht geeignet. Es gilt also, die Verdichter für eine längere Lebenszeit zu optimieren.

Ebenso gibt es weitere Stellschrauben wie das Volumen des Wärmeübertragers, die benötigte Ölmenge, Rohrleitungen und Zusatzbauteile, an denen das Forschungsteam von LC150 weiterhin arbeitet. Ziel ist es, ein langlebiges und ausgewogenes System zu erreichen. Dafür würde etwas mehr Kältemittel und ein etwas größerer Wärmeübertrager zum Einsatz kommen. Die Forschenden sind überzeugt: Ein Kältekreis mit maximal 150 Gramm Propan und acht bis zehn Kilowatt Leistung sollte weiterhin unter realen Einsatzbedingungen erreichbar sein. (az/ln)

Gemeinsame Plattform für Propan-Kältekreise

Bislang entwickelt jeder europäische Hersteller seine eigenen Kältekreise für unterschiedliche Kältemittel und Leistungsklassen. Ähnlich wie bei den Automobilherstellern schon in der Praxis üblich, wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit LC150 im Wärmepumpenbereich Synergien zwischen den Herstellern identifizieren und perspektivisch gleiche Bauteile im Kältekreis nutzen. Die gemeinsame Entwicklungsplattform soll den am Forschungsprojekt LC150 beteiligten Unternehmen ein erhebliches Potenzial eröffnen, Kosten in der Fertigung zu senken und die industrielle Entwicklung von Propan-Wärmepumpen für Wohngebäude zu beschleunigen.

Ein breites Industriekonsortium europäischer Wärmepumpen-Hersteller unterstützt und begleitet die Forschungsarbeiten in LC150 fachlich. Beteiligt sind acht europäische Hersteller.