Umweltfreundliche Propangas-Wärmepumpen

Umweltfreundliche Propangas-Wärmepumpen

Mit Wärmepumpen kann Umweltenergie für Heizzwecke nutzbar gemacht werden. Oftmals wird dafür jedoch synthetisches Kältemittel genutzt, welches umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase enthält. Forscher haben nun eine klimafreundlichere Alternative entwickelt: mit Propangas.

Vorbild Natur: Der neu entwickelte Verteiler orientiert sich an den sich verzweigenden Ästen eines Baumes (Modell). (Foto: © Fraunhofer ISE)

„Heizung und Warmwasser benötigen in Deutschland rund 40 Prozent der Erdenergie. Das Verbrennen von hochwertigen, fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Erdöl ist nicht nur energetisch unsinnig, sondern auch klimaschädlich. Wärmepumpen machen aus einer Einheit elektrischer Antriebsenergie, häufig aus erneuerbaren Energien, drei bis fünf Einheiten Wärmeenergie – und das völlig CO2-neutral. Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Energiewende“, sagt Dr. Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Genau hier, am Fraunhofer-Institut wurde jetzt im Rahmen eines Konsortiums eine Wärmepumpe mitentwickelt, die Propangas nutzt und sie damit nicht nur klimafreundlicher sondern auch effizienter macht.

So funktioniert eine Wärmepumpe

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist mit der eines Kühlschranks vergleichbar. Mithilfe des Kältemittels wird die Wärme im Innern des Kühlschranks aufgenommen und nach draußen befördert. Der Unterschied: Beim Kühlschrank verpufft die Wärme an der Rückwand ungenutzt, während die Wärme, die eine Wärmepumpe der Erde, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft entzieht, zum Heizen oder für die Warmwasserzubereitung genutzt wird.

Dazu wird das erwärmte, dampfförmige Kältemittel verdichtet und so seine Temperatur und sein Druck erhöht. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme an Wasser ab und kondensiert. Heizkörper, Fußbodenheizungen oder Warmwasserspeicher werden mit dem warmen Wasser versorgt. Das abgekühlte, flüssige Kältemittel fliest wieder zurück in den Verdampfer. Hier nimmt es wieder neue Wärmeenergie auf und der Kreislauf beginnt von vorn.

Bisher wird in vielen Wärmepumpen ein synthetisches Stoffgemisch als Kältemittel verwendet, welches umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthält. Im Juni 2104 beschloss die Europäische Kommission, dass solche F-Gase schrittweise vom Markt genommen werden müssen.
Propan ist eine umweltfreundliche und natürliche Alternative. Die Alternative zu synthetischen Kältemitteln ist bereits in Klima- und Kälteanlagen zunehmend im Einsatz, jedoch in Wärmepumpen noch wenig verbreitet. Das hat auch einen besonderen Grund. Propan ist nicht nur mit sehr guten thermodynamischen Eigenschaften ausgestattet, sondern auch leicht brennbar. Für die Verwendung im Wärmekreislauf stellt dies eine Herausforderung dar.

Aktueller Stand der Forschungen am ISE

Am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE werden daher hochkompakte gelötete Lamellenwärmeüberträger eingesetzt, die auch mit geringen Flüssigkeitsmengen gut funktionieren. Die thermische Energie wird in Wärmeüberträgern von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus vielen Kanälen, die parallel verlaufen. Darin zirkuliert das Kältemittel und die Wärme wird aufgenommen (Verdampfer) und angegeben (Verflüssiger).

Zur Lösung des Problems wurde ein Verteiler mit einer bionischen Struktur entwickelt. Mit ihm lässt sich die gesamte Wärmeübertragefläche optimal nutzen und die Effizienz steigern.

Außerdem wurde ein spezieller Verdichter benutzt, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden, um keine Explosion des Propans während der Kompression zu riskieren. „Zurzeit modifizieren wir die technische Gestaltung der Wärmepumpe, prüfen die Bauteile im Langzeitverhalten und erstellen tragfähige Sicherheitskonzepte“, fasst Dr. Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE, zusammen.