Die Zukunft gehört Propan-Wärmepumpen

Wärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel R290 sind zukunftssicher. Ein wichtiger Grund dafür sind die Eigenschaften von Propan im Vergleich mit herkömmlichen synthetischen Kältemitteln. Das natürlich vorkommende Propan kann für besonders effizient arbeitende Kältekreise eingesetzt werden und ist zudem sehr klimafreundlich. Das zeigt ein Blick auf das Global Warming Potential: Der sogenannte GWP-Wert gibt an, wie stark ein Gas zur Erderwärmung beiträgt – je niedriger der Wert, desto umweltfreundlicher das Kältemittel. Ein grosser Teil der aktuell verkauften Wärmepumpen wird mit dem synthetischen Kältemittel R410A betrieben, welches einen GWP von 2088 hat. Der GWP von R290 liegt bei 3 – nur zwei Punkte über dem Referenzwert von CO?. Dadurch ist R290 nicht von der F-Gase-Verordnung der EU betroffen. Diese soll die Nutzung klimaschädlicher Gase reduzieren. Während der Einsatz von synthetischen Gasen mit einem besonders hohen GWP schrittweise eingeschränkt wird, wie beispielsweise R410A, sind Propan-Wärmepumpen mit R290 nicht von einem möglichen Verbot betroffen.

Sicherer Umgang ist zwingend

Mit brennbaren und explosionsgefährdeten Stoffen kann man sicher umgehen. Dies wird von zahllosen Tankstellen und Gasheizungen in Europa bewiesen, da die Bedienung mehrheitlich durch ungeschultes Personal und Privatpersonen erfolgt. Der Gedanke an ein Kilogramm Propan in einer Wärmepumpe, geht für viele Personen gar nicht. Eindeutig zu gefährlich! Aber draussen beim Gasgrill steht eine Flasche Butangas mit bis zu zehn Kilogramm Inhalt an der Sonne. Auch Propangasbrenner in Wohnmobilen gelten meist als ungefährlich. Auflagen, die beispielsweise den Transport durch Alpentunnels regeln, sind nicht bekannt.

Die Vorbehalte gegen Kohlenwasserstoffe als Kältemittel schwinden mit der stetig steigenden Nachfrage. Propan R290 gehört zu den Kohlenwasserstoffen. Aus dieser Gruppe resultieren beispielsweise Propan (R-290), Isobutan (R-600a) und Propen (R-1270) als günstige Kältemittel. Sie haben ein GWP von maximal drei, sind aber hochentzündlich, sind der «ASHRAE»-Sicherheitsgruppe A3 zugeordnet und unterliegen strengeren Richtlinien. Aufgrund der dadurch installierten Sicherheitsvorrichtungen in Anlagen, liegen die Kältemittelverluste jedoch nahe Null. Propan ist weltweit preiswert erhältlich und wird dank seiner idealen kältetechnischen Eigenschaften besonders in Anlagen mit geringen Füllmengen eingesetzt.

Klare Richtlinien

Kälteanlagen und Wärmepumpen, in denen Flüssiggase als Kältemittel eingesetzt werden, unterstehen in der Schweiz den Anforderungen der EKAS-Richtlinie 6517, sofern deren Füllmenge 1,5 kg übersteigt.

Die Richtlinie besagt unter Kapitel 18.1, dass «nur solche Berufs- oder Fachleute Flüssiggasanlagen erstellen, ändern oder in Stand halten [dürfen], die über geprüftes Fachwissen im Bereich Flüssiggas und Installationstechnik verfügen.» Das heisst, nur ausgebildetes und geprüftes Fachpersonal darf an Anlagen mit mehr als 1,5 kg Kältemittel der Sicherheitsklasse A3 (Propan, Isobutan, Propen) Arbeiten verrichten. Gemäss Prüfungsreglement des Arbeitskreises LPG ist der SVK für die Prüfung der Kälte- und Wärmepumpenfachleute zuständig. Auszug Prüfungsreglement LPG Kapitel 2.2: «Für Kältetechnik- und Wärmepumpenfachleute, die Flüssiggas als Kältemittel einsetzen, werden die Anforderungen zur Zulassung vom Schweizerischen Verein für Kältetechnik (SVK) formuliert und geprüft.»

Von besonderer Bedeutung für die Arbeitssicherheit sind die niedrigen Zündgrenzen der Flüssiggase. Es genügen also schon kleinste Mengen flüssig ausströmenden Gases, um bei dem sich ergebenden ca. 260-fachen Volumen der Gaswolke in Verbindung mit Luft ein zündfähiges Gemisch zu bekommen. Ein Propan-Luft-Gemisch mit nur 2,1 Vol.-% Propan ist bereits explosionsfähig. Ein Liter flüssiges Propan (ca. 0,5 kg) verdampft zu 260 l Propangas, das demnach in Mischung mit Luft 12 400 l explosionsfähige Atmosphäre ergeben kann. Bereits 10 l explosionsfähige Atmosphäre sind als gefährlich anzusehen.

Optimierter Propan-Kältekreis

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat nun ein Kältekreis-Funktionsmuster mit der klimafreundlichen und kostengünstigen Alternative Propan entwickelt. Eine der besten Sole-Wärmepumpen erreicht mit 146 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt. Damit darf sie ohne umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen im Inneren von Gebäuden aufgestellt werden. Pro Kilowatt Heizleistung benötigt das Gerät nur rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen. Die Neuentwicklung ist Ergebnis der Zusammenarbeit des Fraunhofer ISE mit einem Industriekonsortium im vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt »LC150« (»low charge 150g»).

Die erhältlichen Propan-Wärmepumpen sind meist nur für die Aufstellung im Aussenbereich. Für das Kältemittel gelten aufgrund seiner Brennbarkeit umfangreiche Sicherheitsauflagen für die Nutzung in Innenräumen. Übersteigt eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus mit ihren üblichen 5 bis 10 Kilowatt Leistung die vorgeschriebene Höchstmenge von 150 Gramm Kältemittel, kann sie nur mit erhöhten Sicherheitsanforderungen installiert werden.

Die Neuentwicklung des Fraunhofer ISE könnte dies ändern: In dem nun abgeschlossenen Projekt LC150 entwickelten die Forscher und ein Konsortium aus Wärmepumpenherstellern einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis. Dieser stellt das Herzstück einer Wärmepumpe dar. Dazu wurden mehr als 20 Kombinationen aus Wärmeübertragern und Verdichtern aufgebaut, vermessen, bewertet und optimiert. Einer der vielversprechenden Kältekreise erreicht mit einem vollhermetischen Verdichter mit 146 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt und unterschreitet damit die vorgeschriebene Höchstmenge für den Innenbereich. Die spezifische Kältemittelfüllmenge liegt bei 12,8 Gramm pro Kilowatt – rund ein Fünftel der Propanmenge von marktverfügbaren Systemen.

Für den Prototyp verwendete das Team marktverfügbare Komponenten. Ein wesentlicher Baustein des Konzepts ist die Nutzung asymmetrischer Plattenwärmetauscher, die mit weniger Kältemittel auskommen. Das Forschungsteam konnte den Kältemittelbedarf auch durch eine reduzierte Ölmenge im Kompressor deutlich verringern. Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das erforderliche Kältemittelvolumen zu reduzieren.

Sicherheit bei grossen Leistungen

In Winterthur nutzt ein Demonstrationsprojekt nun eine reversible (Heizen und Kühlen) Luft/Wasser-Wärmepumpe auf der Basis von Propan in einem mittelgrossen Bürogebäude. In einer knapp zweijährigen Messkampagne hat die Propan-Wärmepumpe in dem nach Minergie-P-Standard errichteten Neubau ihre Funktionstüchtigkeit bewiesen. Das realisierte Heiz- und Kühlsystem eignet sich insbesondere für sehr gut gedämmte Neubauten an Standorten, wo keine geothermischen Wärmequellen (Erdsonden oder Grundwasser) zur Verfügung stehen. Propan zeigt gute Eigenschaften bei Wärmepumpen, die eine relativ kleine Temperaturdifferenz überbrücken müssen, wie das bei Niedertemperatur-Heizungen für exzellent wärmegedämmte Gebäude der Fall ist.

Bei diesem Gewerbeneubau wurde die Wärmepumpe aus sicherheitstechnischen Aspekten auf dem Dach platziert. Eine Gasüberwachungsanlage dient der Kontrolle der Kältemittelkonzentration innerhalb des schallgedämmten Gehäuses. Bei einer Leckage wird das gesamte Maschinengehäuse stromlos geschaltet. Ein Ventilator sorgt im Schadensfall für die Verteilung von auslaufendem Propan in der Umgebung, damit kein zündfähiges Gas-Luft-Gemisch entstehen kann.

Die Fachleute und Spezialisten der Kälte- und Klimabranche setzen ihr gesamtes Wissen ein, um Propan als Kältemittel weiter etablieren zu können. Die Nachfrage nach Propan-Wärmepumpen ist weiter zunehmend, denn bedingt durch die F-Gase-Verordnung der EU (in der Schweiz regelt die ChemRRV den Einsatz von Kältemitteln) müssen folgerichtig natürliche Kältemittel führend werden.