Wärmepumpen Rekord für Wärmepumpen: Effizienzchampion braucht nicht mehr Gas als fünf Feuerzeuge

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Heiße Sache oder cool bleiben? Die Wärmepumpe soll die Antwort auf alle Temperier-Fragen werden. Für den großen Durchbruch auf breiter Front suchen die Hersteller fieberhaft nach Effizienzsteigerungen, Kostensenkungen und nachhaltigen Kältemitteln. Jetzt legt eine Kooperation aus Industrie und Forschung die Latte höher: Ein Propan-Kältekreis schwingt sich zum Effizienzrekord auf.

Kommt nach der Energie- die Wärmewende auf die Agenda? Wahrscheinlich gibt es kaum eine Firma, die sich derzeit nicht mit dem Thema Wärmepumpen beschäftigt. Doch beim Thema Kosten sowie Nachhaltigkeit hat die Technologie noch Luft nach oben: Wärmepumpen-Hersteller arbeiten derzeit sowohl an Effizienzsteigerungen sowie nachhaltigen Kältemitteln. Gemeinsam mit dem renommierten Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat ein Herstellerkonsortium nun einen möglichen Effizienz-Champion an den Start gebracht: Einen standardisierten und kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis, der mit nur 124 Gramm Propan eine Heizleistung von 12,8 Kilowatt erreicht. Daraus ergibt sich eine spezifische Kältemittelfüllmenge von ca. zehn g/kW und eine Effizienz von 4,7 (Verhältnis der erzeugten Wärme zum eingesetzten Strom).

Das heißt, dass die notwendige Kältemittelmenge pro Kilowatt Heizleistung bei nur 9,7 Gramm Propan lag. "Das entspricht etwa der Propan-Menge in fünf Feuerzeugen", vergleicht Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE. Damit übertreffen die Entwickler sogar ihr ohnehin ambitioniertes Ziel von 15 bis 30 Gramm/Kilowatt, heißt es aus Projektkreisen. Der Effekt wäre enorm: Bisher übliche Wärmepumpen verbrauchen etwa 60 Gramm Propan pro Kilowatt. Aber warum eigentlich Propan? Ganz einfach, das zeichnet sich durch sehr gute thermodynamische Eigenschaften und ein geringes Treibhausgaspotenzial aus, wie Dankwerth betont. Da es aber brennbar ist, wird eine möglichst geringe Propanmenge angestrebt.

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Wer hofft, den Effizienzchampion in seine Produktion zu bringen, braucht aber noch Geduld: Der Rekord-Kältekreis ist in dieser Form noch nicht für eine Markteinführung reif, heißt es. Im Versuchsaufbau wurde ein halbhermetischer Automobil-Verdichter eingesetzt, der dank seiner hohen Drehgeschwindigkeit und der geringen Ölmenge weniger Kältemittel bei höherer Leistung benötigt. Die Verdichter aus der Automobilbranche sind bisher nicht auf die hohen Betriebsstunden einer 20 Jahre laufenden Wärmepumpe ausgelegt.

"Der Hersteller arbeitet aber bereits an vollhermetischen Verdichtern mit längerer Lebenszeit", ist Dankwerth optimistisch. Die finale Ausführung des Rekordkältekreises würde mit etwas mehr Kältemittel und einem etwas größeren Wärmeübertrager umgesetzt, um ein ausgewogeneres System zu erreichen. Die Ziele des Projekts LC 150 – ein Kältekreis mit acht bis zehn Kilowatt Leistung bei einer maximalen Füllmenge von 150 Gramm Kältemittel – seien damit auch unter realen Einsatzbedingungen erreichbar, ist sich das Forschungsteam sicher.

Optimierung weiterer Wärmepumpen-Komponenten

Auch der bisher zweitbeste Kältekreis im Testprogramm erfüllte mit einer Füllmenge von 164 Gramm Propan bei einer Effizienz von 4,8 und einer Heizleistung von 8,1 Kilowatt die Zielvorgaben des Projekts. Hier kam ein herkömmlicher vollhermetischer Verdichter zum Einsatz.

Bis März 2023 haben die Partner in dem vom BMWK geförderten Projekt noch Gelegenheit, aus den gewonnenen Daten methodische Zusammenhänge abzuleiten, damit kältemittelreduzierte Wärmepumpen zukünftig mit weniger Aufwand ausgelegt werden können. Schützenhilfe kommt aus Spanien, wo die Polytechnische Universität Valencia ein Werkzeug für simulative Voraussagen entwickelt.

Neben dem Verdichter arbeitet das Forschungsteam an weiteren Stellschrauben, um die Kältemittelmenge zu senken: So wurden das innere Volumen der Wärmeübertrager und die benötige Ölmenge reduziert, sowie Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt. Die Rohrleitungen wurden so kurz wie möglich gehalten, um die inneren Volumina zu reduzieren.

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