Umweltfreundliche und effiziente Propan-Wärmepumpe

4. September 2018

by Fraunhofer-Gesellschaft

Wärmepumpen nutzen Umweltenergie, um uns mit Wärme zu versorgen. Allerdings benötigen sie in der Regel synthetische Kältemittel, die umweltschädliche fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Fraunhofer-Forscher haben nun zur Entwicklung einer Wärmepumpe beigetragen, die stattdessen Propan nutzt. Die Pumpe ist sowohl klimafreundlicher als auch effizienter.

„Heizung und Warmwasser machen rund 40 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland aus. Die Verbrennung hochwertiger fossiler Brennstoffe wie Erdgas oder Erdöl macht nicht nur energetisch wenig Sinn, sondern schadet auch dem Klima. Jede Einheit elektrischer Energie, die zum Betrieb benötigt wird.“ „Eine Wärmepumpe, die häufig aus erneuerbaren Ressourcen stammt, erzeugt drei bis fünf Einheiten CO2-neutrale Wärmeenergie. Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein bei der Umsetzung der Energiewende in Deutschland“, sagt Dr. Marek Miara, der die Arbeiten koordiniert Wärmepumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank. Das Kältemittel nimmt die Wärme im Inneren des Kühlschranks auf und transportiert sie nach außen. Der Unterschied besteht darin, dass eine Wärmepumpe die Wärme, die ungehindert an der Rückseite eines Kühlschranks entweichen kann, entzieht – in diesem Fall dem Boden, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft –, um unsere Häuser oder unser Wasser zu heizen.

Um dies zu erreichen, wird das erhitzte, verdampfte Kältemittel komprimiert, wodurch sich seine Temperatur und sein Druck erhöhen. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme an Wasser ab und kondensiert. Das warme Wasser fließt in Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Warmwasserspeicher, während das nun abgekühlte flüssige Kältemittel in einen sogenannten Verdampfer zurückfließt, wo es erneut Wärmeenergie aufnimmt. Der Zyklus beginnt dann wieder von vorne.

Kältemittel bestehen größtenteils aus einer Mischung synthetischer Stoffe, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Im Juni 2014 gab die Europäische Kommission bekannt, dass F-Gase schrittweise vom Markt genommen werden sollen. Eine umweltfreundliche, natürliche Alternative zu synthetischen Kältemitteln ist Propan, das sich in Klima- und Kühlsystemen bereits zunehmender Beliebtheit erfreut. Doch der Einsatz in Wärmepumpen ist noch relativ neu.

Denn obwohl Propan hervorragende thermodynamische Eigenschaften hat, ist es leicht entflammbar, was bei der Verwendung in einem Wärmekreislauf eine Herausforderung darstellt.

„Wer Propan verwenden möchte, muss die Menge des Kältemittels so gering wie möglich halten, um die damit verbundenen Risiken zu minimieren“, sagt Dr. Lena Schnabel, die die Abteilung für Heiz- und Kühltechnologien am Fraunhofer ISE leitet.

Die Lösung der ISE-Forscher gemeinsam mit ihren europäischen Forschungspartnern besteht darin, hochkompakte, gelötete Lamellenwärmetauscher einzusetzen, die auch bei kleinen Flüssigkeitsmengen gut funktionieren. Über Wärmetauscher wird die Wärmeenergie von einem strömenden Stoff auf den anderen übertragen. Diese bestehen aus zahlreichen parallelen Kanälen, die das zirkulierende Kältemittel enthalten und entweder Wärme aufnehmen (sogenannte „Verdampfer“) oder sie abstrahlen („Kondensatoren“). „Die Flüssigkeit sollte über die gesamte Lauflänge vollständig verdampfen oder wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss das Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis in allen Kanälen identisch sein. Das ist in der Regel nicht einfach zu erreichen und wird besonders schwierig, wenn man es auch tut.“ versuchen, die Kältemittelmenge zu begrenzen.“

Um das Problem zu lösen, entwickelten Schnabel und ihr Team einen Verteiler mit bionischer Struktur: „Herkömmliche Venturi-Verteiler sehen aus wie ein Haufen Spaghetti aus vielen dünnen Röhren, die dort zusammenlaufen, wo sie auf den Verdampfer treffen. Unser Verteiler ist anders: Er hat eine kontinuierliche Verzweigung.“ Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die auch bei geringem Kältemittelvolumen für eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels in den einzelnen Verdampferkanälen sorgt.“ Dieser Aufbau ermöglicht eine optimale Nutzung der gesamten Oberfläche des Wärmetauschers, was die Effizienz verbessert.

Um die Explosionsgefahr beim Komprimieren des Propans zu verringern, verwendeten Schnabel und ihr Team einen speziellen Kompressor, in dem alle Zündquellen gekapselt waren. Bei der Verbindung der einzelnen Komponenten der Pumpe wurde große Sorgfalt darauf verwendet, ein Austreten von Propan zu verhindern. „Wir modifizieren derzeit das technische Design der Wärmepumpe, testen das Langzeitverhalten ihrer Komponenten und entwickeln nachhaltige Sicherheitsstrategien“, sagt Schnabel.

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