Wärmepumpen mit Propan: Sicherheit durch weniger Kältemittel

Wärmepumpen sollen knüftig fossile Heizsysteme ersetzen und damit einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten. Doch nun wirft ausgerechnet der Einsatz klimafreundlicher Kältemittel neue Fragen auf.

Propan besitzt ein sehr geringes Treibhauspotenzial, allerdings mit den Nachteil, dass es brennbar ist. Besonders bei außen aufgestellten Wärmepumpen stellt sich deshalb eine Frage: Was geschieht, wenn durch einen technischen Defekt Kältemittel austritt? Kann es sich in einem Kellerschacht sammeln? Welche Abstände zu Gebäudeöffnungen sind erforderlich? Und wie lassen sich mögliche Gefahren bei der Konstruktion bereits im Vorfeld reduzieren? Auf der Chillventa in Nürnberg stellte das Fraunhofer ISE Forschungsarbeiten vor, die sich mit all diesen Fragen tiefgehend beschäftigen. Im Mittelpunkt stehen zwei unterschiedliche Ansätze: Wärmepumpen sollen mit deutlich reduzierten Mengen an Kältemittelfüll auskommen, und mögliche Szenarien bei Leckagen werden unter realistischen Rahmenbedingungen untersucht. Die Ergebnisse sollen Herstellern unterstützen, wirksame Konzepte bei der Sicherheit zu entwickeln und den Einsatz natürlicher Kältemittel weiter voranzubringen.

Fraunhofer ISE untersucht brennbare Kältemittel in Wärmepumpen

Die Forschungsarbeiten sind dabei vorrangig im Bereich Wärme und Gebäude angesiedelt. Dort beschäftigen sich Wissenschaftler des Instituts mit Kältetechnik, Wärmepumpen und der Versorgung mit Wärme sowohl von Gebäuden, als auch von Industrieanlagen. Ein übergeordnetes Ziel ist die Dekarbonisierung. Wo Wärme bisher durch die Verbrennung fossiler Energieträger wie Heizöl oder Gas erzeugt wird, soll zunehmend die elektrische Wärmepumpen eingesetzt werden. Im Gebäudebereich betrifft das vor allem den Austausch von Gas-Brennwertheizungen. Die technische Umstellung erfordert allerdings mehr als den Austausch. Auch die eingesetzten Kältemittel, ihre Auswirkungen auf die Umwelt sowie die Anforderungen an die Sicherheit müssen berücksichtigt werden. Natürliche Kältemittel wie Propan gewinnen dabei an Bedeutung. Anders als viele fluorierte Kältemittel besitzt Propan ein sehr geringes Treibhauspotenzial. Seine Brennbarkeit macht jedoch geeignete Schutzmaßnahmen erforderlich. Dass brennbare Kältemittel grundsätzlich beherrschbar sind, zeigt der Blick auf Haushaltskühlschränke. Viele dieser Geräte verwenden Isobutan als Kältemittel. Die Füllmengen liegen typischerweise bei etwa 80 bis 100 Gramm. Bei Wärmepumpen können dagegen deutlich größere Mengen eingesetzt werden. Für klassische Geräte nennt das Forschungsinstitut beispielhaft Füllmengen von 600 bis 800 Gramm. Entsprechend müssen mögliche Leckagen und deren Auswirkungen anders bewertet werden.

Forschungsprojekt LC150 reduziert die Kältemittelfüllmenge

Eine Möglichkeit, das Risikopotenzial zu verringern, besteht darin, die Kältemittelmenge bereits bei der Konstruktion deutlich zu reduzieren. Genau damit beschäftigte sich das Forschungsprojekt LC150 des Fraunhofer ISE. Die Wissenschaftler untersuchten, auf welche Weise sich Kältekreise und Wärmepumpen-Module so gestalten lassen, dass sie mit erheblich weniger Kältemittel betrieben werden können. Angaben des Instituts zufolge konnte gezeigt werden, dass solche Systeme mit mindestens 50 Prozent geringerer Menge umsetzbar sind. Bei einer Anlage, die ursprünglich beispielsweise 800 Gramm Kältemittel benötigt, würde eine Halbierung also bereits eine Reduzierung auf 400 Gramm bedeuten. Höchste Relevanz hat dabei selbstverständlich, dass die Wärmepumpe trotz der geringeren Menge ihre erforderliche Heizleistung und Effizienz erreicht. Die Menge hängt unter anderem von der Gestaltung der Wärmeüberträger, dem Leitungsvolumen und dem Aufbau des gesamten Kältekreislaufs ab. Eine kompakte Konstruktion kann deshalb dazu beitragen, den Bedarf an Kältemittel zu senken. Weniger Kältemittel bedeutet im Fall einer umfänglichen Leckage auch eine weniger maximal freigesetzte Menge. Damit lässt sich ein wichtiger Faktor des Sicherheitsrisikos reduzieren. Zusätzliche Schutzmaßnahmen bleiben dennoch erforderlich.

Außenprüffeld simuliert Propan-Leckagen an Gebäuden

Neben der konstruktiven Reduzierung der Füllmenge hinaus, untersucht das Fraunhofer ISE, wie sich austretendes Propan in der Umgebung einer Wärmepumpe verhält. Dafür steht ein Außenprüffeld zur Verfügung, auf dem unterschiedliche Gebäudesituationen nachgebildet werden können. Zu den untersuchten Szenarien gehören etwa Aufstellungen an Hauswänden, in Gebäudeecken und in der Nähe von Kellerschächten. Solche baulichen Gegebenheiten beeinflussen, wie sich ein austretendes Gas verteilt. Da Propan schwerer ist als Luft, kann es sich deshalb unter bestimmten Bedingungen in tiefer gelegenen Stellen ansammeln. Insbesondere Schächte und andere Vertiefungen müssen bei der Sicherheitsbewertung in den Blicke genommen werden. Auf dem Prüfstand können die Forscher nachvollziehen, wie sich das Kältemittel nach einer simulierten Leckage sowohl zeitlich als auch räumlich ausbreitet. Im Fokus der Untersuchung steht, welche Konzentrationen an unterschiedlichen Stellen auftreten und wie sich diese im Zeitverlauf verändern. Die Versuche liefern damit Informationen, die über eine isolierte, theoretische Betrachtung hinausgehen. Sie zeigen, welche Bereiche bei bestimmten Aufstellsituationen besonders relevant sind und wo zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich werden können.

Propan-Wärmepumpen benötigen geeignete Sicherheitskonzepte

Für Hersteller sind diese Ergebnisse bei der Produktentwicklung nutzbar. Anhand der gemessenen Gasausbreitung lässt sich zum Beispiel beurteilen, an welcher Position ein Sensor zur Erkennung eines austretenden Kältemittels sinnvollerweise angebracht werden sollte. Auch die Festlegung von Sicherheitsabständen kann durch solche Untersuchungen unterstützt werden. Dabei geht es unter anderem darum, welche Bereiche im Umfeld einer Wärmepumpe frei von bestimmten Öffnungen am Gebäude oder möglichen Zündquellen bleiben müssen. Ein sehr anschauliches Beispiel ist die Aufstellung neben einem Kellerschacht. Tritt Propan aus, kann es aufgrund seiner höheren Dichte gegenüber Luft in den Schacht absinken und sich dort unter ungünstigen Bedingungen ansammeln. Szenarien wie diese müssen auch dann unbedingt berücksichtigt werden, wenn ein entsprechender Defekt im normalen Betrieb äußerst unwahrscheinlich ist. Sicherheitskonzepte sollen gerade seltene, aber potenziell folgenreiche Ereignisse beherrschbar machen. Die Forschung dient deshalb nicht nur der technischen Absicherung. Sie soll auch einen Beitrag dazu leisten, die Diskussion über brennbare Kältemittel auf eine transparente, nachvollziehbare Grundlage zu stellen. Anstelle von allgemeinen Befürchtungen treten konkrete Messwerte, definierte Versuchsbedingungen und daraus leiten sich entsprechende Schutzmaßnahmen ab.

Sicherheitsprüfungen für Wärmepumpen mit bis zu drei Kilogramm Propan

Die Untersuchungen beschränken sich dabei nicht nur auf kleine Wärmepumpen für Einfamilienhäuser. Auf dem Außenprüffeld können nach Angaben des Instituts auch Systeme mit Kältemittel-Füllmengen von bis zu drei Kilogramm betrachtet werden. Damit erweitert sich der Forschungsbereich auf weit größere Anlagen, bei denen im Fall einer Leckage entsprechend deutlich mehr Kältemittel freigesetzt werden könnte. Die dort gewonnenen Erkenntnisse sind auch für gewerbliche und industrielle Anwendungen relevant. In der Industrie kommen häufig leistungsstärkere Wärmepumpen und Kälteanlagen zum Einsatz, deren technische Auslegung und Aufstellbedingungen sich von den Geräten bei kleineren Gebäuden unterscheiden. Mit gestiegener Anlagengröße wachsen die Anforderungen hinsichtlich der Risikobewertung. Neben der Menge des Kältemittels spielen die räumlichen Gegebenheiten, die Belüftung und mögliche Ansammlungsbereiche eine wichtige Rolle. Ziel der Forschung ist es, geeignete Maßnahmen für die Sicherheit nicht pauschal, sondern anhand der tatsächlich zu erwartenden Gefährdungen zu entwickeln. Die Ergebnisse können Herstellern helfen, ihre Anlagen konstruktiv anzupassen und geeignete Installationsbedingungen festzulegen.

Zusammenarbeit mit der Industrie beschleunigt die Entwicklung

Die Sicherheitsforschung entsteht in enger Zusammenarbeit mit Unternehmen aus der Wärmepumpen- und Kältetechnik. Dabei verfolgt das Institut verschiedene Ansätze. Ein Teil der Forschungsarbeit beschäftigt sich mit Fragen, die ggf. erst in einigen Jahren für den Markt relevant werden. Hier werden zunächst grundlegende technische Möglichkeiten untersucht, bevor konkrete Lösungen gemeinsam mit Herstellern weiterentwickelt werden. Andere Projekte orientieren sich unmittelbar an aktuellen Anforderungen der Industrie. Hersteller bringen ihre praktischen Erfahrungen ein und können so dazu beitragen, die Forschung auf besonders relevante Probleme auszurichten. Finanziert werden die Arbeiten etwa durch öffentlich geförderte Forschungsprojekte, an denen sich Industriepartner beteiligen. Durch diese Ko-Finanzierung erhalten die Unternehmen Zugang zu den Ergebnissen und wirken an der Entwicklung mit. Daneben gibt es aber auch bilaterale Forschungsprojekte, bei denen das Fraunhofer Institut gemeinsam mit einem einzelnen Industrieunternehmen eine spezifische Fragestellung untersucht. Die Zusammenarbeit verbindet wissenschaftliche Untersuchungsmethodik mit Anforderungen der industriellen Produktentwicklung. Gerade bei neuen Sicherheitskonzepten ist diese Verbindung wichtig, weil technische Lösungen nicht nur unter Bedingungen im Labor funktionieren, sondern später auch in serienmäßig hergestellten Anlagen zuverlässig umgesetzt werden müssen. Für die weitere Verbreitung von Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln sind solche Forschungsarbeiten von erheblicher Bedeutung. Die Reduzierung und die Untersuchung möglicher Leckagen zeigen, wie sich die Sicherheit bereits durch konstruktive Veränderungen verbessern lässt. Damit entstehen technische Grundlagen für Wärmepumpen, die sowohl den Anforderungen des Klimaschutzes als auch den notwendigen Sicherheitsstandards gerecht werden sollen.