Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Gut für das Klima
Auf der Internationalen Sanitär- und Heizungsmesse ISH 2023 in Frankfurt am Main war eine interessante Entwicklung zu beobachten: Fast alle Aussteller von Wärmepumpen zeigten Modelle, die als Kältemittel das natürliche Propan (R290) nutzen. Die Notwendigkeit zur dieser Neuausrichtung ergibt sich unter anderem aus der F-Gase-Verordnung der EU, nach der viele der bisher verwendeten synthetischen Kältemittel in Zukunft nicht mehr eingesetzt werden können. Deshalb schuf das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zusammen mit den wichtigsten europäischen Wärmepumpenherstellern den Prototypen eines neuartigen Kältekreises, in dem Propan (R290) zirkuliert.
Verwendung von F-Gasen limitieren
Bis heute noch werden für Heizungswärmepumpen in erster Linie teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) als Kältemittel eingesetzt; Beispiele sind R410A, R407C oder R134a. Diese und alle weiteren als F-Gase bekannten Kältemittel kommen in der Natur nicht vor, müssen also gezielt hergestellt werden. Verwendet werden sie nicht nur in Wärmepumpen, sondern auch in Kühl- und Gefrieranlagen.
F-Gase haben ein unterschiedlich großes Global Warming Potential (GWP), mit dem sie das Klima schädigen. Der GWP-Wert wird ausgedrückt als ein CO2-Äquivalent (kg CO2-eq). Ein Beispiel mag den Zusammenhang verdeutlichen: Beim Kältemittel R410A liegt der GWP100-Wert bei 2088 (kg CO2-eq), bezogen auf 100 Jahre. Das bedeutet, dass ein Kilogramm dieses Kältemittels innerhalb der ersten 100 Jahre nach der Freisetzung 2088 Mal so stark zum Treibhauseffekt beiträgt wie ein Kilogramm CO2. Mit solchen Werten tragen F-Gase erheblich zum Klimawandel bei. Deutlich besser sieht es bei natürlichen Kältemitteln aus, zum Beispiel bei R290 (Propan): Dessen GWP-Wert liegt bei 3 (kg CO2-eq).
Um die Anwendung von Kältemitteln mit hohem GWP-Wert und klimaschädigender Wirkung limitieren zu können, schuf die EU die F-Gase-Verordnung. Der wichtigste Ansatz ist das sogenannte „Phase down“-Verfahren, bei dem alle im Markt vorhandenen F-Gase-Mengen schrittweise verknappt werden. Auf diese Weise soll es gelingen, die Verwendung von F-Gasen bis zum Jahr 2030 nach und nach auf ein Fünftel der heutigen Verkaufsmenge zu reduzieren.
Das für die Umsetzung der Verordnung erforderliche Prozedere sieht folgendermaßen aus: Unternehmen, die pro Kalenderjahr F-Gase beziehungsweise HFKW in Mengen von 100 Tonnen CO2-Äquivalent (CO2e) oder mehr in den Verkehr bringen wollen, benötigen dazu eine Quote. Hierzu müssen sie sich über ein F-Gas-Portal der EU registrieren und ihre Absicht, HFKW in den Verkehr bringen zu wollen, bei der Europäischen Kommission anmelden. Das Anmeldeformular verlangt unter anderem Angaben über die voraussichtlichen Mengen, die in Verkehr gebracht werden sollen. Gleichzeitig besteht die Pflicht zur Berichterstattung über den tatsächlichen Verbrauch.
Fluorierte Gase wurden in den vergangenen Jahrzehnten in Kälte- und Wärmepumpenanlagen häufig eingesetzt. Heute weiß man, dass diese Gase den Treibhauseffekt verstärken. Die bessere Wahl in nahezu jedem Einsatzgebiet sind natürliche Kältemittel. Dazu zählen zum Beispiel Kohlenwasserstoffe (KW) wie Propan/R290 (C3H8), Kohlendioxid/R744 (CO2), Ammoniak/R717 (NH3) und Wasser R718 (H2O).
Die Vorteile der Verwendung natürlicher Kältemittel sind zahlreich:
Sie sind in unbegrenzter Menge verfügbar und deswegen entsprechend preiswert.
Mit ihrem sehr niedrigen GWP-Wert schützen sie das Klima.
Sie verfügen – vor allem, wenn eine Anlage speziell für das jeweilige Kältemittel konzipiert wurde – über eine hohe Energieeffizienz.
Sie unterliegen keinen Regulierungen durch die EU-F-Gas-Verordnung und können deshalb weder verknappt, verteuert oder gar verboten werden.
Beim Umrüsten einer Anlage von fluorierten zu natürlichen Kältemitteln ist eine Förderung möglich.
R290 (Propan) als Kältemittel für Wärmepumpen
Die genannten Klimaschutzvorschriften und viele Vorteile natürlicher Kältemittel haben die Hersteller von Wärmepumpen Ausschau halten lassen nach einem geeigneten Ersatz für die bisher verwendeten synthetischen Kältemittel. Viele Verantwortliche haben sich für Propan (R290) entschieden, ein farbloses Gas, das zu den Kohlenwasserstoffen (KW) gehört. Es wird bereits seit längerem als Kältemittel in Kühlgeräten und -anlagen eingesetzt. Seine Vorteile liegen in der breiten Verfügbarkeit und den sehr guten thermodynamischen Eigenschaften. Weitere Pluspunkte: Das Erderwärmungspotential (GWP) liegt bei einem sehr niedrigen Wert von 3 [kg CO2-eq]; das Ozonabbaupotenzial (ODP) ist gleich 0.
Auf der anderen Seite hat Propan (R290) auch Nachteile: Der erste besteht darin, dass sich Propan, da es schwerer ist als Luft, bei einem versehentlichen Austreten an der tiefsten Stelle eines Raumes ansammelt, was bei Betreten des Raumes schnell zu einer Sauerstoffunterversorgung führen kann. Hier ist also Vorsicht geboten.
Ein wesentlich größerer Nachteil besteht jedoch darin, dass Propan sehr leicht entzündbar ist. Das erfordert einen hohen Aufwand für Sicherheitskonzepte, wobei der Schutz vor Leckagen im Kältekreislauf im Vordergrund steht. Zum Einsatz kommen deshalb nicht nur vollhermetische Verdichter, bei denen sich Motor und Kompressor in einem gekapselten Gehäuse befinden; auch das in der Regel aus Kupfer bestehende Rohrleitungsnetz, in dem das Kältemittel zirkuliert – vom Expansionsventil zum Verdampfer, von dort über den Verdichter (Kompressor) zum Verflüssiger, dann zurück zum Expansionsventil (Bild) – muss so ausgeführt werden, dass kein Propan (R290) entweichen kann. Außerdem muss die Füllmenge so klein wie möglich gehalten werden.
Autor: Wilhelm Wilming
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