Was sind Kältemittel und was haben diese mit der Funktion einer Wärmepumpe zu tun?
Kältemittel und Wärmepumpe klingt zuerst einmal nach einer unwahrscheinlichen Kombination. So mag es hingegen weniger erstaunen, dass Kältemittel wie Propan auch in Kühlschränken und Kältemaschinen für Industrie vorkommen. Tatsächlich sind aber auch R290 Wärmepumpen im Prinzip Maschinen aus der Kältetechnik – die Erklärung dafür findet sich in deren Funktionsweise:
Ein Kühlschrank gibt die eigene warme Luft nach aussen in die Küche ab, bis der Kühlschrank kalt ist. Dadurch erwärmt sich eigentlich auch die Küche, das ist aber kaum spürbar, weil das Luftvolumen in der Küche verglichen mit dem Kühlschrank deutlich größer ist. Die Wärmepumpe dreht dieses Prinzip um: Anstatt warme Luft aus dem Haus zu transportieren wird Wärmeenergie von aussen nach Innen transportiert. Weil das Luftvolumen draußen um ein Vielfaches größer ist, als das Volumen in Ihrem Haus ist die Abkühlung aussen absolut vernachlässigbar, Ihr Haus hingegen wird dadurch spürbar wärmer.
Video zur Funktionsweise der Wärmepumpe des BWP
Problematisch ist allerdings, dass eine Wärmepumpe nicht einfach direkt Luft transportieren kann. Denn wenn draussen Minustemperaturen herrschen, dann fühlt sich diese im Inneren keineswegs komfortabel an, Sie wünschen sich vielmehr komfortable 20-25°C. Dafür wird ein Trick eingesetzt für den Kältemittel unerlässlich sind. In der Umwelt ist immer Wärmeenergie vorhanden, selbst wenn die Temperaturen negativ sein sollten. Diese wird entweder direkt über die Luft oder über Sole-Kreisläufe bei der Wärmepumpe gesammelt. Dort zirkuliert das Kältemittel in einem separaten Kreislauf. Kältemittel für Wärmepumpen, wie etwa Propan (R290) haben verglichen mit Wasser einen tiefen Siedepunkt. Wenn diese im kühlen flüssigen Zustand also die Umgebungswärme aufnehmen, werden sie durch die zusätzliche Wärmeenergie im Verdampfer gasförmig. Um diesen Moment zu optimieren, spielen Kältekreisläufe auch mit dem Druck.
Im nächsten Schritt wird Propan oder jedes andere verwendete Kältemittel im Kondensator verdichtet. Das geht nur effizient, wenn es im gasförmigen Zustand ist. Der Kondensator wird mit elektrischer Energie betrieben. Durch die Verdichtung des Kältemittels erwärmen sich die Moleküle weiter, sodass das Kältemittel in der Wärmepumpe nun eine deutlich höhere Temperatur aufweist, als die ursprüngliche Quelltemperatur von Luft oder Erdreich. Gasförmig und sehr heiß gelangt es nun den Verflüssiger, wo der Aggregatszustand wieder ins Flüssige wechselt. Dabei gibt es die Wärme an das Heizverteilsystem ab. Das kann ein luft- oder wasserbasiertes Verteilsystem sein, das nun Radiatoren oder Fussbodenheizungen erwärmt.
Das Kältemittel hingegen wird durch das Expansionsventil gelassen, wo sich der Druck wieder normalisiert. Zurück im flüssigen und abgekühlten Zustand, kann sich der ganze Kreislauf nun wiederholen. Diesem relativ unbekannten Medium kommt also eine zentrale Rolle zu, wenn es darum geht, sparsam zu heizen. Wir merken also, warum Propan und andere Kältemittel bei Herstellern zu einem wichtigen Thema geworden sind.
Was macht ein gutes Kältemittel aus?
Warum aber ist eine R290 Wärmepumpe anders als eine Wärmepumpe mit einem anderen Kältemittel und spielt diese Wahl denn wirklich eine Rolle? Dafür müssen wir verstehen, dass Kältemittel sich in ihrer Zusammensetzung auf molekularer Ebene relativ stark unterscheiden. Das wirkt sich aus auf ihre thermodynamischen Eigenschaften, welche für Energieeffizienz wesentlich sind. Gleichzeitig werden aber auch Umweltfreundlichkeit, sowie Einfachheit des Umgangs von der jeweiligen Zusammensetzung beeinflusst.
5 Gruppen von Kältemitteln
- Vollhalogenierte Fluor-Chlor Kohlenwasserstoffe (abgekürzt FCKW) sind starke Treibhausgase (klimaerwärmend -> ausgedrückt in einer hohen GWP Zahl) und bauen die Ozonschicht stark ab (mit einem hohen ODP-Wert ausgedrückt)
- Teilhalogenierte Fluor-Chlor Kohlenwasserstoffe (HFCKW) sind ähnlich problematisch aber nicht ganz so schädlich für die Ozonschicht.
- Teilhalogenierte Fluor Kohlenwasserstoffe (HFKW, manchmal auch FKW) weisen zwar kein Chlor auf (ozonschichtabbauend), sind aber dennoch starke Treibhausgase und damit klimaschädlich. Viele der häufigsten Kältemittel in Wärmepumpen fallen in diese Kategorie.
- Hydro-Fluor-Olefine (HFO, manchmal auch «low-GWP refrigerant») sind die ungesättigten Geschwister der HFKW. Weil eine doppelte Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen, die HFO instabil macht, halten sich diese weniger lang in der Atmosphäre und richten daher über längere Zeit weniger Schaden an. Dennoch sind sie weit von klimaneutral entfernt.
- Natürliche Kältemittel, zu welchen etwa Propan zählt, sind mit Abstand die umweltfreundlichsten Kältemedien. Wie der Name schon vermittelt, sind sie keine künstlichen Erzeugnisse, sondern in der Natur vorkommende Substanzen. Weder bauen Sie die Ozonschicht ab, noch haben sie einen starken klimaerwärmenden Effekt. Typischerweise sind sie in der Anwendung jedoch anspruchsvoller. Aufgrund von Brennbarkeit, Toxizität oder schwierigen notwendigen Bedingungen. Diesen Herausforderungen ist allerdings mit der geeigneten Architektur gut beizukommen
Wie unterscheiden sich die Kältemittel in Bezug auf Ihre Umweltfreundlichkeit?
Umwelttechnisch gesehen, sind also die synthetischen Kältemittel (die vier erstgenannten Gruppen) allesamt problematisch. Gefährlich wird das, wenn im Kältekreislauf ein Leck auftaucht. Das geschieht im Schnitt etwa bei jeder zehnten Maschine einmal. Mit etwas Glück gelangt dabei nur ein kleiner Teil der Füllmenge in die Umwelt, vielfach sind diese Leckagen aber bedeutsam und mehr als die Hälfte dieser oft starken Treibhausgase gelangt in die Umwelt. Das kann bald einmal so viel CO2 freisetzen wie ein ganzes Jahr Heizen mit Öl. Deshalb sind die ozonschädigenden FCKW & HFCKW sind in der EU seit der Jahrtausendwende verboten. Die anderen beiden synthetischen Kältemittelgruppen HFKW und HFO werden hingegen nach wie vor eingesetzt. Bereits 2006 hat sich die Europäische Union diesem Thema aber weiter angenommen. Im Rahmen der sogenannten F-Gas Verordnung wurde eine schrittweise Reduktion dieser Kältemittel eingeleitet. 2015 wurde diese erneut deutlich verschärft, damit der Ausstieg schneller vorangeht. So gibt es alle 2-3 Jahre weniger Kältemittel, die in Neuanlagen verwendet werden dürfen und in wenigen Fällen sogar ein Nachfüllverbot.
Damit ist die Gesetzgebung, als Reaktion auf die Umweltschädlichkeit ein wesentlicher Treiber für die Bewegung hin zu natürlichen Kältemitteln wie Propan in Wärmepumpen. So war und ist R401a (ein Gemisch aus HFO und HFKW) eines der verbreitetsten Kältemittel in Wärmepumpen. Ab 2025 jedoch dürfen Maschinen mit weniger als 3kg Kältemittelfüllmenge und einem Kältemittel mit GWP 750+ nicht mehr installiert werden (R410a hat einen GWP von 2088!). Das übt somit Druck auf die Hersteller dieser Modelle aus. Auch im laufenden Jahr ist eine weitere Verschärfung der F-Gas Verordnung wieder auf dem Tisch.
Das stösst auf geteilte Meinungen. Firmen, welche viel investiert haben um ihren Kunden früh umweltschonende Wärmepumpen zu liefern würden eine Verschärfung der Vorschriften begrüßen. Denn jede Wärmepumpe, die jetzt mit klimaschädlichen Kältemitteln eingebaut wird, schädigt die Wärmewende noch über Jahre hinweg. Gleichzeitig gibt es auch Hersteller, die zwar über die Kältemittel-Problematik informiert waren, aber bisher darauf zählten, dass Wärmepumpen auch in den schädlicheren Modellen lange als umweltfreundlich wahrgenommen werden. Entsprechend sträuben diese sich dagegen ihre gesamte Modellreihe zu überarbeiten. Fakt ist auch, dass davon insbesondere asiatische Hersteller und die Produzenten im Niedrigpreissegment stärker betroffen wären.
Welche thermodynamischen Eigenschaften machen Propan besonders effizient?
Wären die Umweltauswirkungen der einzige Gradmesser würden Wärmepumpen mit Wasser laufen und die Maschinen wären chancenlos bei der Verdrängung von fossilen Heizungen. Tatsächlich gibt es einige Punkte die für R290 Wärmepumpen sprechen und Gebiete in welchen jedes Kältemittel ordentlich abschneiden muss.
Vorteilhaft ist auf jeden Fall eine möglichst hohe sogenannte volumetrische Kälteleistung. Das bedeutet die potenzielle Kühlleistung eines Kältemittels ist sehr groß relativ zum Volumen oder noch einfacher ausgedrückt: wenig Kältemittel bringt bereits eine große Leistung. Entsprechend kann beispielsweise ein kleiner Verdichter eingesetzt werden, womit die ganze Maschine weniger Platz benötigt. Ein Vergleich von R410a und R290 Wärmepumpen zeigt, dass erstere für dieselbe Leistung oft ca. doppelt so viel Kältemittel benötigen.
Genauso wichtig sind aber das Verhalten unter Druck, sowie Siede- und Gefrierpunkt. Das Kältemittel durchfließt den Kältekreislauf im Idealfall mehrere Jahre lang und wird dabei stetig mit Druck so manipuliert, dass die Effizienz maximiert wird. Wenn Druckverluste bei der Strömung groß sind, so ist es schwierig den Druck immer auf dem gewünschten Niveau zu halten und somit das Beste aus der Maschine herauszuholen. Keinesfalls sollte das Kältemittel außerdem im Kreislauf gefrieren und der Wechsel von flüssig zu gasförmig sollte bei der entsprechenden Quelltemperatur möglichst leichtfallen und schnell vonstattengehen. Das alles sind wichtige Kriterien, welche die Hersteller von Wärmepumpen bei der Auswahl des besten Kältemittels beachten müssen. Zum Teil hängen diese auch von der Anwendung ab. Die R290 Wärmepumpe hat sich vor allem darum so schnell verbreitet, weil Propan viele ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften aufweist. Insbesondere wenn es um das Erreichen von höheren Temperaturen (wie etwa im Altbau) geht, hängt Propan (R290) viele Alternativen ab. Gleichzeitig ist die Umweltverträglichkeit, wie oben ausgeführt, ausgezeichnet.
Welche Kriterien bestimmen den Umgang mit Kältemitteln und die Einfachheit der Installation von Wärmepumpen?
Während Umweltfreundlichkeit eindeutig für natürliche Kältemittel spricht und die Thermodynamik im Fall von Propan ebenfalls vorteilhaft ausfällt, verhält es sich im Umgang mit diesen Kältemitteln um einiges uneindeutiger. Die häufig verwendeten natürlichen Kältemittel CO2 (bei hoher Luftkonzentration tödlich), Ammoniak (giftig und brennbar), Propan & Butan (beide brennbar) haben alle ihre Nachteile. Im Gegensatz zu schlechten thermodynamischen Eigenschaften, kann diesen Nachteilen allerdings allen begegnet werden, in dem die Maschine entsprechend angepasst wird.
Eine moderne Propan-Wärmepumpe verfügt über zusätzliche Sicherheitsmechanismen. Das ist sogar gesetzlich geregelt unter anderem mit zusätzlichen Sicherheitsabständen zu Kellertüren und Lichtschächten. Der Kältekreislauf ist hermetisch abgeriegelt und dicht, außerdem wird durch die Trennung vom Wasserkreislauf auch dahingehend jedes Risiko verhindert. Zusätzliche Gassensoren bieten ausserdem ein erweitertes Frühwarnsystem. Hersteller, die schon früh mit Propan experimentiert haben, leisteten einen wesentlichen Beitrag dazu, dass das Kältemittel heutzutage zunehmend in Wärmepumpen gefunden wird. Seit den ersten Investitionen in Weiterentwicklung der Sicherheitsarchitektur ist viel Zeit vergangen. Obwohl diese nach wie vor höhere Ansprüche an Qualität stellt, hat eine Vielzahl von Herstellern das Thema unterdessen gut im Griff.
Wer sollte auf natürliche Kältemittel in der Wärmepumpe achten?
Obwohl lange Zeit vernachlässigt, steigen Kältemittel also immer mehr zu einem wichtigen Entscheidungskriterium beim Kauf einer Wärmepumpe auf. Aus Gründen der Umweltfreundlichkeit lohnt es sich auf jeden Fall darauf zu achten, dass die Maschine mit natürlichen Kältemitteln läuft. Weil diese selten im Nachhinein umgerüstet werden kann sollten Sie das schon beim Kauf tun. Eine bestehende und funktionierende Wärmepumpe jedoch gleich zu ersetzen, weil dieses noch mit synthetischen Mitteln läuft, wäre aber ein sehr radikaler Schritt.
Wichtige Argumente die auch für natürliche Kältemittel sprechen sind die zunehmende Regulierung im Sektor, die eindeutig weg von den synthetischen Kältemitteln in der Wärmepumpe geht. Es ist damit zu rechnen, dass Verbote nur noch zunehmen. Im schlimmsten Fall wird das sogar Wartungen faktisch verunmöglichen. Die Politik unterstützt die Verbreitung von R290 in Wärmepumpen, sowie anderen natürlichen Kältemitteln bereits mit höheren Fördersätzen was in mehreren tausend CHF Ersparnissen beim Kauf resultiert.
Weil Propan gerade in älteren Gebäuden ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften entfalten kann, hat das Kältemittel kaum Nachteile. Bemängeln könnte man allenfalls eine eingeschränktere Auswahl, da viele Hersteller nach wie vor nur langsame Schritte Richtung mehr Klimaschutz unternehmen und nur gerade so schnell wechseln wie die Gesetzgebung das mindestens verlangt.
