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Energiewende

Wärmepumpe verwendet Propan als Kühlmittel

| Redakteur: Rebecca Vogt

Forscher haben nach einem Weg gesucht, die klimaschädlichen F-Gase in Wärmepumpen zu ersetzen. Um das leicht brennbare Propan als Alternative verwenden zu können, entwickelten sie einen Verteiler, dessen Struktur den Ästen eines Baums gleicht.

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Vorbild Natur: Der neu entwickelte Verteiler (Modell) orientiert sich an den Ästen eines Baums, die sich immer weiter verzweigen.
Vorbild Natur: Der neu entwickelte Verteiler (Modell) orientiert sich an den Ästen eines Baums, die sich immer weiter verzweigen.
(Bild: Fraunhofer-ISE)

Mit Wärmepumpen lässt sich Energie aus der Umwelt aufnehmen und anschließend zum Heizen verwenden. Die Funktionsweise ähnelt dabei der eines Kühlschranks. Hier nimmt das Kältemittel die Wärme aus dem Inneren auf und befördert sie durch die Rückwand nach draußen, wo die Wärme dann ungenutzt verpufft. Die Wärmepumpe bezieht ihre Energie aus der Erde, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft. Anders als beim Kühlschrank kann die so gesammelte Wärme anschließend weiterverwertet werden – zum Heizen oder für die Warmwasserzubereitung.

Propan als Ersatz für umweltschädliche F-Gase

Hierzu verdichtet man das erwärmte, dampfförmige Kältemittel, wodurch sich dessen Temperatur und Druck erhöhen. Anschließend gibt das heiße Kältemittelgas seine Wärme an Wasser ab und kondensiert. Das warme Wasser wiederum strömt in Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Warmwasserspeicher, während das abgekühlte, flüssige Kältemittel zurück in den Verdampfer fließt, um dort erneut Wärme­energie aufzunehmen und den Kreislauf von vorne zu beginnen.

Als Kältemittel kommen meist synthetische Stoffgemische zum Einsatz. Jedoch enthalten diese umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase). Bereits im Juni 2014 hat die Europäische Kommission beschlossen, dass diese Gase schrittweise vom Markt genommen werden müssen. Eine umweltfreundliche, natürliche Alternative zu den synthetischen Kältemitteln ist Propan, welches in Klima- und Kälteanlagen bereits in zunehmendem Maß verwendet wird, im Bereich der Wärmepumpen jedoch weit weniger verbreitet ist.

Wärmepumpe nutzt Verteiler mit bionischer Struktur

Für die Energiewende sind Wärmepumpen indes ein wichtiger Baustein. Im Rahmen eines Konsortiums haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) daher zusammen mit anderen europäischen Wissenschaftlern an einer Wärmepumpe gearbeitet, die an Stelle der umweltschädlichen Treibhausgase Propan als Kältemittel verwendet. Das Gas verfügt über sehr gute thermodynamische Eigenschaften. Allerdings ist es leicht brennbar, was eine Herausforderung für die Verwendung im Wärmekreislauf darstellt. „Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten, um das Sicherheitsrisiko zu reduzieren“, erklärt Dr. Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer-ISE.

Vom Spaghettihaufen zum verzweigten Astsystem

Um diese Vorgabe zu erreichen, setzten die Forscher hochkompakte, gelötete Lamellenwärmeübertrager ein, welche auch mit geringen Flüssigkeitsmengen gut funktionieren. In den Wärmeübertragern wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus zahlreichen parallel verlaufenden Kanälen, in denen das Kältemittel zirkuliert. „Die Flüssigkeit soll über die Lauflänge vollständig verdampfen beziehungsweise wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen das gleiche Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will“, berichtet Schnabel.

Die Forscherin und ihr Team entwickelten vor diesem Hintergrund einen Verteiler mit bionischer Struktur. „Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Unser Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur – wie die Äste und Zweige eines Baums.“ So werde eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels in die einzelnen Verdampferkanäle auch bei einer geringen Menge möglich. Die gesamte Wärmeübertragerfläche könne optimal genutzt und die Effizienz gesteigert werden.

Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren, verwendeten die Wissenschaftler einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Die einzelnen Bauteile der Pumpe wurden zudem laut Fraunhofer-ISE besonders sorgfältig miteinander verbunden, damit kein Propan entweichen kann. Wie Schnabel berichtet, modifizieren die Forscher momentan die technische Gestaltung der Wärmepumpe und prüfen die Bauteile im Langzeitverhalten. Auch tragfähige Sicherheitskonzepte sollen erstellt werden.

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