Fraunhofer ISE meldet Effizienzrekord für Wärmepumpen-Kältekreis mit Propan

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Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE befasst sich nicht nur mit Photovoltaik-Anlagen, sondern widmet sich auch der Verbesserung von Wärmepumpen. Gemeinsam mit Herstellern der Produkte arbeiten sie zum einen an Kostensenkungen und zum anderen an nachhaltigen Kältemitteln. Im Fokus des Forschungsprojekts „low charge 150 g“ (LC150) steht ein standardisierter und kältemittelreduzierter Propan-Kältekreis.

Bereits seit Oktober 2021 würden in dem Projekt Prototypen für Solar-Wärmepumpen gebaut, bei denen die Komponenten – also Verdampfer, Verdichter, Kondensator, Wärmeübertrager und Expansionsventil – in verschiedenen Konstellationen zusammengesetzt werden. Bisher seien auf der Suche nach der idealen Wärmepumpe 26 Geräte entstanden, von denen 14 bereits an Testständen für jeweils 2 Wochen rund um die Uhr vermessen und geprüft worden seien.

In der bislang besten Konstellation der Komponenten sei die maximale Heizleistung von 12,8 Kilowatt mit nur 124 Gramm Propan bei einer Effizienz von 4,7 erreicht worden. Die Effizienz gibt das Verhältnis der erzeugten Wärme zum eingesetzten Strom an. Die notwendige Kältemittelmenge pro Kilowatt Heizleistung habe damit nur bei 9,7 Gramm gelegen. Dies sei ein Effizienzrekord, so die Freiburger Forscher. „Das entspricht etwa der Propan-Menge in fünf Feuerzeugen“, vergleicht Projektmanager Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE. Das Ziel des Projekts sei damit bereits mehr als erfüllt, denn die spezifische Kältemittelmenge sollte auf 15 bis 30 Gramm pro Kilowatt reduzieren werden. Handelsübliche Wärmepumpen liegen nach Angaben des Fraunhofer ISE bei etwa 60 Gramm Propan pro Kilowatt.

Ziel des Projekts „LC 150“ ist es, eine spezifische Füllmenge von 15 bis 30 Gramm Propan pro Kilowatt Kälteleistung zu erreichen. Der nun erreichte Rekordwert liegt sogar darunter.

Grafik: Fraunhofer ISE

Die Ergebnisse aus dem Labor seien jedoch in dieser Form noch nicht marktreif. Bei dem Rekord-Kältekreis sei ein halbhermetischer Automobil-Verdichter eingesetzt worden, heißt es zur Begründung. Diese Verdichter benötigen wegen der hohen Drehgeschwindigkeit und geringen Ölmengen weniger Kältemittel bei höheren Leistungen, sind allerdings nicht auf die hohen Betriebsstunden einer Wärmepumpe über 20 Jahre ausgelegt. Der Hersteller arbeite jedoch bereits an vollhermetischen Verdichtern mit längerer Haltbarkeit.

Die finale Ausführung des Rekordkältekreises würde mit etwas mehr Kältemittel und einem etwas größeren Wärmeübertrager umgesetzt, um ein ausgewogeneres System zu erreichen, wie es weiter hieß. Die Ziele des Projekts „LC 150“ – ein Kältekreis mit 8 bis 10 Kilowatt Leistung bei einer maximalen Füllmenge von 150 Gramm Kältemittel – seien damit auch unter realen Einsatzbedingungen erreichbar, geben sich die Forscher des Fraunhofer ISE zuversichtlich. Der zweitbeste Kältekreis, bei dem ein herkömmlicher vollthermischer Verdichter eingesetzt wurde, erreichte das Forschungsziel im Testprogramm. Er kam auf eine Füllmenge von 164 Gramm Propan bei einer Effizienz von 4,8 und einer Heizungsleistung von 8,1 Kilowatt. Mit einer Füllmenge von weniger als 150 Gramm Propan können in Deutschland Wärmepumpen auch innerhalb der Gebäude installiert werden, wie eine Sprecherin des Fraunhofer ISE auf Anfrage von pv magazine erklärte.

Neben dem Verdichter gibt es nach Ansicht des Fraunhofer ISE weitere wichtige Stellschrauben, um die Menge des eingesetzten Kältemittels zu senken. So könnten das innere Volumen der Wärmeübertrager und die benötige Ölmenge reduziert werden oder auch Zusatzbauteile wie Sensoren auf das Nötigste beschränkt werden. Die Rohrleitungen würden so kurz wie möglich gehalten, um die inneren Volumina zu reduzieren, erklären die Wissenschaftler.

Das Forschungsprojekt „LC150“ läuft noch bis zum kommenden März. Es wird vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Aus der in den Kreuztests gewonnenen Datenbasis sollen methodische Zusammenhänge ableiten werden, um kältemittelreduzierte Wärmepumpen zukünftig mit weniger Aufwand auslegen zu können. An dem Projekt beteiligt ist zudem die Polytechnische Universität von Valencia. Die spanischen Wissenschaftler entwickeln mit ihrer Software IMST-Art ein Werkzeug für simulative Voraussagen. Während der Messkampagne werden diese Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Messwerten abgeglichen.

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