2.9 Kältemittel
Ein Kältemittel ist vom Deutschen Institut für Normung (DIN) als Fluid definiert, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.
Ich habe schon erläutert, dass ein Kältemittel für die Funktionsweise von Wärmepumpen essenziell ist. In Wärmepumpen zur Heizung von Einfamilienhäusern befinden sich üblicherweise 1 bis 3 kg Kältemittel, in modernen Geräten sogar deutlich weniger als 1 kg. An sich ist das Kältemittel kein Problem, solange es nicht entweicht. Genau das passiert aber häufig, entweder aufgrund eines Defekts oder am Ende der Lebensdauer der Wärmepumpe bei einer unsachgemäßen Entsorgung.
Verschiedene Kältemittel
Als Kältemittel stehen diverse Substanzen zur Wahl.
-
FCKW: Die in der Vergangenheit verwendeten Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoffe sind wegen ihrer extrem hohen Schädlichkeit für die Ozonschicht bereits seit 1990 verboten.
-
HFCKW und HFKW: Als Alternative zu FCKW haben sich teilfluorierte Gase etabliert, unter anderem Hydrogen-Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoffe (HFCKW), Hydrogen-Fluor-Kohlen-Wasserstoffe (HFKW) sowie Gasgemische, die HFCKW oder HFKW enthalten. Diese Gase zählen zur Gruppe der Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) und werden oft einfach als F-Gase bezeichnet. Ihre Schädlichkeit für die Ozonschicht ist zwar etwas geringer, sie sind aber auch starke Treibhausgase.
Der Einsatz von F-Gasen wird zunehmend limitiert: Insbesondere sollen F-Gase mit einem Treibhauspotential (GWP, siehe auch Tabelle 2.1) größer 150 ab 2027 in der EU verboten werden. Davon betroffen sind unter anderem R-32 (HFKW) und R-410A (ein Gemisch, das HFKW enthält). Diese beiden Kältemittel kommen aktuell noch in vielen marktüblichen Wärmepumpen zum Einsatz. Ab 2035 sollen dann sämtliche nicht natürlichen Kältemittel verboten werden.
-
Natürliche Kältemittel: Als »natürliche« Kältemittel gelten auch in der Natur auftretende Gase wie CO₂, Propan oder Ammoniak. Diese Kältemittel sind zwar wesentlich umweltfreundlicher, haben aber andere Nachteile: Sie weisen entweder weniger günstige thermodynamische Eigenschaften auf, sind brennbar oder giftig. Dessen ungeachtet werden ab 2028 in Deutschland nur noch Wärmepumpen gefördert, die ein natürliches Kältemittel verwenden.
Kältemittel werden üblicherweise mit einem R-Namen bezeichnet (siehe Tabelle 2.1). Dabei steht das R für Refrigerant. Die nachfolgende drei- oder vierstellige Zahl lässt mit entsprechendem Wissen Rückschlüsse auf die chemische Formel der Verbindung zu. Die nachfolgenden Buchstaben bezeichnen Varianten der Strukturformel. Wenn Sie über etwas chemisches Grundwissen verfügen, finden Sie im Wikipedia-Eintrag zu »Kältemitteln« eine ausführliche Beschreibung zur Benennungsnomenklatur.
Neben den in Tabelle 2.1 aufgezählten Kältemittel gibt es unzählige weitere, die aber für Wärmepumpen im Haushaltsbereich ungeeignet sind und nur industrielle Anwendung finden. Der Sicherheits-Code gibt Rückschluss auf Giftigkeit (A = gering, B = größer), die Brennbarkeit (1 = gar nicht, 2 = gering, 3 = groß) sowie auf die Brenngeschwindigkeit (L = gering).
Das Kürzel GWP steht für Global Warming Potential und ist eine Maßzahl für das Treibhauspotenzial. Als Referenz gilt CO₂. Das nach wie vor beliebte Kältemittel R-32 hat ein GWP von 675. Wenn nun 1 kg R-32 aufgrund eines technischen Defekts oder bei einer unsachgemäßen Entsorgung der Wärmepumpe entweicht, sind die Auswirkungen für den Treibhauseffekt so groß, als würden 675 kg CO₂ entweichen. Das ist fast so viel CO₂, wie eine Gasheizung für ein modernes Einfamilienhaus der KfW-Effizienzklasse 70 in einem halben Jahr emittiert.
Die Spalte Ozonschichtgefährdung gibt an, wie stark verschiedene Kältemittel beim Entweichen die Ozonschicht gefährden. Am schlimmsten ist dies bei den mittlerweile verbotenen Fluorchlorkohlenwasserstoffen. Aber auch von teilfluorierten Kohlenwasserstoffen geht eine erhebliche Gefahr aus.
|
Art/Gas |
Name |
Sicherheits-Code |
GWP |
Ozonschichtgefährdung |
|---|---|---|---|---|
|
FCKW |
R-22 |
– |
2106 |
sehr hoch |
|
HFKW |
R-410A |
A1 |
2090 |
hoch |
|
HFKW |
R-407C |
A1 |
1770 |
hoch |
|
HFKW |
R-134A |
A1 |
1430 |
hoch |
|
HFKW |
R-32 |
A2L |
675 |
hoch |
|
Propan |
R-290 |
A3 |
3 |
– |
|
Ammoniak |
R-717 |
B2L |
0 |
– |
|
CO₂ |
R-744 |
A1 |
1 |
– |
Tabelle 2.1 Eckdaten wichtiger Kältemittel. Aktuell in Wärmepumpen häufig eingesetzte Kältemittel sind fett hervorgehoben.
Das Kältemittel der Zukunft: Propan
Letztlich ist jedes Kältemittel ein Kompromiss aus guten und schlechten Eigenschaften. Aktuell sieht es so aus, als würde sich Propan (R-290) als Kältemittel der Zukunft durchsetzen, zumindest für Wärmepumpen in den in diesem Buch behandelten Leistungsklassen von 5 bis 25 kW. Propan hat einen GWP von nur 3. Das Gas ist, was den Treibhauseffekt betrifft, also nur dreimal so schädlich wie CO₂. Die thermischen Eigenschaften von Propan ermöglichen zudem Wärmepumpen für besonders hohe Vorlauftemperaturen bis zu 70 °C.
Der größte Nachteil von Propan besteht darin, dass es sehr gut brennbar ist. Bei einer Luftwärmepumpe im Außenbereich ist die davon ausgehende Gefahr weitgehend vernachlässigbar. Zum einen gibt es diverse Schutzvorkehrungen, die ein unkontrolliertes Entweichen verhindern; zum anderen sind die erforderlichen Mengen gering: Dem Fraunhofer-Institut ist es gelungen, eine Wärmepumpe mit 13 kW Leistung zu entwickeln, die nur 124 g Propan benötigt. (Das ist deswegen so wichtig, weil Geräte für die Innenanwendung maximal 150 g Propan enthalten dürfen.) Bei älteren Wärmepumpenmodellen ist deutlich mehr Propan erforderlich, ca. 60 g pro Kilowatt (das wären also 800 g für 13 kW Leistung).
Problematischer ist der Einsatz von Propan bei Luftwärmepumpen in Split-Ausführung bzw. bei Erdwärmepumpen, wo das gesamte Gerät oder ein Teil davon im Inneren des Hauses aufgestellt wird. Für derartige Geräte gilt ein Grenzwert von 150 g, d. h., der gesamte Kältemittelkreislauf darf nur 150 g Propan enthalten. Gerade für Split-Geräte ist dieser Grenzwert nicht einzuhalten. Dort kommt häufig das ökologisch bedenkliche, aber dafür nicht brennbare Kältemittel R-410A zum Einsatz.
Eine interessante Alternative zu Propan ist CO₂: Es ist ungiftig und nicht brennbar, erfordert aber einen höheren Betriebsdruck und macht die Wärmepumpe teurer und lauter. CO₂ eignet sich nur dann als Kältemittel, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 50 °C überschreitet, was bei Wärmepumpen im Heizungsbereich unüblich hoch ist. Generell ist die Forschung an Kältemitteln heute ein wesentlicher Aspekt für die Weiterentwicklung von Wärmepumpen.
Entscheidungskriterium Kältemittel
Das eingesetzte Kältemittel sollte ein Entscheidungskriterium für die Auswahl der Wärmepumpe sein: Über lange Zeit zukunftssicher sind voraussichtlich nur Geräte, die natürliche Kältemittel verwenden. Bei Wärmepumpen, die HFKW-Gase oder -Gemische verwenden, wird es in Zukunft keine Förderungen und womöglich verschärfte Wartungsauflagen geben.