Herausforderungen für die Verwendung von Kältemitteln in Wärmepumpen
Die Herausforderung bei der Verwendung dieser Kältemittel in Wärmepumpen besteht vor allem darin, dass fast alle geeigneten Kältemittel brennbar bzw. giftig sind. Sie gehören überwiegend den Sicherheitsgruppen A2L, A3 sowie B2 (R-717) an und müssen in der technischen Umsetzung erhöhten Anforderungen gerecht werden.
Folgende Fragestellungen sind hier von Relevanz:
Umsetzung von Sicherheitskonzepten für den Havariefall
Die Sicherheitsanforderungen zum Einsatz von Kältemitteln in Wärmepumpen sind vor allem über die EN 378 und die EN 60335-2-40 definiert. Beide Normen sind teilweise mit der Maschinenrichtlinie harmonisiert, womit der gesetzliche Rahmen für den Bau von Wärmepumpen festgelegt ist. Derartige Anforderungen können ganz unterschiedliche Sicherheitseinrichtungen zur Leckageerkennung, -vermeidung und viele weitere Maßnahmen umfassen. Doch auch nicht direkt erwähnte Maßnahmen wie die massive Reduktion innerer Volumina von Bauteilen, kann durch Einhaltung der Füllmengenlimits der EN 378 eine sehr große Rolle in der Anlagensicherheit und somit den Möglichkeiten bei der Wahl des Aufstellungsortes spielen.
Anpassung und Optimierung von Komponenten zur Reduzierung der Kältemittelmenge
Der überwiegende Anteil des Kältemittels befindet sich häufig in den Wärmeübertragern und im Rohrleitungssystem. Die Optimierung der Wärmeübertrager mit Fokus auf eine Reduzierung der eingesetzten Kältemittelmenge hat daher einen großen Hebel für die Gesamtmenge. Eingesetzt werden dafür alle Typen bekannter Wärmeübertrager wie Platten-, Rundrohr-Lamellen- (mit geeigneten Rohrnennweiten) sowie Microchannelwärmeübertrager, wobei die gleichmäßige Verteilung des Kältemittels in Platten- und Microchannelwärmeübertragern noch eine wissenschaftlich-technische Herausforderung darstellt, die an verschiedenen Forschungseinrichtungen adressiert wird.
Auswahl des Kältemittels
Die Auswahl des Kältemittels berücksichtigt Aspekte wie thermodynamische Eignung, Verfügbarkeit, Umweltfreundlichkeit, Kosten, Verwendbarkeit bisheriger Anlagenkonzepte.
Die Kosten der synthetischen Kältemittel übersteigen bereits heute die Kosten von natürlichen Kältemitteln. Dies liegt einerseits an der Regulierung durch die F-Gasverordnung, aber gerade auch an den höheren Herstellungskosten dieser Kältemittel. Es müssen somit Marktverfügbarkeit, Kosten sowie die Anlageneffizienz als Kriterien zur Auswahl eines Kältemittels miteinander verglichen werden.
Kältemittelhersteller bringen deswegen vermehrt Mischungen auf den Markt, um Eigenschaften bzw. Funktionalitäten durch die Mischungszusammensetzung mitzugegeben. Basis sind häufig etablierte kostengünstige A2L Einstoffkältemittel wie R-1234yf oder R-32. Es werden exakte Schwellwerte (GWP < 150) als Zielvorgabe eingestellt und kostenintensiv synthetisierte Einstoffkältemittel mit diesen etablierten Kältemitteln gemischt, um z.B. die Brennbarkeit zu reduzieren. Die Umweltverträglichkeit und Langzeitstabilität der Mischungen ist im Einzelfall genau zu prüfen.
Natürliche Kältemittel wie R-290, R-1270, R-E170 sind ebenfalls technisch erprobt, thermodynamisch geeignet und zeichnen sich durch eine hohe Verfügbarkeit, Klimaneutralität und geringe Kosten aus. Die Stoffeigenschaften erlauben die Abdeckung vieler Betriebsbedingungen mit nur einer Verdichtungsstufe, was die Kreislaufkosten gering hält und bedingt durch die niedrige volumetrische Kälteleistung und die geringe Viskosität bei gleichzeitig hohen Wärmeübertragungskoeffizienten kompakte Anlagen ermöglicht.
Die skizzierten Fragestellungen ziehen teilweise detaillierte Untersuchungen auf Material- und Komponentenebene nach sich, die im Einzelfall technisch, energetisch und wirtschaftlich zu bewerten sind.
So müssen beispielsweise Verdichter jeweils für den Einsatz mit den Kältemitteln oder Kältemittelgemischen qualifiziert und zugelassen sein. In Bezug auf die Brennbarkeit oder Veränderung der Gemischzusammensetzung hat die Endkontrolle mit Dichtheitsprüfung von fabrikgefertigten Anlagen – was inzwischen branchenweiter Standard ist – zu einer höheren Dichtigkeit geführt, so dass eine Entmischung oder ein Entweichen weniger wahrscheinlich ist.