Kältemittel in Wärmepumpen

Die neue F-Gase-Verordnung ist am 11. März 2024 in Kraft getreten. Seitdem wird viel über Verbote diskutiert. Verfolgt man die öffentliche Diskussion darüber, entsteht der Eindruck, dass der Einsatz synthetischer Kältemittel nun bzw. zeitnah grundsätzlich verboten sei. Das ist falsch. Auch mit der Verordnung (EU) 2024/573 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 7. Februar 2024 über fluorierte Treibhausgase haben synthetische Kältemittel nach wie vor ihre Daseinsberechtigung. Dazu eine wichtige Bemerkung: Produktverbote gelten ausschließlich für neu in den Verkehr gebrachte Produkte. Produkte, die auf Lager sind, dürfen weiter verkauft, eingebaut und betrieben werden.

Die zentrale Anforderung an Kältemittel ist, dass sie selbst bei niedrigen Temperaturen ihren Aggregatzustand schnell ändern müssen (von flüssig zu gasförmig und wieder zurück), um Kälte oder Wärme bei kleinen Füllmengen transportieren zu können. In den 1980er Jahren wurden noch chlorierte Kohlenwasserstoffe (FCKW, HFCKW) eingesetzt. Diese sind mittlerweile verboten, weil sie für den Ozonabbau in der Erdatmosphäre verantwortlich waren. Sie wurden durch fluorierte, bzw. teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW, HFKW) ohne Ozonabbaupotenzial ersetzt. Doch diese haben teilweise ein höheres Treibhauspotenzial (GWP=Global Warming Potential).

Gesetzliche Regelungen sowie höhere Anforderungen an die Energieeffizienz und Klimaverträglichkeit der Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik haben dazu geführt, dass sich der Markt hin zu Kältemitteln mit möglichst niedrigem Treibhauspotenzial entwickelt hat. Mit der Neufassung der F-Gase Verordnung wird sich dieser Trend weiter beschleunigen. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen in Monoblock Bauweise ist dabei zu beobachten, dass vermehrt Wärmepumpen mit Propan (R-290) auf den Markt gebracht werden.

Anwendungsfall entscheidet

Die Wahl des Kältemittels hängt vom Anwendungsfall ab. Für die Dekarbonisierung des Gebäudesektors ist Flexibilität bei der Auswahl des Kältemittels notwendig, da verschiedene Anwendungen unterschiedliche Herausforderungen mit sich bringen. Die neue F-Gase-Verordnung berücksichtigt dies, indem sie bei Leistungen über 12 kW weitere Verringerungen beim GWP vorschreibt, aber kein gänzliches Verbot von F-Gasen vorsieht.

Die aktuell vorgesehenen Verbote bei Anlagen < 12 kW ab 2032 bzw. 2035 müssen bis spätestens 2030 von der EU Kommission bestätigt werden, ob an ihnen festgehalten werden kann oder ob Änderungen bei den Verboten vorgenommen werden müssen. Daikin verfolgt die Strategie, für jeden Anwendungsfall das geeignete Kältemittel auszuwählen. Dabei sind die Klimaverträglichkeit des Kältemittels sowie die Effizienz der Anlage wichtig. Auch die Kosten für Investition, Installation und Betrieb spielen eine wichtige Rolle.

Klassifizierungen

Ein wichtiger Aspekt bei der Entscheidung für ein Kältemittel ist, wie sicher es in der Handhabung ist. Die Klassifizierungsnorm ISO 817:2014 stuft Kältemittel nach ihrer Entflammbarkeit in vier Klassen ein. Einige Kältemittel mit niedrigem GWP, wie beispielsweise R-32, Ammoniak und HFO-Kältemittel, sind in Klasse 2L eingestuft und gelten damit als schwer entflammbar. R-290 hingegen ist in der höchsten Klasse 3 eingestuft. Hier die gegebenen Klassen in der Übersicht:

Klasse 1 – keine Flammenausbreitung,

Klasse 2L – schwere Entflammbarkeit,

Klasse 2 – entflammbar,

Klasse 3 – leichte Entflammbarkeit.

In den meisten Klimaanlagen und Wärmepumpen-Anwendungen können 2L Kältemittel gefahrlos verwendet werden. Voraussetzung ist – wie bei allen Kältemitteln – dass die Anweisungen der Gerätehersteller sowie die europäischen und nationalen Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden. Beim Transport und der Lagerung der Kältemittelflaschen sind die Sicherheitsanweisungen und Sicherheitsdatenblätter der Lieferanten von Kältemittelgasflaschen maßgeblich. Grundvoraussetzung beim Umgang mit A2L und A3 Kältemitteln ist, für ausreichend Belüftung bei allen Arbeiten zu sorgen. So ist sichergestellt, dass sich kein brennbares Luft-Kältemittel-Gemisch bilden kann.

R-32

Der Vorteil von R-32 ist, dass es höhere Wirkungsgrade als andere Kältemittel erzielt und durch sein deutlich niedrigeres Treibhauspotenzial (GWP) zur Verbesserung der CO₂-Bilanz beiträgt. Ein wichtiger Faktor dabei ist, dass mit R-32 betriebene Geräte eine 10 % geringere Kältemittelfüllmenge als Geräte mit R-410A benötigen. Als Reinstoff Kältemittel kann es problemlos gehandhabt werden. Es ist sowohl flüssig als auch gasförmig nachfüllbar und einfach zu recyceln und aufzubereiten. R-32 kann gefahrlos in einer Vielzahl von Systemen eingesetzt werden. Daikin hat bereits im Jahr 2013 als erster Hersteller im Split-Klima Bereich auf das Kältemittel R-32 gesetzt.

R-454C

R-454C ist wie R-32 ein Kältemittel der Sicherheitsklasse A2L und bietet sich nach F-Gase Verordnung als Alternative an, um ein GWP unter 150 zu erreichen. Im Gegensatz zu R-32 weist das Kältemittel R-454C aufgrund seiner Zusammensetzung einen Temperaturgleit von 7,8K auf. Dies erfordert entsprechend ausgelegte Wärmetauscher, weshalb hier nicht einfach die Komponenten von R-32 verwendet werden können. Der Vorteil von R-454C gegenüber R-32 ist ein deutlich niedrigeres GWP von 148.

R-290 (Propan)

Als halogenfreie Alternative bietet sich das Kältemittel Propan an. Der größte Vorteil von Propan gegenüber den HFKW-­Kältemitteln ist das sehr geringe Treibhauspotenzial mit einem GWP von 3. Aufgrund seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften bietet es auch ein hohes Energieeffizienzpotenzial. Propan arbeitet mit niedrigen Drucklagen unter 28 bar, weist niedrige Verdichtungsendtemperaturen auf und behält auch bei hohen Außentemperaturen seine Leistungsfähigkeit. Zudem ist Propan mit vielen Ölen mischbar.

Sicherheitsaspekte bei Propan

Alle in den Verkehr gebrachten Geräte und Anlagen müssen sicher sein, was besonders bei Propan wegen seiner hohen Entflammbarkeit wichtig ist. Damit Propan bei Gasgrills oder Campingkochern sicher eingesetzt werden kann, wird ein Duftstoff zugesetzt. So kann es von der menschlichen Nase wahrgenommen werden. Dem Kältemittel R-290 kann ein solcher Duftstoff nicht beigesetzt werden, da es hochrein sein muss. Daher sind andere Sicherheitsmaßnahmen notwendig, die u. a. in Sicherheitsnormen festgelegt werden. Sie legen Anforderungen an die Konstruktion, Füllmengengrenzen und an Aufstell- und Zugangsbereiche fest.

Aufgrund seiner leichten Entflammbarkeit (A3) ist Propan nicht uneingeschränkt einsetzbar. Bei einer Monoblock Wärmepumpe, bei der sich der gesamte Kältemittelkreislauf im Freien befindet, ist ein Mindestabstand von einem Meter zu Fenstern und Türen, Gehwegen oder Nachbargrundstücken einzuhalten. Bei einigen Anwendungen, insbesondere in Mehrfamilienhäusern mit begrenztem Außenbereich, ist es jedoch nicht immer möglich, diesen Mindestabstand einzuhalten.

Daikin wird neben dem bewährten Kältemittel R-32 mit der neuen Daikin Altherma 4 Wärmepumpe auch eine Serie mit R-290 auf den Markt bringen.

Genau wie bei anderen Kältemitteln werden auch bei der Daikin Altherma Luft-Wasser-Wärmepumpen mit R-290 spezielle Sicherheitsmaßnahmen ergriffen, die den gesamten Lebenszyklus der Geräte berücksichtigen. Dazu gehört u. a. auch die besondere Schulung der Installationsbetriebe für den Umgang mit R-290.

Passende Lösungen

Mit ihrem Klimaschutzgesetz will die Bundesregierung die CO₂-Emissionen in Deutschland bis 2030 gegenüber 1990 um mindestens 65 % reduzieren und bis 2045 sogar klimaneutral werden. Um diese Ziele zu erreichen, müssen die CO₂-Emissionen und der Energieverbrauch von Gebäuden maßgeblich gesenkt werden. Dabei nimmt die Wärmepumpe eine Schlüsselrolle ein. Aus diesem Grund ist es auch unerlässlich, dass diese Technologie die Flexibilität behält, damit für alle Anwendungsbereiche die passende Lösung zur Verfügung steht. Dies berücksichtigt die novellierte F-Gase Verordnung. Im Hinblick auf die Dekarbonisierung des Gebäudesektors braucht es Flexibilität bei der Auswahl des Kältemittels, weil die Vielfalt der Anwendungsfälle verschiedene Herausforderungen beinhaltet.