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Wärmepumpen sind eine effiziente Technologie zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden. Für ihren Betrieb benötigen sie jedoch ein Kältemittel, das die Wärmeenergie von Außen- in den Innenkreislauf transportieren kann. Hier gibt es verschiedene Optionen, die sich jeweils durch bestimmte Eigenschaften auszeichnen.
Wie funktioniert ein Kältemittel in einer Wärmepumpe?
Wärmepumpen nutzen spezielle Kältemittel, um Wärme von einem Ort mit niedriger Temperatur an einem Ort mit höherer Temperatur zu übertragen. Die am häufigsten verwendeten Kältemittel sind Kältemittel der FCKW-freien Kältemittelgruppen R410A, R407C und R134a. Diese arbeiten nach dem physikalischen Prinzip der Verdampfung und Kondensation.
In einem geschlossenen Kreislauf wird das Kältemittel verdampft, wodurch es Wärme aus der Umgebungsluft oder Erdreich aufnimmt. Durch einen Kompressor wird der Dampf verdichtet und seine Temperatur steigt. So kann das Kältemittel seine aufgenommene Wärme in einem Wärmeübertrager an das Wasser im Heizkreislauf abgeben. Das nun wieder flüssige Kältemittel kühlt in der Folge erneut ab. Dieses Prinzip des kontrollierten Phasenwechsels des Kältemittels ermöglicht es, die Wärme von einem niedrig temperierten System ins Hausleitungssystem umzuverteilen. Die Wärmepumpe nutzt also die bereits vorhandene Umgebungswärme, um energiesparend eine höhere Wassertemperatur zu erzeugen.
Der historische Standard: FKW und FKW bis in die 1990er Jahre
Bis in die 1990er Jahre wurden in Wärmepumpen häufig Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FKW) als Kältemittel verwendet. Ein populäres Beispiel war R22. Allerdings stehen diese Stoffe aufgrund ihres hohen Treibhauspotenzials in der Kritik. Im Montreal-Protokoll von 1987 verpflichteten sich viele Staaten, deren Produktion und Verwendung schrittweise einzustellen. In Europa ist R22 in Neuanlagen seit 2010 vollständig verboten.
Der aktuelle Standard: R410A als häufigstes Kältemittel
Heute kommen in Wärmepumpen vor allem umweltfreundlichere Kältemittel zum Einsatz. Der häufigste Vertreter ist R410A, ein Azeotropgemisch aus Difluormethan und Pentafluorethan. Es erfüllt die aktuellen Umwelt- und Sicherheitskriterien und hat robuste thermodynamische Eigenschaften. Allerdings ist auch R410A kein perfekter Ersatz, da es selbst ein hohes Treibhauspotenzial von rund 2088 besitzt.
Neue natürliche Alternativen: Propan und Kohlendioxid im Fokus
Aus diesem Grund rücken neue Naturreinstoffe stärker in den Fokus. Der Industriestandard ist derzeit Propan (R290), ein Alkan mit einem Treibhauspotenzial von nahezu null. Es ist nicht brennbar und hat sehr gute Leistungsfähigkeit. Allerdings muss bei der Verwendung von R290 auf ausreichende Belüftung Rücksicht genommen werden, da es leicht entzündlich ist.
Eine weitere Option ist Kohlendioxid (R744), welches als natürlicher Bestandteil der Atmosphäre vollkommen umweltverträglich ist. Als Kältemittel besitzt es jedoch einen höheren kritischen Punkt, was etwas komplexere Wärmepumpensysteme erfordert. Dennoch wird seine Nutzung intensiv erforscht, da es als vielversprechender zukünftiger Ersatz für FKW und FKW gehandelt wird.
Weitere mögliche Naturreinstoffe: Butan, Propan und Isobutan
Weitere mögliche Naturreinstoffe sind Butan (R600), Propen (R1270) und Isobutan (R600a). Sie alle haben sehr niedrige Treibhauspotenziale, sind nicht brennbar und sehr umweltverträglich. Allerdings sind ihre thermodynamischen Eigenschaften nicht ganz so günstig wie bei Propan, was die Energieeffizienz etwas reduzieren kann. Zudem sind Systeme auf ihrer Basis aufwändiger in der Herstellung.
Auswahl des richtigen Kältemittels: Abwägung verschiedener Faktoren
Bei der Wahl des richtigen Kältemittels für eine Wärmepumpe müssen also verschiedene Faktoren abgewogen werden. Natürlich stehen Umweltverträglichkeit und Sicherheit heutzutage an oberster Stelle. Aber auch Kosten und technische Machbarkeit spielen eine Rolle. Hydrierte Kohlenwasserstoffe wie Propan versprechen aktuell die beste Gesamtlösung. Für größere Anwendungen bietet Kohlendioxid Vorteile. Und Wasserstoff könnte in ferner Zukunft ebenfalls eine Alternative darstellen. Die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet ist also weiterhin sehr aktiv.
EU-Verbot von F-Gase ab 2027
Die EU geht mit gutem Beispiel voran und beschließt einen wichtigen Schritt für mehr Klimaschutz. Ab 2027 werden umweltschädliche Kältemittel in Wärmepumpen verboten, besonders die sogenannten fluorierten Gase, F-Gase. Bis 2035 sollen dann nur noch natürliche, klimaneutrale Kältemittel erlaubt sein.
Das ist eine große Chance für die Wärmepumpen-Branche, noch umweltfreundlichere und zukunftssichere Produkte zu entwickeln. Langfristig wird die Technologie dadurch aber klimafreundlicher und attraktiver für Verbraucher.
Viele Hersteller setzen bereits auf das natürliche Kältemittel Propan. Mit guter Aufklärung lässt sich das Thema Sicherheit lösen. Durch diese moderne und saubere Heiztechnologie können bis 2050 sogar 500 Millionen Tonnen Treibhausgase eingespart werden.
Die neuen EU-Standards machen Wärmepumpen noch klimaverträglicher und zeigen, dass eine umweltschonende Wärmeversorgung möglich ist. Sie stärken das Vertrauen in diese zukunftsweisende Technologie. Wärmepumpen sind eine große Chance für effektiven Klimaschutz im Gebäudebereich.
Zukunftsperspektiven: Weiterentwicklung und Forschung
Die Forschung an Kältemitteln für Wärmepumpen steht vor großen Herausforderungen. Einerseits müssen neue Mittel gefunden werden, die noch umweltfreundlicher sind als die heute eingesetzten Fluorkohlenwasserstoffe. Da diese trotz ihrer viel besseren Ökobilanz gegenüber FCKW einen nicht vernachlässigbaren Treibhauseffekt haben, ist ihr Ersatz durch Substanzen mit möglichst niedrigem Treibhauswert nötig. Gleichzeitig müssen Alternativstoffe nicht nur umweltfreundlich, sondern auch sicher in der Anwendung und effizient im Betrieb sein.
Forscher testen daher einerseits natürliche Mittel wie Propan, CO2 oder Ammoniak, deren GWP bei fast null liegt. Hier besteht jedoch oftmals das Problem mangelnder Effizienz oder Sicherheitsbedenken. Andererseits werden unterschiedlichste fluorierten Stoffe mit verbesserter struktureller Formel auf ihre Eignung hin untersucht. Wichtige Ansätze sind dabei, die Energieeffizienz durch optimierte Siede- und Dampfdruckkurven zu steigern sowie die Sicherheit bei Freisetzung zu erhöhen. Auch Mischungen und neue Verbindungsklassen werden entwickelt.
Fazit zu Kältemitteln bei Wärmepumpen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Verwendung von Kältemitteln bei Wärmepumpen in den letzten Jahrzehnten deutlich gewandelt hat. War es zunächst das weitverbreitete R22, so werden heute umweltfreundlichere Substanzen wie R410A oder Propan genutzt. Dies ist ein wichtiger Beitrag zum Klima- und Umweltschutz. Gleichzeitig erfolgt unter Hochdruck die Suche nach noch natürlicheren Alternativen wie Kohlendioxid. Insgesamt wird die Technologie der Wärmepumpe so weiter optimiert, um auch in Zukunft eine emissionsarme Heiz- und Kühlweise zu bleiben.