© Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler
Propan-Wärmepumpen: Neues Sorptionselement erleichtert Betrieb in Innenräumen
Wärmepumpen, die mit dem natürlichen Kältemittel Propan betrieben werden, sind besonders effizient und klimaverträglich. Forschende haben nun eine Lösung entwickelt, die das Risiko einer Leckage in den Aufstellraum reduziert und damit neue Möglichkeiten für den Betrieb in Ein- und Mehrfamilienhäusern eröffnet.
Es könnte ein technologischer Durchbruch für den Inneneinsatz von Propan-Wärmepumpen sein, davon sind die Teams der aufeinander aufbauenden Forschungsprojekte safeHP und safeSENSE überzeugt: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben in Zusammenarbeit mit dem Heiztechnik-Unternehmen Vaillant ein Sorptionselement entwickelt, das im Fall einer Havarie austretendes Propan (R290) im Gerät bindet und so die Sicherheit erhöht.
Die Erwartungen an das neu entwickelte Sicherheitselement sind groß. Kein Wunder: Propan hat viele Eigenschaften, die es für eine Verwendung als natürliches Kältemittel im Gebäudebereich geradezu prädestinieren (siehe Infobox oben). Einziges Manko: Propan ist brennbar, daher gibt es entsprechende Anforderungen an die Gerätesicherheit.
© Vaillant Group
So unterliegt die Füllmenge von R290 in Innenräumen bestimmten Beschränkungen. Frühere Regelwerke sahen eine pauschale Begrenzung von 150 Gramm vor. Inzwischen sind – je nach Raumgröße, Aufstellort, Gerätekategorie und Sicherheitskonzept – höhere Füllmengen möglich. Die Beherrschung potenzieller Leckage-Szenarien bleibt insbesondere bei leistungsstärkeren Geräten eine zentrale Entwicklungsaufgabe.
Aktivkohle bindet Kältemittel im Havariefall
Genau hier setzt die im Forschungsprojekt safeHP entwickelte Lösung an: Sie soll im Fall einer Havarie – etwa bei einem Defekt im Kältekreislauf – verhindern, dass austretendes Propan unkontrolliert in den Aufstellraum gelangt und dort ein zündfähiges Gemisch bildet.
Das System basiert auf dem physikalischen Prinzip der Adsorption. Dabei lagert sich das aus dem Kältekreis austretende Propan an die Oberfläche eines hochporösen Materials an – in diesem Fall an Aktivkohle. Aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche besitzt sie eine hohe Aufnahmefähigkeit für Kohlenwasserstoffe. Die Sorptionskapazität wurde dabei auf die maximal mögliche Kältemittelfreisetzung ausgelegt.
Nach achtjähriger intensiver Forschungstätigkeit am Ziel
Mit dieser Innovation rückte das Ziel, den Einsatz von R290-Wärmepumpen in Innenräumen deutlich zu erleichtern, in greifbare Nähe – zumal es den Forschenden im Folgeprojekt safeSENSE gelang, weitere Herausforderungen zu lösen. Diesmal war neben dem Fraunhofer ISE und Vaillant auch das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM beteiligt.
Ziel von safeSENSE war es, das Sorptionselement so weiterzuentwickeln, dass es auch unter realistischen Langzeitbedingungen dauerhaft funktionsfähig bleibt. Hierzu wurden verschiedene Schutz- und Abdichtungskonzepte untersucht und getestet. Zusätzlich entwickelte das Forschungsteam einen Beladungssensor, mit dem sich der Zustand des Sorptionsmaterials überwachen lässt. Auf diese Weise kann erfasst werden, in welchem Maß das Material bereits belegt ist und ob seine Aufnahmefähigkeit weiterhin ausreicht.
Nach rund vier Jahren Forschung im Projekt safeHP und einer nahezu ebenso langen Laufzeit des Projekts safeSENSE konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nachweisen, dass das neu entwickelte und kontinuierlich optimierte Sorptionselement unter definierten Betriebsbedingungen dauerhaft funktionsfähig bleibt. Im Anschluss an eine weitere zweijährige Entwicklungsphase plant Vaillant nun die Markteinführung eines Geräts, das dieses Sorptionselement nutzt. (na)
