Wärmepumpen mit bionischer Struktur

Wärmepumpen machen Umwelt­energie für Heizzwecke nutzbar. In der Regel werden sie jedoch mit synthetischen Kälte­mitteln betrieben, die umwelt­schädliche, fluorierte Treib­hausgase enthalten. Fraunhofer-Forscher haben jetzt im Rahmen eines Konsortiums eine Wärmepumpe mitent­wickelt, in der statt­dessen Propan eingesetzt wird. Das macht die Pumpe nicht nur klima­freundlicher, sondern auch effi­zienter. „Heizung und Warmwasser benötigen in Deutschland rund vierzig Prozent der Endenergie. Das Verbrennen von hochwertigen, fossilen Energie­trägern wie Erdgas oder Erdöl ist nicht nur ener­getisch unsinnig, sondern auch klima­schädlich. Wärmepumpen machen aus einer Einheit elektrischer Antriebs­energie, häufig aus erneuer­baren Energien, drei bis fünf Einheiten Wärme­energie – und das völlig CO₂-neutral. Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Energie­wende“, sagt Marek Miara, Koordinator Wärme­pumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE in Freiburg.

In einer Wärmepumpe wird die Wärme, die der Erde, dem Grund­wasser oder der Umgebungs­luft entzogen wird, zum Heizen oder für die Warmwasser­zubereitung verwendet. Dazu wird das erwärmte, dampfförmige Kälte­mittel verdichtet und so seine Temperatur und sein Druck erhöht. Das heiße Kälte­mittelgas gibt seine Wärme an Wasser ab und kondensiert. Das warme Wasser strömt in Fußboden­heizungen, Heizkörper oder Warmwasser­speicher und das abgekühlte, flüssige Kältemittel fließt wieder zurück in den Verdampfer, wo es erneut Wärme­energie aufnimmt. Der Kreislauf beginnt von Neuem. Als Kältemittel werden in der Regel synthetische Stoff­gemische verwendet, die umwelt­schädliche, fluorierte Treib­hausgase enthalten. Die Europäische Kommission hat im Juni 2014 beschlossen, dass diese F-Gase schritt­weise vom Markt genommen werden müssen. Eine umwelt­freundliche, natürliche Alternative zu synthe­tischen Kälte­mitteln ist Propan – in Klima- und Kälte­anlagen bereits zunehmend im Einsatz, in Wärmepumpen weit weniger verbreitet.

Denn Propan hat zwar sehr gute thermo­dynamische Eigen­schaften, ist aber leicht brennbar und damit eine Heraus­forderung für die Verwendung im Wärme­kreislauf. „Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittel­menge so gering wie möglich halten, um das Sicherheits­risiko zu reduzieren“, sagt Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE. Die Forscher haben daher gemeinsam mit euro­päischen Forschungs­partnern hochkompakte, gelötete Lamellen­wärmeüber­trager eingesetzt, die mit geringen Flüssigkeits­mengen gut funktionieren. In Wärmeübertragern wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus vielen parallel verlau­fenden Kanälen, in denen das Kältemittel zirkuliert und Wärme aufnimmt, dann nennt man sie Verdampfer, oder abgibt, dann heißen sie Verflüssiger. „Die Flüssig­keit soll über die Lauflänge vollständig verdampfen beziehungs­weise wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewähr­leisten, muss in allen Kanälen das gleiche Dampf-Flüssigkeits­verhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleich­zeitig Kälte­mittel reduzieren will“, sagt Schnabel.

Um das Problem zu lösen, entwickelten Schnabel und ihr Team einen Verteiler mit einer bionischen Struktur: „Herkömm­liche Venturi­verteiler sehen aus wie ein Spaghetti­haufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Unser Verteiler hat im Gegensatz dazu eine konti­nuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleich­mäßige Verteilung des Kältemittels in die einzelnen Verdampfer­kanäle bei geringer Kältemittel­menge ermöglichen.“ Damit kann die gesamte Wärmeüber­tragerfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden. Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren, verwendeten Schnabel und ihr Team einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zünd­quellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Pumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden. „Zurzeit modifi­zieren wir die technische Gestaltung der Wärmepumpe, prüfen die Bauteile im Langzeit­verhalten und erstellen tragfähige Sicherheits­konzepte“, sagt Schnabel.

FhG / JOL