Wärmepumpen: Möglichkeiten und Grenzen der neuen Kältemittel
Wärmepumpen benötigen ein Kältemittel, um die Energie aus Erdreich, Grundwasser, Außenluft oder auch Abwärme nutzbar zu machen. Das Kältemittel ist das Arbeitsmedium im geschlossenen Kältekreislauf. Es verdampft bei geringem Druck und niedriger Temperatur und nimmt dabei Wärmeenergie aus der Umwelt auf. In der Wärmepumpe werden Druck- und Temperaturniveau angehoben. Die Energie aus der Quelle und dem Antrieb kann dann genutzt werden, um beispielsweise Gebäude zu beheizen oder Trinkwasser zu erwärmen (Bild 1).
Heizungswärmepumpen haben üblicherweise eine Kältemittelfüllung von 1 bis 6 kg (je nach Art des Kältemittels und der Leistung der Anlage). Das Kältemittel wird nicht verbraucht. Es transportiert nur Wärme und altert dabei nicht, muss also auch nicht ersetzt werden. Die Kältekreisläufe von Wärmepumpen sind grundsätzlich hermetisch geschlossen und das Kältemittel entweicht ebenso wenig wie bei einem Kühlschrank.
Aufwendige Prüfverfahren bei der Produktion der Wärmepumpe stellen dies sicher. In Abhängigkeit von der Füllmenge schreibt die F-Gase-Verordnung zudem regelmäßige Dichtigkeitsüberprüfungen vor. Am Ende ihrer Lebensdauer müssen Wärmepumpen fachgerecht entsorgt werden. Dabei wird das Kältemittel aus der Wärmepumpe vollständig abgesaugt und entweder vernichtet oder aufbereitet und wiederverwendet.
Status quo zur F-Gase-Verordnung
Die F-Gase-Verordnung hat das Ziel, die Menge der in Verkehr gebrachten fluorierten Treibhausgase (F-Gase, gemessen in CO2-Äquivalenten) bis 2030 schrittweise um insgesamt 79% gegenüber dem Basisjahr 1990 zu reduzieren. Man spricht bei diesem Verfahren vom sogenannten Phase-down. Der letzte Reduktionsschritt fand 2017 statt. Die Inverkehrbringungsquote beträgt seither nur noch 63% des ursprünglichen Wertes. Die nächste Stufe reduziert die Mengen ab 2021 auf 45% (Bild 2).
Die Verordnung regelt also den Umgang mit teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW). Davon sind auch viele Kältemittel, die in Wärmepumpen eingesetzt werden, betroffen. Die am Markt verfügbaren CO2-Äquivalente werden immer weiter reduziert. Der letzte Reduktionsschritt führte zunächst vor allem bei den gebräuchlichsten Kältemitteln (R-134a, R-410A und R-407C) zu Preissteigerungen.
Der Phase-down führt zur Verwendung von Kältemitteln mit geringerem GWP (Global Warming Potential = Treibhauspotenzial), für die allerdings teilweise erst noch Gerätekomponenten entwickelt werden müssen. Durch die F-Gase-Verordnung werden auch Anwendungsverbote von Kältemitteln geregelt, wovon aber Wärmepumpen nicht betroffen sind.
Die heute eingesetzten Kältemittel werden auch künftig noch erhältlich sein, falls z.B. bei einer Reparatur eine kleine Menge nachgefüllt werden muss. Aufbereitete Kältemittel (Recyclingware) sind von den Regelungen der Verordnung nicht betroffen. Die Bedeutung der Aufbereitung von Kältemitteln hat bereits zugenommen. Sie wird zunehmend zum wirtschaftlichen Standard.
Umwelteinfluss von Kältemitteln
Die gebräuchlichsten in Wärmepumpen eingesetzten Kältemittel sind derzeit Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW). Diese tragen im Gegensatz zu den seit Langem in Europa verbotenen chlorierten Fluorkohlenwasserstoffen (HFCKW) nicht zum Abbau der Ozonschicht bei. Die heute am häufigsten eingesetzten HFKW-Kältemittel (R-134a, R-407C, R-410A) sind weder brennbar noch toxisch. Man spricht auch von Sicherheitskältemitteln, da sie nach ISO 817 „Kältemittel – Kurzzeichen und Sicherheitsklassifikation“ zur Sicherheitsklasse A1 gehören (Bild 3).
Gleichzeitig besitzen sie sehr gute thermodynamische Eigenschaften, wodurch Wärmepumpen mit diesen Kältemitteln eine sehr hohe Energieeffizienz erreichen.
Maßstab für das Treibhauspotenzial bei Kältemitteln ist das sogenannte Global Warming Potential (GWP). Dieses basiert auf der Treibhauswirkung von CO2, dessen GWP 1 beträgt. Eine unmittelbar klimaschädliche Wirkung kann ein Kältemittel allerdings nur im Fall einer Leckage entfalten, was üblicherweise nicht vorkommt.
Bezogen auf ihren GWP lassen sich die in Heizungswärmepumpen verwendeten Kältemittel in vier Kategorien einteilen:
Super Low GWP: < 150
Low GWP: 150 bis < 750
High GWP: 750 bis 2500
Very High GWP: > 2500
Das in der Übersicht (Bild 4) aufgeführte Kältemittel R-134a (Tetrafluorethan) hat beispielsweise ein CO2-Äquivalent von 1430. Das bedeutet, dass 1 kg R-134a innerhalb der ersten 100 Jahre nach der Freisetzung 1430-mal so stark zum Treibhauseffekt beiträgt wie 1 kg CO2. Oder: Die Freisetzung von 1 kg R-134a entspricht 1430 kg CO2.
Alternativen zu High-GWP-Kältemitteln
Durch den Phase-down-Prozess wird es attraktiver, auf Kältemittel mit geringerem GWP auszuweichen. Dies können andere HFKW, HFO (Fluorolefinwasserstoffe) oder sogenannte natürliche Kältemittel (z.B. CO2, Ammoniak und Propan) sein. Letztere haben meist einen sehr niedrigen GWP-Wert, jedoch in Abhängigkeit des einzelnen Kältemittels spezifische Nachteile bezüglich der Brennbarkeit, der Toxizität oder der Energieeffizienz. Dies beschränkt ihren Einsatz auf bestimmte Anwendungen oder erfordert besondere Vorkehrungen für die Verwendung in Wärmepumpen.
Da durch den Phase-down-Prozess die Verwendung von Kältemitteln mit geringerem GWP angeregt wird, werden verschiedene Lösungswege verfolgt. Bei Heizungswärmepumpen gibt es relativ neue Entwicklungen von Kältemitteln mit geringen GWP-Werten, die zur Gruppe der schwer entflammbaren Kältemittel (Sicherheitsklasse A2L) gehören. Dazu zählen R-32 (Difluormethan) sowie R-454B und R-454C (Gemische mit HFO). Aus der Gruppe der natürlichen Kältemittel wird im Heizungsbereich vor allem mit Propan (R-290, Sicherheitsklasse A3) gearbeitet.
Derzeit verwendete Kältemittel in etablierten Wärmepumpen können nicht einfach durch andere Kältemittel ersetzt werden. Ein Tausch des Kältemittels in einer installierten Wärmepumpe muss durch den Hersteller freigegeben sein.
Ganzheitliche Klimabilanz
Die Fokussierung auf das Kältemittel greift bei der Beurteilung der Klimawirkung einer Wärmepumpe allerdings zu kurz. Für eine ganzheitliche Betrachtung empfiehlt sich der Total Equivalent Warming Impact (TEWI) im Zusammenspiel mit der jeweiligen Wärmepumpenanwendung. Er berücksichtigt zusätzlich auch den klimatischen Einfluss des Energiebedarfs im Betrieb (Bild 5). Für Elektrowärmepumpen ist das die CO2-Emission aus der Stromerzeugung. Die TEWI-Betrachtung ist auch für konventionelle Wärmeerzeuger möglich. Hier ist allerdings nur der Energieverbrauch für den Betrieb wichtig, da keine Kältemittel verwendet werden.
Dadurch dass Wärmepumpen eine geringe Leckagerate haben, ist der reine GWP-Wert für sie weniger relevant. Entscheidend ist die Gesamtbetrachtung hinsichtlich der Leckage, des Füllgewichtes und des Recyclingfaktors. Der TEWI berücksichtigt außerdem die Klimawirkung während der Betriebszeit durch die Erzeugung von z.B. Heizwärme. Damit ist es möglich, unterschiedliche Technologien miteinander zu vergleichen.
Wie die Beispielrechnung (Bild 6) zeigt, ist unter den genannten Bedingungen der Betrieb von Wärmepumpen hinsichtlich der Auswirkungen auf das Klima immer vorteilhaft. Leicht zu erkennen ist, dass der direkte Klimaeinfluss durch das Kältemittel – also durch Leckagen oder beim Recycling – verglichen mit den Emissionen durch den Energieverbrauch im Betrieb fast vernachlässigbar ist. Vereinfachend wurde deshalb auch für alle Geräte dieselbe Kältemittelfüllmenge angenommen. Obwohl je nach Art des Kältemittels oder des Wärmepumpentyps (Monoblock oder Split) auch bei derselben thermischen Leistung unterschiedliche Mengen erforderlich wären.
In dem Diagramm werden Wärmepumpen mit verschiedenen Kältemitteln und eine Gas-Brennwertheizung (Nutzungsgrad 92%) über 20 Jahre verglichen. Die Heizleistung beträgt bei allen Geräten 5 kW. In 2000 Vollbenutzungsstunden wird ein Wärme-bedarf von 10 MWh/a gedeckt. Vereinfachend gelten für die Wärmepumpen folgende Annahmen: Jahresarbeitszahl 4,2; Kältemittelfüllmenge 3 kg; Leckagerate 1%/a. Am Ende der Lebensdauer werden 95% des Kältemittels recycelt. Die Emissionsfaktoren nach GEMIS 4.95 betragen bei Strom 565 g CO2/kWh und bei Erdgas 250 g CO2/kWh.
Neue Kältemittel in der Praxis
Die Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Wärmepumpe im Bestand ein Kältemittel ausgetauscht oder nachgefüllt werden muss, ist sehr gering. Wärmepumpen sind in der Regel hermetisch geschlossen (Monoblock) bzw. technisch dauerhaft dicht (Split), sodass keine Leckagen entstehen. Einmal verbaute Wärmepumpen benötigen normalerweise keine neuen Kältemittel.
Sollte es doch zu einem Servicefall kommen, kann das Kältemittel bei Bedarf meist abgesaugt und anschließend ohne Bedenken wieder eingefüllt werden. Kann es nicht mehr verwendet werden, ist in der Regel eine Aufbereitung möglich. Dafür muss die Absaugung unbedingt sortenrein erfolgen. Aufbereitetes Kältemittel hat dieselbe Qualität wie Neuware. Es wird nicht der F-Gas-Quote angerechnet und trägt daher zur Entspannung des Marktes bei.
Beim Austausch des Kältemittels sollte die gleiche Sorte beibehalten werden, denn der Kältekreis einer Wärmepumpe ist auf ein bestimmtes Kältemittel abgestimmt und seine Komponenten daraufhin optimiert. Das Einfüllen eines anderen Kältemittels kann zum Defekt, zu geänderten Einsatzgrenzen bzw. einem drastischen Effizienzabfall führen. Ohne die eindeutige Freigabe eines alternativen Kältemittels durch den Anlagenhersteller erlischt zudem die Gewährleistung.
Achtung: Auf keinen Fall darf statt eines nicht entflammbaren ein entflammbares Kältemittel eingefüllt werden. Ein solches Vorgehen ist als grob fahrlässig einzustufen und für daraus eventuell resultierende Folgeschäden ergibt sich eine eindeutige Haftung des ausführenden Installationsbetriebs.
Entscheidend ist, dass Fachhandwerker und Industrie hinsichtlich des Einsatzes alternativer Kältemittel eng zusammenarbeiten, damit insbesondere die Handwerker und Installateure für den Umgang damit gut vorbereitet sind. Schließlich zeichnet es sich heute schon ab, dass die Wärmepumpentechnologie hinsichtlich des voranschreitenden Klimawandels ein enormes Wachstum verzeichnen wird – auch im Bestand.
Dieser Artikel von Alexander Sperr ist zuerst erschienen in SBZ Ausgabe: 14-2019. Alexander Sperr ist Referent Normung und Technik beim Bundesverband Wärmepumpe e.V. BWP.
Zielkonflikt bei der Kältemittelwahl
Kältemittel in Wärmepumpen besitzen bezüglich der drei Aspekte Sicherheit, Effizienz und Klimawirkung unterschiedliche Eigenschaften. Ein ideales Kältemittel ohne Treibhauseffekt, nicht brennbar, nicht giftig und mit hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften gibt es nicht. Bei der Auswahl muss immer ein Kompromiss gefunden werden. In diesem Zusammenhang ist außerdem der Kostenaspekt als wesentlicher Faktor zu beachten. So sind beispielsweise zusätzliche Sicherheitseinrichtungen in der Regel mit höheren Kosten verbunden, welche die Auswahl eines Kältemittels ebenfalls beeinflussen.
Kurzsteckbrief Alternative Kältemittel
R-290 (Propan) hat gute thermodynamische Eigenschaften. Da es jedoch hoch entflammbar ist, sind hohe Anforderungen an die Sicherheit notwendig. Eine Aufstellung innerhalb von Gebäuden ist daher momentan nicht üblich.
R-717 (Ammoniak) ist klimaneutral und wird überwiegend in größeren Kälteanlagen eingesetzt. In Wärmepumpen ist es unüblich.
R-744 (Kohlendioxid) ist nicht brennbar und nicht giftig. Wärmepumpen, die CO2 als Kältemittel enthalten, können sehr hohe Vorlauftemperaturen erzeugen. Bei niedrigeren Temperaturen sind sie jedoch weniger effizient als Wärmepumpen mit anderen Kältemitteln. Nachteilig sind die hohen erforderlichen Drücke, für die alle Komponenten geeignet sein müssen.
R-32 ist ein HFKW, das auch als Bestandteil von Kältemittelgemischen eingesetzt wird. Sein GWP beträgt mit 675 weniger als ein Drittel des GWP von R-410A. Es wird in die Gruppe der schwer entflammbaren Kältemittel eingeordnet und kann so unter Einhaltung entsprechender Sicherheitsanforderungen und Raumgrößenbeschränkungen vielfältig eingesetzt werden.
R-454B besteht aus einer Mischung von R-32 und HFO R-1234yf. Der GWP beträgt mit 460 nur 22 % des GWP von R-410A. Auch R-454B ist ein schwer entflammbares Kältemittel der Klasse A2L. Die Komponenten befinden sich in der Entwicklung.
R-454C ist ebenfalls eine Mischung aus R-1234yf und R-32 und hat einen GWP von 148. R-454C gilt ebenfalls als schwer entflammbar und ist somit unter entsprechenden Voraussetzungen vielseitig einsetzbar. Auch für diese Alternative befinden sich die Komponenten noch in der Entwicklung.
Was bedeuten alternative Kältemittel für Fertigung und Service?
- Neue Kältemittel erfordern Änderungen an den Kältekreisen. Hierfür sind entsprechende Komponenten für den Einsatz in Wärmepumpen zu qualifizieren und einzusetzen. Dieser Prozess ist für die Komponentenhersteller sehr aufwendig und langwierig.
- Für die Befüllung von Wärmepumpen mit einem A2L- oder A3-Kältemittel innerhalb der Fertigung müssen Investitionen in die Sicherheit sowohl der Fertigungsinfrastruktur als auch der Testlabore getätigt werden.
- Durch den Umgang mit Substanzen einer anderen Sicherheitsgruppe muss die Risikoanalyse beginnend ab dem Produktdesign angepasst und Sicherheitskonzepte für den Umgang mit entflammbaren Substanzen eingeführt werden. Dabei sind die gültigen Regelwerke zu beachten, z. B. die Betriebssicherheitsverordnung und die technischen Regeln für Betriebssicherheit (TRBS) und für Gefahrstoffe (TRGS).
- Aufgrund der höheren Entflammbarkeit alternativer Kältemittel können sich Einschränkungen bei der Wahl des Aufstellungsortes ergeben. Diesbezüglich sind die Installations- und Planungsanleitungen des Herstellers unbedingt zu beachten. Da die Anlagensicherheit gewährleistet werden muss, wird je nach verwendetem Kältemittel in manchen Fällen nur noch eine Außenaufstellung möglich sein.
- Bei neuen Produkten mit alternativen/entflammbaren Kältemitteln sind entsprechende Hinweise in den Installationsanleitungen zu ergänzen, z. B. hinsichtlich Raumgrößenbeschränkungen bezogen auf die Kältemittelfüllmenge.
- Fachhandwerker müssen sich für die Handhabung von Anlagen mit alternativen, entzündlichen Kältemitteln qualifizieren, z. B. durch Schulungen nach EN 13 313 „Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sachkunde von Personal“.
- Fachhandwerker sollten sich regelmäßig bei Verbänden, Herstellern, Händlern über die aktuelle Lage und die weitere Entwicklung informieren.
