Wärmepumpen mit CO₂ als Kältemittel
CO₂-Wärmepumpen arbeiten besonders effizient bei hohen Temperaturen. Sie nutzen ein innovatives Verfahren, das klimafreundlich und leistungsstark zugleich ist. Als Kältemittel kommt natürliches Kohlenstoffdioxid zum Einsatz, das einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen bietet CO₂ als Kältemittel für Wärmepumpen und Kältemaschinen viele Vorteile – aber auch einige Nachteile. Wir erklären Ihnen, wie CO₂-Wärmepumpen funktionieren und wo sie sich sinnvoll einsetzen lassen.
Bosch bietet derzeit keine CO₂-Wärmepumpen an, dafür aber moderne Wärmepumpensysteme, die Heizung und Warmwasserr effizient versorgen.
Was versteht man unter CO₂?
CO₂ steht für Kohlendioxid oder auch Kohlenstoffdioxid, eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es ist ein farb- und geruchloses Gas, das auf natürliche Weise entsteht, etwa beim Ausatmen, bei Gärprozessen oder bei der Verbrennung von Kohle, Öl, Gas oder Holz. Außerdem entweicht CO₂ an vielen Stellen direkt aus dem Boden. Das Gas ist nicht brennbar und ungiftig, kann aber in hoher Konzentration gefährlich werden. Steigt der CO₂-Anteil stark an, sinkt der Sauerstoffgehalt in der Luft entsprechend.
Der Mensch setzt durch Industrie und Verkehr zusätzlich große Mengen CO₂ frei und beeinflusst damit das globale Klima. Obwohl CO₂ im Körper lebenswichtige Funktionen erfüllt, führt es in geschlossenen, unbelüfteten Räumen schnell zu Beschwerden wie Schwindel, Kopfschmerzen oder Atemnot. CO₂ ist schwerer als Luft und sammelt sich in tiefer liegenden Senken oder Räumen. Dort bleibt es unsichtbar, kann aber lebensgefährlich sein. Draußen verteilt sich CO₂ in der Regel rasch und gilt als harmlos.
Was ist eine CO₂-Wärmepumpe?
Eine CO₂-Wärmepumpe ist eine Wärmepumpe, die natürliches Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel verwendet. Dieses Gas hat ein sehr geringes Treibhauspotenzial (GWP) von 1, schädigt die Ozonschicht nicht und bietet eine umweltfreundliche Alternative zu fluorierten Kältemitteln (F-Gase). CO₂ trägt als Kältemittel die Bezeichnung R744. Es handelt sich nicht um Abgas-CO₂, sondern um hochreines, technisches CO₂, das man gezielt für Kühl- und Heizprozesse einsetzt.
CO₂ als Kältemittel zirkuliert in einem hermetisch geschlossenen Kreislauf. Dabei gelangt es nicht in die Umwelt, sondern durchläuft den Prozess immer wieder, bis die Wärme abgegeben ist. Eine Wärmepumpe mit CO₂ nutzt jedoch einen speziellen Kältemittelkreislauf, der unter anderen physikalischen Bedingungen abläuft. Dadurch ist sie in der Lage, deutlich höhere Temperaturen zu erzeugen, während andere Kältemittel schneller an ihre Grenzen stoßen. Zudem besitzt CO₂ eine 5- bis 8-mal höhere volumetrische Kälteleistung, sodass bereits ein kleiner dimensionierter Verdichter ausreicht. Dank der geringen Viskosität fließt es leichter durch die Leitungen, wodurch die benötigte Pumpleistung sinkt.
Unser Produktsortiment von Bosch umfasst keine CO₂-Wärmepumpen. Wir bieten jedoch eine breite Auswahl an bewährten Luft-Wasser-, Sole-Wasser- und Warmwasser-Wärmepumpen, die natürliche Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial verwenden. Wir begleiten Sie fachkundig auf dem Weg zur optimalen Lösung und stehen Ihnen jederzeit als Wärmepumpen-Spezialist beratend zur Seite.
Funktionsprinzip einer CO₂-Wärmepumpe
Eine CO₂-Wärmepumpe funktioniert wie jede andere Wärmepumpenheizung. Sie entzieht der Umgebung, etwa der Außenluft oder dem Erdreich, Wärme und hebt diese mithilfe elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau an, um sie an das Heizsystem abzugeben. Der Unterschied liegt im Kältemittel. Statt fluorierter Stoffe nutzt sie CO₂, das als umweltfreundlicher Wärmeträger unter sehr hohem Druck zirkuliert. Damit CO₂ als Kältemittel die nötige Heizwärme liefern kann, wird es stark verdichtet und erhitzt.
Transkritischer Prozess bei CO₂-Luft-Wasser-Wärmepumpen
CO₂ hat einen niedrigen kritischen Temperaturpunkt von 31,1 °C. Daher arbeiten CO₂-Wärmepumpen meist oberhalb dieses Werts bei Drücken über 73,8 bar – also im überkritischen Bereich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kältemitteln in subkritischen Anlagen, die unterhalb des kritischen Punktes mit deutlich niedrigeren Drücken arbeiten. Der CO₂-Kreislauf läuft ohne klassischen Phasenwechsel ab. Das bedeutet, oberhalb von 31 °C Umgebungstemperatur verdampft und kondensiert CO₂ nicht. Stattdessen bewegt sich das CO₂ in einem sogenannten transkritischen Kreislauf, auch Lorentzen-Prozess genannt. Es gibt keinen klassischen Verflüssiger, sondern einen Gaskühler. Dieser gibt die Wärme direkt an das Heizsystem ab und kühlt das CO₂ ab. Dabei befindet sich das Gas im überkritischen Zustand, der weder rein flüssig noch gasförmig ist. Luft-Wasser-Wärmepumpen mit CO₂ arbeiten fast immer transkritisch.
Direktverdampfung bei Sole-Wasser-Wärmepumpen mit CO₂-Erdsonden
Bei diesem Verfahren zirkuliert CO₂ als Wärmeträger direkt in der Erdsonde, die über eine Tiefenbohrung im Boden installiert ist. Der hohe Druck in der Sonde sorgt dafür, dass CO₂ im Erdreich zunächst flüssig bleibt. Dort nimmt das flüssige Kohlendioxid die Wärme auf, verdampft dabei, steigt nach oben und gibt die gewonnene Wärme im Wärmetauscher an die Wärmepumpe ab. Danach kühlt es sich ab, verflüssigt sich und fließt nach unten zurück. Da CO₂ durch die Verdampfung und Kondensation von selbst angetrieben wird, entsteht ein natürlicher Kreislauf ganz ohne zusätzliche Pumpe. Eine klassische Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Wasser-Glykol-Gemisch setzt immer eine Umwälzpumpe ein, welche die Sole aktiv durch die Erdwärmesonden oder Flächenkollektoren und den Verdampfer pumpt.
Faktoren für die Effizienz: Druckverhältnisse und Temperatur
Der transkritische CO₂-Kreislauf erreicht sehr hohe Vorlauftemperaturen deutlich effizienter, wenn die vorhandenen großen Temperaturunterschiede optimal genutzt werden. Das hängt vom richtigen Druckniveau ab. Liegt der Druck zu niedrig, holt die Wärmepumpe nicht genug Wärme aus dem Kältemittel heraus und überträgt diese nicht effizient. Ist der Druck bei der Wärmeabgabe zu hoch, verbraucht der Kompressor mehr Strom, ohne dass dabei mehr Nutzwärme entsteht. In beiden Fällen sinkt die Leistungszahl COP, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmepumpe abfällt.
Am wirtschaftlichsten arbeitet eine transkritische CO₂-Wärmepumpe, wenn Systemdruck und Temperatur auf der Wärmeabgabeseite optimal abgestimmt sind. Idealerweise herrscht durchschnittlich unter 15 °C Umgebungstemperatur. Ein weiterer Faktor ist die Spreizung, der Unterschied zwischen der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur im Heizkreis. Bei CO₂-Wärmepumpen sorgt eine größerer Temperaturunterschied dafür, dass das Kältemittel leichter Wärme an das Heizwasser oder Warmwasser im Speicher abgibt.
Anwendungsbereiche von CO₂-Wärmepumpen
CO₂-Wärmepumpen entfalten ihre Stärken in spezifischen Einsatzbereichen. Sie gehören zu den Hochtemperatur-Wärmepumpen und eignen sich vor allem für größere Anwendungen und Mehrfamilienhäuser, wenn hohe Temperaturen benötigt werden. Deshalb sind sie ideal, um kontinuierlich große Mengen heißes Wasser bereitzustellen. Eine CO₂-betriebene Warmwasser-Wärmepumpe erwärmt Trinkwasser auf 60 °C bis zu 90 °C und liefert so zuverlässig hohe Systemtemperaturen für die Warmwasserbereitung. Solche Anlagen sind beispielsweise in Japan als EcoCute-Systeme weit verbreitet.
In gewerblichen Gebäuden wie Supermärkten, Hotels und Industrieprozessen kommen CO₂-Wärmepumpen als Großwärmepumpen zum Einsatz. Sie decken Heiz- und Kühllasten gleichzeitig oder versorgen technische Vorgänge mit Prozesswärme. Besonders in kalten Regionen profitieren Kohlenstoffdioxid-Anlagen davon, dass das Hochdruckkältemittel CO₂ selbst bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt ausreichend Wärmeenergie überträgt.
Für wen lohnt sich eine CO₂-Wärmepumpe und welche Alternativen gibt es?
CO₂-Wärmepumpen eignen sich besonders für die Warmwasserbereitung sowie für bestimmte Gewerbe- und Industriebereiche. Für die Raumheizung in Einfamilienhäusern lohnt sich eine CO₂-Wärmepumpe dagegen nur selten oder nur in Altbauten als Ersatz alter Heizkessel. Wer Wohngebäude mit Fußbodenheizung oder modernen Niedertemperaturheizkörpern beheizen möchte, ist mit herkömmlichen Wärmepumpen wie Luft-Wasser- oder Sole-Wasser-Systemen besser bedient. Diese arbeiten mit anderen konventionellen Kältemitteln, die bereits bei niedrigeren Drücken und Temperaturen optimal funktionieren.
Auch normale Brauchwasserwärmepumpen, eine Kombination aus Warmwasserspeicher mit Luft-Wasser-Wärmepumpe, sind für viele Haushalte eine attraktive Nachrüstlösung. Sie erwärmen Trinkwasser regenerativ und senken die Energiekosten. Außerdem lassen sie sich gut mit Solarthermiekollektoren oder einer Photovoltaikanlage kombinieren.
Sichern Sie sich jetzt Ihre neue Bosch Wärmepumpe!
Vorteile einer Wärmepumpe mit CO₂ im Überblick
- Klimafreundlich: Trägt bei Leckagen nicht zum Treibhauseffekt bei.
- Hohe Vorlauftemperaturen: Ideal für Warmwasserbereitung und hohen Heizbedarf.
- Ressourcenschonend: CO₂ ist verfügbar, preiswert und umweltverträglich.
- Hohe Leistungsfähigkeit: Deckt auch bei kalten Außentemperaturen große Wärmebedarfe.
- Kompakte Technik: Effiziente Wärmeübertragung ermöglicht platzsparende Bauweise.
Welche Herausforderungen ergeben sich bei CO₂-Wärmepumpen?
CO₂ als Kältemittel besitzt besondere physikalische Eigenschaften und arbeitet unter sehr hohem Druck. Die Heizungskomponenten müssen diesem höheren Betriebsdruck standhalten, was robustere Technik und präzise Steuerung erfordert. Aufgrund der hohen technischen Anforderungen sind die Kosten für CO₂-Wärmepumpen teurer als herkömmliche Wärmepumpen. Wartung und Installation dürfen nur von speziell geschultem Personal durchgeführt werden, um Sicherheitsanforderungen und die Komplexität der Anlage zu berücksichtigen. Auch kommen leistungsstarke Verdichter zum Einsatz, die mehr Vibrationen und Geräusche verursachen und gute Schallschutzmaßnahmen nötig machen. Wie bei anderen Luftwärmepumpen kann auch die Außeneinheit vereisen, doch die Anlage taut automatisch ab.