Kältemittel für Wärmepumpen
Kältemittel spielen eine zentrale Rolle im Betrieb von Wärmepumpen, um Umweltwärme effizient in nutzbare Heizenergie umzuwandeln. Doch welches Kältemittel ist hierfür am besten geeignet? Von natürlichen Kältemitteln wie R290 bis hin zu synthetischen Kältemitteln wie R32 gibt es verschiedene Optionen, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Erfahren Sie, welche Kältemittel in Wärmepumpen verwendet werden, welche verboten sind und was der GWP-Wert damit zu tun hat.
Welche Aufgabe hat ein Kältemittel in Wärmepumpen?
Ein Kältemittel ist ein Fluid, das als Betriebsflüssigkeit in Kälte- und Wärmepumpensystemen verwendet wird. Es transportiert Wärme in einem thermodynamischen Prozess. Jede Wärmepumpe nutzt ein Kältemittel, um Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser aufzunehmen, nutzbar zu machen und an das Heizsystem abzugeben. Das Kältemittel verdampft bereits bei niedrigen Temperaturen, nimmt dabei Wärme auf und wird durch einen strombetriebenen Kompressor verdichtet. Dadurch steigen Druck und Temperatur. Im Kondensator gibt das Kältemittel die aufgenommene Wärme ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit. Dieser geschlossene Kreislauf ermöglicht den Phasenwechsel zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand, der für den effizienten Wärmetransport unerlässlich ist.
Die Begriffe Kältemittel und Kühlmittel werden oft verwechselt, unterscheiden sich aber in ihrer Funktion: Kältemittel verdampfen und kondensieren in Kälte- und Wärmepumpenanlagen, um Wärme zu transportieren. Kühlmittel bleiben flüssig und leiten in Motoren oder Maschinen Wärme ab, wie zum Beispiel die Kühlflüssigkeit im Auto, die den Motor vor Überhitzung schützt.
Welche Kältemittel werden in Wärmepumpen verwendet?
Heutzutage kommen in Wärmepumpen verschiedene Kältemittel zum Einsatz, die sich durch ihre Umweltfreundlichkeit, Effizienz und Sicherheit (Entzündlichkeit, Toxizität) auszeichnen. Ein ideales Kältemittel, das weder klimaschädlich noch brennbar oder giftig ist und zugleich optimale thermodynamische Eigenschaften besitzt, existiert jedoch nicht. Daher erfordert die Auswahl eines geeigneten Kältemittels stets einen Kompromiss. Bereits jetzt zeichnet sich jedoch ab, dass umweltfreundliche Kältemittel für Wärmepumpen eine wesentliche Rolle in der Zukunft spielen werden.
Grundsätzlich wird zwischen synthetischen Kältemitteln, die gezielt für spezifische Anwendungen entwickelt werden, und natürlichen Kältemitteln, die direkt in der Natur vorkommen, unterschieden. In modernen Hauswärmepumpen werden bevorzugt die Kältemittel R290 oder R32 eingesetzt. Die Namen der Kältemittel beginnen mit dem Buchstaben „R“, der für „Refrigerant“ (englisch für „Kältemittel“) steht.
Natürliche Kältemittel
- R290
R290 (Propan) ist ein Kohlenwasserstoff mit einem extrem niedrigen GWP-Wert von 3. Das natürliche Kältemittel bietet eine sehr gute Effizienz und ist überaus zukunftssicher, weil es umweltfreundlich, breit verfügbar und günstig ist. Aufgrund seiner potenziellen Entflammbarkeit wird R290 vor allem in Propan-Wärmepumpen zur Außenaufstellung eingesetzt, da hohe Sicherheitsvorschriften für brennbare Kältemittel gelten.
- R744
R744 (Kohlendioxid, CO₂) ist ein natürliches Kältemittel mit einem GWP von 1, was es praktisch klimaneutral macht. Es wird häufig in Hochtemperatur-Wärmepumpen genutzt, da es dort unter extrem hohem Druck arbeitet und so hohe Vorlauftemperaturen erreicht. Allerdings erfordert der hohe Betriebsdruck besonders robuste Systemkomponenten. Bei moderaten Temperaturen ist die Effizienz geringer als bei anderen Kältemitteln, was den Anwendungsbereich einschränkt.
Synthetische Kältemittel
- R32
R32 ist ein fluoriertes Gas mit einem moderaten GWP-Wert von 675, das sich auch in naher Zukunft einsetzen lässt. Es bietet eine hohe Anlageneffizienz und ist deutlich umweltfreundlicher im Vergleich zu konventionellen Kältemitteln wie R410A. Deshalb ist R32 eine der gängigen Alternativen für Kältemittel mit höherem GWP. Auch wird es häufig in Split-Klimaanlagen verwendet, welche aus einer separaten Innen- und Außeneinheit bestehen.
- R410A
Das synthetische Kältemittel R410A gilt bisher als Standard in Wärmepumpen, da es hervorragende thermodynamische Eigenschaften bietet. Es besteht aus je 50 Prozent R32 und R125 (Pentafluorethan). Jedoch gilt es mit einem hohen GWP von 2.088 als klimaschädlich und wird zunehmend durch umweltfreundlichere Alternativen wie R32 ersetzt. Dennoch bietet das Kältemittel R410A ein hohes CO₂-Einsparpotenzial gegenüber fossilen Wärmeerzeugern wie Öl- oder Gasheizungen.
Was ist der GWP-Wert eines Kältemittels?
Der GWP (Global Warming Potential) gibt an, wie stark ein Kältemittel im Vergleich zu Kohlendioxid (CO₂) zur globalen Erwärmung beiträgt. Ein GWP-Wert von 2.088 bedeutet beispielsweise, dass das Kältemittel über einen Zeitraum von 100 Jahren 2.088-mal klimaschädlicher ist als die gleiche Menge CO₂. Dieser Fall tritt natürlich nur dann ein, wenn es durch Leckagen oder unsachgemäße Entsorgung in die Atmosphäre gelangt. Je höher der GWP-Wert, desto schädlicher ist das Kältemittel für das Klima. Aus diesem Grund wird der Einsatz von Kältemitteln mit niedrigem GWP bevorzugt.
Übersicht der gängigsten Kältemittelarten
| Kältemittel | GWP | ODP | Effizienz | Betriebsdruck |
Sicherheit |
|---|---|---|---|---|---|
| R32 (Difluormethan) | 675 | 0 | Hoch | Mittel bis hoch | A2L: leicht entzündlich, ungiftig |
| R410A (Difluormethan + Pentafluorethan) | 2088 | 0 | Hoch | Hoch | A1: nicht entzündlich, ungiftig |
| R290 (Propan) | 3 | 0 | Hoch | Niedrig | A3: hoch entzündlich, ungiftig |
| R744 (CO₂) | 1 | 0 | Mittel | Sehr hoch | A1: nicht entzündlich, ungiftig |
Eigenschaften von Kältemitteln
- Global Warming Potential (GWP): Maß für den Beitrag zur Erderwärmung. Moderne Kältemittel haben oft einen niedrigen GWP, um umweltfreundlicher zu sein.
- Ozone Depletion Potential (ODP): Maß für die Schädigung der Ozonschicht. Heutige Kältemittel haben in der Regel einen ODP von 0.
- Thermodynamische Effizienz: Kältemittel müssen effizient Wärme transportieren, um die Energieeffizienz des Systems zu maximieren.
- Betriebsdruck: Der Druck, bei dem ein Kältemittel im System arbeitet, beeinflusst die Konstruktionsanforderungen.
- Sicherheitsanforderungen: Kältemittel werden hinsichtlich der Entflammbarkeit und Toxizität bewertet.
Welche Kältemittel sind verboten?
Früher wurden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) aufgrund ihrer hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften als Kältemittel eingesetzt. Da sie jedoch nachweislich die Ozonschicht schädigen, sind sie seit den 2000er Jahren verboten. Beispiele für diese ozonschädlichen, chlorierten Stoffe sind R22 (Chlordifluormethan) und R12 (Dichlordifluormethan).
Als Ersatz kamen teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW, kurz F-Gase) zum Einsatz, die jedoch ebenfalls umweltschädlich sind. Teilfluorierter Kohlenwasserstoffe haben eine erhebliche Treibhauswirkung, sind energieintensiv in der Herstellung und belasten die Umwelt durch ihren Fluorgehalt. Ihre Entsorgung erfordert zudem spezielle Maßnahmen.
Die EU regelt mit der neuen F-Gase-Verordnung von 2024 den schrittweisen Ausstieg aus der Nutzung von fluorierten Kältemitteln. Bis 2030 sollen 95 Prozent weniger HFKW-Kältemittel im Vergleich zu 2015 verwendet werden. Zudem werden F-Gase zunehmend teurer. Auch Kältemittel, die PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen) enthalten, wie R134A, stehen in der öffentlichen Diskussion, gesundheitsschädlich zu sein.
Das Wichtigste auf einen Blick:
- Bereits seit 2020 müssen Kältemittel in neuen Systemen einen GWP-Wert < 2500 aufweisen. Zu den verbotenen Kältemitteln zählt beispielsweise R404A (GWP: 3980).
- Kältemittel mit einem moderaten GWP von 750 bis 2500, wie R410A (GWP: 2088), sind noch erlaubt, ihr Einsatz wird jedoch zunehmend eingeschränkt. Auch das Kältemittel R32 (GWP: 675) erfüllt aktuell die EU-Anforderungen und ist zunächst nicht verboten.
- Ab 2027 gilt ein F-Gas-Verbot von Kältemitteln mit einem GWP > 150 in vielen Neuanlagen bei Monoblock- und Split-Wärmepumpen sowie Klimaanlagen. Dieses betrifft auch die HFKW-Kältemittel R410A und R32.
- Allerdings greift ein Bestandsschutz: Bereits installierte Anlagen mit Kältemitteln, deren GWP-Wert < 2500 liegt, dürfen weiterhin gewartet und betrieben werden.
- Die Nutzung von klimafreundlicheren Kältemitteln, deren GWP < 150 liegt, wird gefördert. Für die Kältemittel R290 (GWP: 3) und R744 (GWP: 1) ist kein Verbot zu erwarten, sie können uneingeschränkt weitergenutzt werden.
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