Kältemittel

Propan ist eine gute Alternative für WP zu Kältemitteln mit hohem Erderwärmungspotenzial. Kältetechnische Anlagen, die mit Propan in Betrieb sind, werden aus sicherheitstechnischen Aspekten auch in Dachzentralen platziert. (Bilder: zVg, Fraunhofer ISE)

Das Besondere am Propan-Wärmetauscher des Fraunhofer ISE ist nun, dass er eine bionische Struktur besitzt.

Damit kein Propan entweichen kann, werden an Komponenten und Installation grössere Ansprüche gestellt.

Propan als gute Alternative

«Wärmepumpen mit Propan zu betreiben, ist nicht zu verantworten». Der Geschäftsführer eines bekannten Herstellers liess diesen Satz, anlässlich einer Tagung so im Raum stehen. Ist der Einsatz von Propan wirklich so verantwortungslos, oder lässt sich diese Behauptung relativieren?

Mit Wärmepumpen und Propan als Kältemittel hat man bereits jahrelange Erfahrung. Bedingt durch eine hohe Ausfallquote, wurden diese Maschinen nicht mehr eingesetzt. Der Grund war jedoch nicht ein Gefahrenpotential, sondern für Propan nicht geeignete Kälteöle, die zu Schäden an Verdichtern führen konnten.

Woher kommt nun dieser aussergewöhnliche Respekt vor Propan als Kältemittel? Hat der Heizungsinstallateur gewisse Bedenken bei der Montage solcher Geräte? Kaum, er wird die Wärmepumpe einbauen und in Betrieb nehmen. Falls etwas mit dem Kältekreis nicht stimmen sollte, wird er umgehend einen Kältetechniker aufbieten. Ist es der Hausbesitzer, der gerne auf eine «Gasbombe» im Keller verzichtet und ein Modell mit einem ungefährlichen Kältemittel auswählt? Bei guter fachmännischer Beratung kaum.

Sicherer Umgang

Mit brennbaren und explosionsgefährdeten Stoffen kann man sicher umgehen. Dies wird von zahllosen Tankstellen und Gasheizungen in Europa bewiesen, da die Bedienung mehrheitlich durch ungeschultes Personal und Privatpersonen erfolgt. Der Gedanke an ein Kilogramm Propan in einer Wärmepumpe, geht für viele Personen gar nicht. Eindeutig zu gefährlich. Aber draussen beim Gasgrill steht eine Flasche Butangas mit zehn oder mehr Kilogramm Inhalt an der Sonne. Auch Propangasbrenner in Wohnmobilen gelten meist als ungefährlich. Auflagen, die beispielsweise den Transport durch Alpentunnels regeln, sind nicht bekannt.

Warum noch massive Vorbehalte gegen Kohlenwasserstoffe als Kältemittel bestehen, obwohl hier doch überwiegend geschultes und sachkundiges Personal mit den Anlagen umgeht, leuchtet nicht ein. Bei industriell gefertigten Maschinen und Betreuung der Anlagen durch Fachpersonal, stellen Kohlenwasserstoffe ideale Alternativen für Wärmepumpen dar. Propan R290 gehört zu den Kohlwasserstoffen. Aus dieser Gruppe resultieren beispielsweise Propan (R-290), Isobutan (R-600a) und Propen (R-1270) als günstige Kältemittel. Sie haben ein GWP von maximal drei, sind aber hochentzündlich, sind der ASHRAE-Sicherheitsgruppe A3 zugeordnet und unterliegen strengeren Richtlinien. Auf Grund der dadurch installierten Sicherheitsvorrichtungen in Anlagen, liegen die Kältemittelverluste jedoch nahe Null. Propan ist weltweit preiswert erhältlich und wird dank seiner idealen kältetechnischen Eigenschaften besonders in Anlagen mit geringen Füllmengen eingesetzt.

Sicherheit im Umgang mit Propan

Kälteanlagen und Wärmepumpen, in denen Flüssiggase als Kältemittel eingesetzt werden, unterstehen in der Schweiz den Anforderungen der EKAS-Richtlinie 6517, sofern deren Füllmenge 1,5 kg übersteigt. Die Richtlinie besagt unter Kapitel 18.1, dass «nur solche Berufs- oder Fachleute Flüssiggasanlagen erstellen, ändern oder in Stand halten [dürfen], die über geprüftes Fachwissen im Bereich Flüssiggas und Installationstechnik verfügen.» Das heisst, nur ausgebildetes und geprüftes Fachpersonal darf an Anlagen mit mehr als 1,5 kg Kältemittel der Sicherheitsklasse A3 (Propan, Isobutan, Propen) Arbeiten verrichten. Gemäss Prüfungsreglement des Arbeitskreises LPG ist der Schweizerischen Verein für Kältetechnik (SVK) für die Prüfung der Kälte- und Wärmepumpenfachleute zuständig. Auszug Prüfungsreglement LPG Kapitel 2.2: «Für Kältetechnik- und Wärmepumpenfachleute, die Flüssiggas als Kältemittel einsetzen, werden die Anforderungen zur Zulassung vom SVK formuliert und geprüft.»

Von besonderer Bedeutung für die Arbeitssicherheit sind die niedrigen Zündgrenzen der Flüssiggase. Es genügen also schon kleinste Mengen flüssig ausströmenden Gases, um bei dem sich ergebenden ca. 260-fachen Volumen der Gaswolke in Verbindung mit Luft ein zündfähiges Gemisch zu bekommen. Ein Propan-Luft-Gemisch mit nur 2,1 Vol.-% Propan ist bereits explosionsfähig. Ein Liter flüssiges Propan (ca. 0,5 kg) verdampft zu 260 l Propangas, das demnach in Mischung mit Luft 12 400 l explosionsfähige Atmosphäre ergeben kann. Bereits 10 l explosionsfähige Atmosphäre sind als gefährlich anzusehen.

Füllmengen minimieren

Um die Sicherheitsrisiken der Verwendung von Propan im Wärmekreislauf zu minimieren, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten. Die Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am renommierten Fraunhofer ISE hat daher hochkompakte, gelötete Lamellen-Wärmetauscher entwickelt, die mit geringen Flüssigkeitsmengen funktionieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen zudem das gleiche Dampf-Flüssigkeitsverhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will.

Das Besondere am Propan-Wärmetauscher des Fraunhofer ISE ist nun, dass er eine bionische Struktur besitzt. Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Der ISE-Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleichmässige Verteilung des Propans in die einzelnen Verdampferkanäle bei geringer Kältemittelmenge ermöglichen. Damit kann die gesamte Wärmetauscherfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden.

Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren, verwendete das Fraunhofer ISE einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Wärmepumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden. Der Prototyp einer Wärmepumpe des Fraunhofer Instituts, ‘LC150’, benötigt pro Kilowatt Leistung nur 20 Gramm Propan. Der Stand der Technik, der bis dahin marktüblich war, lag bei 80 bis 90 Gramm pro Kilowatt.

Sicherheit bei grossen Leistungen

Das sich Propan für grosse Leistungen eignet, ist soweit bekannt. Ein Demonstrationsprojekt in Oberwinterthur nutzt nun eine reversible (Heizen-und-Kühlen-)Luft/Wasser-Wärmepumpe auf der Basis von Propan in einem mittelgrossen Bürogebäude. In einer knapp zweijährigen Messkampagne hat die Propan-Wärmepumpe in dem nach Minergie-P-Standard errichteten Neubau ihre Funktionstüchtigkeit bewiesen. Das realisierte Heiz- und Kühlsystem eignet sich insbesondere für sehr gut gedämmte Neubauten an Standorten, wo keine geothermischen Wärmequellen (Erdsonden oder Grundwasser) zur Verfügung stehen. Propan zeigt gute Eigenschaften bei Wärmepumpen, die eine relativ kleine Temperaturdifferenz überbrücken müssen, wie das bei Niedertemperatur-Heizungen für exzellent wärmegedämmte Gebäude der Fall ist. Bei diesem Gewerbeneubau wurde die Wärmepumpe aus sicherheitstechnischen Aspekten auf dem Dach platziert. Eine Gasüberwachungsanlage dient der Kontrolle der Kältemittelkonzentration innerhalb des schallgedämmten Gehäuses. Bei einer Leckage wird das gesamte Maschinengehäuse stromlos geschaltet. Ein Ventilator sorgt im Schadensfall für die Verteilung von auslaufendem Propan in der Umgebung, damit kein zündfähiges Gas-Luft-Gemisch entstehen kann.

Die Fachleute und Spezialisten der Kälte- und Klimabranche setzen ihr gesamtes Wissen ein, um Propan als Kältemittel weiter etablieren zu können. Die Nachfrage wird zunehmen, denn bedingt durch die F-Gase-Verordnung müssen folgerichtig natürliche Kältemittel führend werden. Niemand zweifelt an oder fürchtet sich vor dem eigenen Kühlschrank, obwohl mit dem Kältemittel Isobutan (R600a) ein naher Verwandter von Propan zuverlässig seine Kühlaufgabe verrichtet.