Propan-Wärmepumpen: Umstieg auf das natürliche Kältemittel R290

Wozu benötigt eine Wärmepumpe Propan?

Eine Wärmepumpe arbeitet mit einem Kältemittel. Dabei handelt es sich um eine Flüssigkeit, die bei äußerst niedriger Temperatur verdampft. Um Heizwärme zu erzeugen, nimmt das flüssige  Kältemittel  Energie aus der Umwelt auf. Als Dampf gelangt es in einen Verdichter, der das Kältemittel verdichtet. Dadurch wird es sehr warm und gibt seine Energie an den Heizkreislauf ab, wodurch es abkühlt und wieder flüssig wird. Der Kreislauf beginnt von Neuem.  

F-Gase-Verordnung und Phase-Down für den Klimaschutz

Als Kältemittel für Wärmepumpen dienten lange Zeit fluorierte Kohlenwasserstoffe (sogenannte F-Gase) wie R134a oder R410A. Doch seit die zerstörerischen Auswirkungen dieser synthetischen Kältemittel auf das Klima erkannt wurden, ist klar: klimaschädliche Kältemittel müssen verknappt werden. Geregelt ist dies in der sogenannten F-Gase-Verordnung (EU-Verordnung Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase). Sie beinhaltet den ‘Phase down’, der die Verwendung von Stoffen mit hohem Treibhauspotenzial (GWP, siehe Infobox) begrenzt und in Sachen Kosten unattraktiv macht. In neuen Anlagen sind Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial wie beispielsweise R22 inzwischen verboten. Denn unzureichend gewartete Anlagen können Leckagen aufweisen. In diesem Fall, spätestens aber wenn das Kältemittel entsorgt werden muss, kommt die Klimaschädlichkeit synthetischer Kältemittel voll zum Tragen.

Propan – natürlicher Rohstoff und klimafreundliche Alternative

Die veränderten Anforderungen an Kältemittel haben dazu geführt, dass sich das als “R290” bezeichnete Mittel Propan durchsetzt. Es ist ein natürlicher Rohstoff und dank eines GWP von drei deutlich weniger schädlich für Umwelt und Klima. Drucklage und Kälteleistung ähneln den Eigenschaften konventioneller Kältemittel. Des Weiteren sprechen der optimale Wirkungsgrad, die hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften sowie die weltweit günstige Verfügbarkeit für R290 als Alternative, um die synthetischen Kältemittel von früher zu ersetzen.  

Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in Wohngebäuden

Wer gerne grillt, hat Propan vielleicht schon einmal dazu verwendet, den heimischen Grill anzuheizen. Wie steht es um die Sicherheit dieses höchst brennbaren Mittels? In der Tat sind die Sicherheitsanforderungen hoch, weshalb Propan-Wärmepumpen lange Zeit meist nur im gewerblichen Bereich, etwa für industrielle Großanlagen, zum Einsatz kamen. 

Wärmepumpen mit Propan auch für Innenräume gut geeignet

Dank belastbarer Sicherheitskonzepte bieten viele Wärmepumpenhersteller mittlerweile auch kleine bis mittelgroße Wärmepumpen mit Propan an. Und zwar nicht nur für die gewerbliche Anwendung im Bereich jenseits der 80 Kilowatt (kW) Heizleistung, sondern für private Wohngebäude. Denn die Technik hat sich weiterentwickelt. Folgende Aspekte sprechen für die Sicherheit von Wärmepumpen mit Propangas:

• spezielle Verdichter, aus denen kein Propan entweichen kann
• hermetisch dichte Kältekreisläufe ohne Berührung zum Wasserkreislauf
• sehr geringe Kältemittelmenge
• festgelegte Mindestabstände zu Lichtschächten und Kellertüren

Stichwort Installation: Da es sich bei Propan-Wärmepumpen um sogenannte Monoblock-Wärmepumpen handelt, deren Kältekreislauf geschlossen ist, braucht der zuständige Heizungsbauer keinen Kälteschein mehr, um eine Wärmepumpe mit R290 zu installieren.

Erfolgreiche Plattform-Entwicklung ‘LC150’ des Fraunhofer ISE 

Durch den Prototyp LC150 hat es das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme im Jahr 2019 geschafft, die Füllmenge des Kältemittels Propan soweit zu reduzieren, dass Propan-Wärmepumpen auch im Gebäudeinneren aufgestellt und betrieben werden können. Kernstück der gemeinsam mit der Industrie entwickelten Plattform, die unter staatlicher Beteiligung stand, war ein spezieller Wärmeübertrager. Viele europäische Wärmepumpenhersteller, die bis dato allein für sich entwickelten, nutzen seither die technischen Erkenntnisse. So können sie marktfertige R290-Wärmepumpen anbieten, die für Einfamilienhäuser rentabel sind.

Hintergrund: Menge des Kältemittels entscheidend

Eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung von fünf bis zehn kW, wie sie für Einfamilienhäuser nötig ist, darf nicht mehr als 150 Gramm Kältemittel enthalten. Wird der Wert überschritten, fällt sie unter erhöhte Sicherheitsanforderungen, die für private Wohngebäude zu teuer und aufwändig sind. Zum Vergleich: Der Prototyp 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 und war damit unrentabel.

Vorteile von Propan als Wärmepumpen-Kältemittel

Der größte Vorteil von Wärmepumpen mit Propan ist, dass sie dank des niedrigen Treibhauspotenzials ihres Kältemittels eine höhere Umweltverträglichkeit aufweisen und dadurch nicht von der F-Gase-Verordnung betroffen sind. R290 an sich bietet günstige thermodynamische Eigenschaften, hohe Wirkungsgrade und gleichbleibende Kosten. Für einen sparsamen Betrieb gelten dieselben Bedingungen wie für Wärmepumpen mit anderen Kältemitteln. 

Einsatzbereiche nach Leistung und Verwendungsart

Wärmepumpen mit Propangas als Kältemittel werden in Leistungsbereichen von vier kW bis 25 kW eingesetzt. Sie finden aber auch in gewerblichen Großanlagen ab 80 kW Heizleistung Verwendung. Prinzipiell kann Propan konventionelle Kältemittel in allen Wärmepumpe-Arten ersetzen, egal ob Luft-Wasser-Wärmepumpen, Sole-Wasser-Wärmepumpen oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen. Einsetzbar sind die Propan-Anlagen in neuen sowie alten Häusern.

Umrüsten im Nachhinein nicht möglich – und unnötig

Eine Umrüstung bestehender Wärmepumpen auf R290 ist nicht möglich. Denn der Kältekreislauf muss extra ausgelegt werden. Außerdem stellen die Eigenschaften von Propan eigene Anforderungen an die Bauteile der Wärmepumpe. Doch ein nachträglicher Wechsel ist auch gar nicht nötig. Bereits in Betrieb befindliche Kältemittel dürfen weiterhin verkauft werden. Lediglich neue Anlagen sind von der F-Gase-Verordnung betroffen. Laut des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) ist mit Nachfüllproblemen bei herkömmlichen Kältemitteln ebenfalls nicht zu rechnen, da Kältekreisläufe von Wärmepumpen hermetisch dicht sind und alte Kältemittel zur Wiederverwendung recycelt werden können.  

Propan-Wärmepumpen für den Altbau geeignet?

Wärmepumpen mit Propan sind genauso effizient wie andere Wärmepumpen. Festzuhalten ist: Ob ein sparsamer Betrieb im Bestand möglich ist, hängt vom jeweiligen Einzelfall ab. Dass Wärmepumpen prinzipiell am besten mit guter Dämmung und Flächenheizungen funktionieren, trifft für Wärmepumpen mit R290 unverändert zu. Das heißt aber nicht, dass Wärmepumpen nicht auch ohne energetische Komplettsanierung und im Zusammenspiel mit älteren Heizkörpern effektiv betrieben werden können. Eine gute Planung und sorgfältige Installation vorausgesetzt, ist dies möglich. Im Zweifel sollte ein Fachmann die Gegebenheiten vor Ort klären. Denn er kann am besten einschätzen, welche Optimierungsmaßnahmen durchzuführen sind.  

Spezielle Hochtemperatur-Wärmepumpen nutzen Propan

Um Räume und Warmwasser ausreichend zu beheizen, muss eine Wärmepumpe das Wasser für den Heizkreislauf auf eine bestimmte Temperatur bringen. Allgemein gilt: je niedriger die Vorlauftemperatur, desto besser für den Betrieb. Das ist auch bei Einsatz des Kältemittels R290 nicht anders. Propan wird zudem in speziellen Hochtemperatur-Wärmepumpen genutzt. Sie wurden für die Verwendung mit höheren  Vorlauftemperaturen  entwickelt und eignen sich, wenn im Gebäudebestand keine zusätzlichen Sanierungsmaßnahmen geplant sind und etwa die Radiatoren nicht ausgetauscht werden sollen. Bei solchen Hochtemperatur-Wärmepumpen kommt Propan häufig zusammen mit CO₂ zum Einsatz.

Energiebedarf im Blick behalten

Trotz aller möglichen Optimierungsmaßnahmen gilt: Je weiter Vorlauf- und Umweltquellen-Temperaturen auseinander liegen, desto höher ist der Energiebedarf. Im Bestand sollten die Anforderungen an die Energieeffizienz von Gebäuden – wie etwa zusätzlicher Wärmeschutz durch Dämmung oder die Auslage von Flächenheizungen (beispielsweise Fußbodenheizungen) – nicht vernachlässigt werden. Soll eine R290-Wärmepumpe sparsam betrieben werden, gibt letztendlich der  Energiebedarf für das Haus  den Ausschlag.

Kosten

Bei den Preisen, die die betreffenden Wärmepumpenhersteller für R290-Wärmepumpen mit Propan aufrufen, macht der Einsatz des Kältemittels R290 keinen Unterschied. Die Anschaffungskosten unterscheiden sich je nach Wärmepumpen-Art nicht von denen anderer Anlagen. Zu beachten ist, dass der Einsatz von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial im Zuge des Phase Down teurer und zunehmend von Verboten belegt sein wird. Deshalb gilt Propan in Sachen Kosten als zukunftssicherer.

Förderung für Propan-Wärmepumpen

Die Investition in eine Propan-Wärmepumpe lässt sich mit staatlichen Fördermitteln reduzieren. Hier stehen Zuschüsse und steuerliche Vergünstigungen zur Wahl. Da es sich bei R290 um ein natürliches Kältemittel handelt, vergibt der Staat besonders hohe Fördermittel. Mehr Informationen zum Thema finden Sie in unserem Artikel “Förderung der Wärmepumpe im Überblick”.