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Kältemittel Wärmepumpen: Was ist das und wie gefährlich sind sie wirklich für uns und unsere Umwelt?

Kältemittel in Wärmepumpen: Was ist das?

Die Grundlage: Das Kältemittel ist das Arbeitsmedium in der Wärmepumpe. Ähnlich wie die Luft gibt es Wärme ab, wenn es komprimiert wird und nimmt Wärme auf, wenn es sich entspannt. Das Erwärmen eines Kältemittel​s kann man beobachten, wenn man einen Fahrradreifen aufpumpt. Die Luftpumpe bekommt aufgrund der Volumenänderungsarbeit eine höhere Temperatur und gibt Wärme ab. Umgekehrt nimmt ein Kältemittel immer dann Wärme auf, wenn man es entspannt, es nimmt Wärme auf, die Temperatur sinkt. Dies lässt sich anhand einer Spraydose veranschaulichen. Wird der Inhalt aus der Dose gelassen, entspannt sich das Medium in der Dose und sie wird kühler. Im Gegensatz zur Luft in der Luftpumpe kommt es innerhalb der Spraydose, genau wie bei einer Wärmepumpe mit entsprechendem Kältemittel, zu einem Übergang des Aggregatszustandes. Das Kältemittel geht von flüssig in gasförmig über und nimmt Wärme auf. Wird das Kältemittel anschließend komprimiert/verdichtet, hat die Wärme bildhaft gesprochen nicht mehr so viel Platz und das Kältemittel erwärmt sich. Wird die Wärme des Kältemittel​s abgeführt (zum Heizen verwendet) kondensiert das Kältemittel, es wird wieder flüssig. So trägt das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf zum Betrieb der Wärmepumpe bei.

Propan als gängiges Kältemittel in Wärmepumpen

In den meisten Deos zum Sprühen wird Propan als Treibmittel eingesetzt. In der Kältetechnik oder bei Wärmepumpen wird das Kältemittel Propan (eng. Refrigerant) mit dem Kürzel R290 geführt. In der Wärmepumpe wird Propan in einem in sich geschlossenen Kreislauf als natürliches Kältemittel benutzt. Wie in der Spraydose wird das flüssige Propan durch Zugabe von Wärme bei einem Niveau von bis zu – 20 °C verdampft und anschließend, wie bei der Luftpumpe mit einem elektrischen Verdichter komprimiert. Je nach gewünschter Temperatur um bis zu 10 bar. Das Kältemittel erwärmt sich in Folge der Volumenänderungsarbeit und gibt die Wärme über einen Wärmetauscher ab. Beim Abkühlen kondensiert das Kältemittel und steht anschließend wieder flüssig zur Verfügung. Das Kältemittel wird über eine Drossel entspannt, der Druck sinkt, das Kältemittel verdampft, außerdem verliert das Kältemittel weiter an Temperatur und kann anschließend wieder über die natürliche Wärmequelle (Umweltwärme) aufgeheizt und verdampft werden. Der Kreislauf des Kältemittel​s beginnt von vorn.

Im Gegensatz zu anderen Kältemittel​n ist Propan ein brennbares natürlich vorkommendes Gas, wir kennen es auch als Flüssiggas vom Grillen. Als Arbeitsmittel verbraucht sich das Kältemittel im Gegensatz zu einem Brennstoff allerdings nicht. Eine klimaschädigende Wirkung bleibt bei der sicheren Verwendung des Kältemittel​s aus! Nichts destotrotz hat aber auch die Wahl des Kältemittel​s einen Einfluss auf die Umwelt. Um einen besseren Überblick über den Einfluss zu bekommen, hat die EU zwei Kennzahlen für Kältemittel eingeführt. Sie ermöglichen es Experten, die mit Kältemittel​n umgehen, leichter einzuschätzen, wie hoch der Umwelteinfluss Ihres Handelns oder der Gerätewahl ist. 

Greenhouse warming potential (GWP) von Kältemitteln in Wärmepumpen

Zu den Kennzahlen gehört eine Zahl, die das Treibhauspotenzial des Kältemittel​s beschreibt, das sogenannte GWP (greenhouse warming potential). Als Referenzwert gilt logischerweise das CO2. 1 kg Kältemittel mit einem GWP von 1 hätte also ein Treibhauspotenzial wie 1 kg freigesetztes CO2 (CO2 ist ein gutes natürliches Kältemittel in Gefriergeräten). Propan hat dagegen einen GWP von 3, was bereits ein sehr guter Wert für Kältemittel ist. Das zurzeit noch beliebte R410A hingegen hat einen GWP von 2.088. Das ist hoch allerdings immer noch gering genug, um unter der Verbotsschwelle von 2.500 der EU-Verordnung über Kältemittel (F-Gase) zu liegen. Dennoch möchte die EU den Einsatz von R410A reduzieren. Dies geschieht über den sogenannten Phase-Down. Die kosten für den Erhalt des Mittels nehmen seit 2015, durch eine künstliche Produktionsverknappung, kontinuierlich zu. Erfahren Sie mehr zur F-Gasverordnung in diesem Youtube-Video. Berücksichtigt man zusätzlich, dass das Kältemittel nur in sehr geringe Menge (wenige kg) in den Geräten eingesetzt wird und im Gegensatz zur Verbrennung fossiler Energien, einen fortwährenden Kreislauf durchläuft und nur bei Beschädigungen oder unsachgemäßen Umgang freigesetzt wird, so ergibt sich ein differenziertes Bild für die Verwendung von Kältemittel​n. Da aber unter anderem auch bei der Produktion von Kältemittel und Wärmepumpen, immer auch ein bisschen Kältemittel entweicht, ist es gut, dass die Hersteller inzwischen vermehrt auf natürliche Kältemittel übergehen. Sie als potenziell/e Kunde/in tun gut daran sich mit dem Thema natürliches Kältemittel auseinander zu setzen, da es noch klimaschonender, langfristig verfügbar und mir einer höheren staatlichen Förderquote (aktuell 2023) belegt ist. Eine Übersicht mit Herstellern und deren angebotenen Kältemitteln finden Sie hier.

Ozonzerstörungspotenzial (engl. ozon depletion potential ODP) von Kältemitteln in Wärmepumpen

So kann man den GWP von Kältemittel berechnen

Als letztes Beispiel für den GWP sei eine simple Rechnung angefügt. Wird ein Haus mit Erdgas beheizt und benötigt für 130 qm etwa 12.000 kWh Erdgas (dies entspricht etwa 863 kg Methangas) pro Jahr, so ergibt sich ein jährlicher CO2-Ausstoß von 2,6 Tonnen durch die Verbrennung. Hinzu kommt ein anzunehmender Erdgasschlupf von 5% innerhalb des Übertragungsnetzes. Erdgas ist gleich Methan und trägt 25-mal so stark zur Klimaerwärmung bei wie CO2, sodass jährlich zum reinen Abgas noch 1,1 Tonnen für den Methanschlupf im Erdgasnetz hinzuaddiert werden müssen. Das macht unterm Strich eine CO2-Emission von 3,7 Tonnen pro Jahr. 

Im Vergleich entsteht z.B. mit 3 kg R410A Kältemittel und einem GWP von 2.088 bei einmaliger Füllung mit 3 kg * 2.088 = 6,26 Tonnen eingeschlossenes CO2-Äquvivalent (ist im hermetisch abgeschlossenen Kältekreis, soll nicht nach draußen), ein verhältnismäßig kleines Treibhauspotenzial, wenn man von 20 Jahren Betriebszeit mit einmaliger Kältemittel​-Füllung ausgeht. Zumal das Kältemittel nach der Verwendung recycelt werden muss. Dennoch sollte man sich bei der Wahl immer am GWP orientieren und ggf. prüfen, ob auch eine Wärmepumpe mit dem Kältemittel wie z.B. R290 und einem GWP von 3 in Frage kommt, denn auch der Umgang mit dem Kältemittel verursacht entsprechende Emissionen und die Herstellmengen von potenziell schädlichem Kältemittel zu begrenzen macht entsprechend Sinn. Der Nachteil von R290 ist unter anderem, die Brennbarkeit des Propangases und dass es schwerer ist als die uns umgebende Luft. Aus diesem Grund schreibt der Gesetzgeber eine Vielzahl weiterer Maßnahmen zum Schutz vor Unfällen mit diesem Kältemittel vor. Zum Beispiel muss neben dem üblichen Mindestabstand zum Nachbargrundstück, mit Luft-Wasser-Wärmepumpen, auch noch ein Mindestabstand zu Lichtschächten, Fenstern, Türen, Schaltern etc. eingehalten werden. Am besten befragen Sie hierzu Ihren Fachbetrieb oder Energieberater*In 😉

Übersicht über gängige Kältemittel in Wärmepumpen, inklusive GWP und möglicher toxischer Wirkung

Weitere Infos zu Kältemittel​n und ein Tool zur Berechnung des Treibhauspotenzials von Kältemittel​n finden Sie auf der Seite von Infraserv GmbH.

Fazit zu Kältemitteln in Wärmepumpen

Insgesamt ist es sinnvoll einen fossilen Energieträger durch eine nachhaltige Wärmepumpe zu ersetzen. Das Kältemittel ist in der Wärmepumpe nur in geringer Menge vorhanden, wird nicht verbraucht und lediglich bei Unachtsamkeit freigesetzt. Daher spielt das Kältemittel keine Rolle bei der Treibhausgasdiskussion. Jedoch lohnt es sich seine Anlagenwahl entsprechend der Gegebenheiten anzupassen und dabei neben dem Gefahrenpotenzial auch den GWP des Kältemittel​s zu berücksichtigen.

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