Kältemittel für Wärmepumpen

Kältemittelarten und Klimawirkung

Die grundsätzliche Eignung eines Kältemittels ergibt sich aus den thermodynamischen Eigenschaften (Verdampfungs- und Siedetemperatur). Verdichter benötigen für den sicheren Betrieb Öl zur Schmierung der bewegten Bauteile. Vorteilhaft ist eine gute Löslichkeit von Kältemittel mit dem Öl, die zum guten Abtransport aus dem Verdampfer führt. In der Praxis wirkt sich das positiv auf die Effizienz der Wärmepumpe aus.

Alle Kältemittel sind durch den Buchstaben R am Namensanfang zu erkennen, der für das englische Wort „refrigerant” (deutsch: Kältemittel) steht. Die darauffolgende Zahl gibt Auskunft über die chemische Zusammensetzung des Kältemittels.

In der Vergangenheit wurden überwiegend synthetische Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) als Kältemittel eingesetzt. Sie haben vorteilhafte Eigenschaften, schädigen aber die Ozonschicht und wurden daher im Nachgang des Montreal-Protokolls 1987 verboten. Als Ersatz für die FCKWs wurden hauptsächlich Fluorkohlenwasserstoffe (FKWs) als Kältemittel eingesetzt. Diese schädigen zwar nicht die Ozonschicht, haben aber ein starkes Treibhauspotenzial, das Global Warming Potential (GWP).  

Seit 2015 wird durch die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase, auch „F-Gase-Verordnung“ genannt,  eine schrittweise Beschränkung (Phase-Down) des GWP von Kältemitteln umgesetzt bzw. Verbote von Kältemitteln mit hohem GWP vorangetrieben.

Im Oktober 2023 wurde die F-Gase-Verordnung novelliert und ein beschleunigter Phase-down der Menge an fluorierten Treibhausgasen bis auf null im Jahr 2050 beschlossen. Darin enthalten sind Verbote für das Inverkehrbringen von Wärmepumpen und Klimageräte, die Kältemittel mit vorgegebenen GWP-Werten überschreiten.

Einen aktuellen Überblick über die Ausgestaltung der Verordnung bietet das Umweltbundesamt mit weiteren Informationen zu Verwendungsverboten, Betreiberpflichten und einer Liste der GWP-Werte.

Umweltwirkung durch PFAS

PFAS sind Per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen die sich durch ihre fett- und wasserabweisenden Eigenschaften in vielen Stoffen und Produkten befinden, so auch in mehreren Kältemitteln. Sie besitzen besondere chemische Stabilität und verbleiben daher über Jahrzehnte in der Umwelt.

Das geplante Verbot dieser "ewigen Chemikalien" soll eine Freisetzung in die Umwelt stark reduzieren sowie Produkte und Prozesse für den Menschen sicherer machen und wird im Rahmen der EU-Chemikalienverordnung REACH geregelt. Am 07.02.2023 hat die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) einen von Deutschland, den Niederlanden, Dänemark, Norwegen und Schweden ausgearbeiteten Beschränkungsvorschlag auf ihrer Internetseite veröffentlicht, der mehr als 10.000 Per- und Polyfluoralkylsubstanzen PFAS betrifft. Mit einer Entscheidung über den Beschränkungsvorschlag durch die Europäische Kommission gemeinsam mit den Mitgliedstaaten ist voraussichtlich 2025 zu rechnen.

Betroffen sind viele fluorierte und somit die meisten synthetischen Kältemittel. Natürliche  Kältemittel sind keine PFAS.

Aktuelle Informationen und Regelungen veröffentlicht das Umweltbundesamt (UBA).

Synthetische und natürliche Kältemittel

Die synthetischen und klimaschädlichen Kältemittel R-410a und R-407c dominieren bisher den Markt. Der Trend in der Kälte-, Klima- und Wärmepumpenbranche geht zu synthetischen Kältemitteln mit möglichst niedrigem Treibhauspotenzial (z.B. R32) bzw. zu natürlichen Kältemitteln mit GWP nahe Null, z.B. Propan R 290. Für Wärmepumpen im Gebäudebereich werden als neue Kältemittel überwiegend R32 Difluormethan und R290 Propan eingesetzt.

Folgende Grafik bietet einen Überblick zu gängigen Kältemitteln, der jeweiligen Produktionsart und des Global Warming Potentials (Datenquelle: Umweltbundesamt).

Propan als natürliches Kältemittel

In Wärmepumpen für Wohngebäude wird als natürliches Kältemittel überwiegend Propan eingesetzt. Es besitzt gute thermodynamische Eigenschaften und ermöglicht eine höhere Effizienz der Wärmepumpe als andere Kältemittel. Es hat einen Nachteil: Propan ist brennbar. Eine Nutzung in Gebäuden erfordert zusätzliche Anforderungen an die Größe und Lüftung der Räume. Es gibt keine Anforderungen an die Aufstellung, wenn die Füllmenge Propan kleiner ist als 150 Gramm. Derzeit befinden sich Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung mit dieser geringen Kältemittelmenge in der Entwicklung.

Sicherheit von Kältemitteln in Wärmepumpen

Bei der Auswahl des Kältemittels steht neben der Umweltbelastung die Sicherheit im Vordergrund. Grundsätzlich gilt, dass der Kältemittelkreislauf über die gesamte Lebensdauer einer Monoblock-Wärmepumpe hermetisch (luft- und wasserdicht) verschlossen bleibt, beziehungsweise in Splitbauweise technisch dauerhaft dicht ist.

Kältemittel werden gemäß DIN EN 378-1 in Sicherheitsklassen hinsichtlich ihrer Toxizität und Entflammbarkeit kategorisiert. Die Toxizität wird mit den Buchstaben A und B angegeben, wobei A für geringe Toxizität steht und B erhöhte Toxizität bedeutet. Die Brennbarkeit wird mit einem Wert von 1 bis 3 angegeben. Dabei bedeutet 1 „nicht brennbar“, 2 „entflammbar“ und 3 „leicht entflammbar“. Hinzu kommt der Wert 2L für Kältemittel, die schwer entflammbar sind. Zusammenfassend ergeben sich so die sogenannten L-Sicherheitsgruppen: L1 = Unbedenkliche Substanzen (A1), L2 = auffällige Substanzen (A2, B1, B2), L3 = Bedenkliche Substanzen (A3, B3).

Besonders relevant für Wärmepumpen sind maximale Kältemittelfüllmengen. Für größere Kältemittelfüllmengen von flammbaren Kältemitteln gelten Anforderungen an Räume oder Aufstellungsorte bzw. minimale Raumgrößen, ggf. mit zusätzlichen Sicherheitsanforderungen wie eine Zwangsentlüftung.

Hinweise zum Einsatz von Kältemitteln in Wärmepumpen

In der folgenden Liste werden Hinweise zum Umgang mit den Kältemitteln und ihrem Einsatz in den Wärmepumpen näher aufgeführt: