Kältemittel in Wärmepumpen

Ein Kältemittel ist ein spezielles Fluid, das für den Transport von Wärmeenergie verantwortlich ist. Dabei wird jeweils ein Kreislaufprozess durchlaufen, bei dem Wärme auf einem geringen Temperatur- und Druckniveau aufgenommen und auf einem höheren wieder abgegeben wird.

Kältemittel kommen in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen wie in der Wärmepumpe, im heimischen Kühlschrank, in der Gefriertruhe und im industriellen Kühlprozess zum Einsatz. Die jeweilige Beschaffenheit des Kältemittels hängt daher stark davon ab, wofür es Anwendung findet. Gute Kältemittel zeichnen sich jedoch durch folgende Eigenschaften aus:

• niedrige Siedetemperatur

• geringes Dampfvolumen

• geringer Verflüssigungsdruck (Druck, bei dem das Kältemittel verflüssigt wird), der eine hohe Leistungszahl begünstigt

• hohe chemische Stabilität

Um die Bedeutung des Kältemittels in der Wärmepumpe zu verstehen, ist zunächst ein kleiner Exkurs in die Grundlagen der Wärmepumpentechnik hilfreich.

Eine Wärmepumpe ist eine technische Anlage, die frei verfügbare Umweltwärme aus der Umgebung oder dem Erdreich auf ein höheres Temperaturniveau „pumpt“ und dadurch für die Gebäudebeheizung nutzbar macht. Wärmepumpen können nicht nur Außenluft, sondern auch Grundwasser oder das oberflächennahe Erdreich als Wärmequelle nutzen. Unser separater Beitrag informiert Sie im Detail über die verschiedenen Wärmepumpen-Arten.

Um das Arbeitsprinzip einer Wärmepumpe zu verstehen, dient häufig der haushaltsübliche Kühlschrank als Beispiel: Der Kühlschrank transportiert Wärme aus dem Inneren nach außen und hält somit Lebensmittel kühl. Die Wärmepumpe arbeitet nach demselben Prinzip, nutzt aber die abgegebene Wärme: Sie transportiert Wärme aus dem Außenbereich ins Gebäudeinnere.

Wärmepumpen erfreuen sich vor allem bei Gebäuden mit modernen Flächenheizungen großer Beliebtheit. Flächenheizungen benötigen im Vergleich zu konventionellen Heizkörpern eine geringere Temperatur (Vorlauftemperatur). Die Wärmepumpe erreicht dadurch eine höhere Jahresarbeitszahl, sie braucht also weniger Strom für dieselbe Wärmemenge.

Aber auch Bestandsgebäude beheizt eine moderne Wärmepumpe in der Regel über das ganze Jahr hinweg. Hier können lediglich kleinere Sanierungsmaßnahmen wie ein Austausch einzelner Heizkörper notwendig sein.

Die Effizienz einer Wärmepumpe bewerten Fachleute üblicherweise mit der Kennzahl COP (Coefficient of Performance). Diese gibt das Verhältnis von Wärmeleistung zur erforderlichen elektrischen Leistung an.

In der Umgangssprache setzen viele Kältemittel und Kühlmittel fälschlicherweise gleich, doch es gibt einen entscheidenden Unterschied zwischen beiden Fluiden. Eine Wärmepumpe würde mit einem Kühlmittel beispielsweise nicht funktionieren.

Per Definition (DIN 8960 Abs. 3.1) handelt es sich bei einem Kältemittel um ein Fluid, das „in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt“. Das bedeutet, dass ein Kältemittel auch dann Wärme transportieren kann, wenn die Temperatur der Umgebung höher ist als die des zu kühlenden Gegenstands – es handelt sich also um einen dem Temperaturgradienten entgegengesetzten Wärmetransport.

Einem Kühlschrank gelingt es beispielsweise, den Inhalt auf eine Temperatur zu kühlen, die unter der Umgebungstemperatur liegt. Mit einem Kühlmittel wäre das nicht möglich: Das Kühlmittel kann Wärme nur von einem Gegenstand abtransportieren, dessen Umgebung kälter ist. Der Kühlkreislauf eines Autos funktioniert beispielsweise mit einem Kühlmittel, das sich durch den Motor aufheizt und die Wärme so an die kühlere Umgebung abgibt.

In Wärmepumpen kommen als Kältemittel heute überwiegend teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) zum Einsatz. Diese weisen ein hohes Treibhauspotenzial auf, das bei Leckagen und bei der Entsorgung der Anlage wirksam wird. Im Oktober 2016 hat die internationale Staatengemeinschaft daher mit der Kigali-Änderung des Montrealer Protokolls beschlossen, Produktion und Verbrauch von HFKW schrittweise zu senken, um den Einfluss auf die Klimaerwärmung zu reduzieren.¹

Als Alternative zu HFKW-Kältemitteln werden vor allem Kältemittel mit einem geringen Treibhauspotenzial gehandelt. Ab 2028 fördert der Staat nur noch Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln.² Damit zeichnet sich auf Seiten der Hersteller eine klare Tendenz zu Alternativen mit geringerem Treibhauspotenzial ab.

Nach dem Bekanntwerden der Ergebnisse einer Gemeinschaftsrecherche von 18 europäischen Nachrichtenredaktionen wird aktuell über ein Verbot von PFAS (per- und polyfluorierte Chemikalien) diskutiert. Die PFAS kommen heute nicht nur in Kleidung und Kosmetika, sondern auch in vielen synthetischen Kältemitteln für Wärmepumpen zum Einsatz.

Besonders das Kältemittel R290 (Propan, GWP 0,02 nach IPCC AR6) gilt als guter Ersatz für synthetische Kältemittel, da es von den Beschränkungen der F-Gase-Verordnung nicht erfasst wird. Ein Beispiel für den Einsatz von R290 ist die Luft/Wasser-Wärmepumpe CHA-Monoblock des Wärmepumpen-Herstellers WOLF. Auch die natürlichen Stoffe Ammoniak (NH₃) oder Kohlendioxid (CO₂) kommen als Alternativen infrage, eignen sich aber für Wärmepumpen, die ausschließlich privaten Anwendungszwecken dienen, nur in seltenen Fällen.

Bei der umweltpolitischen Diskussion zu Kältemitteln steht vor allem die sogenannte F-Gase-Verordnung im Fokus. Diese EU-Verordnung zielt darauf ab, die Emissionen fluorierter Treibhausgase (F-Gase) schrittweise zu senken. Darüber hinaus will die Verordnung Anreize für die Verwendung alternativer Kältemittel wie R290 mit einem geringeren Treibhauspotenzial schaffen.

Die F-Gase-Verordnung beinhaltet im Wesentlichen drei Regelungsansätze:

1. Schrittweise Beschränkung der verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) – im Jahr 2030 sollen die erlaubten Höchstmengen nur noch rund 5% des Basiswerts von 2015 betragen, ab 2050 sind HFKW nicht mehr zugelassen

2. Verbote für bestimmte Geräte und Kältemittel, wenn sich Alternativen mit niedrigerem Treibhauspotenzial technisch ebenfalls nutzen lassen

3. Weitere Regeln zu Dichtheitsprüfungen, Entsorgung und Kennzeichnung

Neben den oben genannten Regeln enthält die Verordnung weitere Bestimmungen zu Kältemitteln mit besonders hohem Treibhauspotenzial wie R404A. Dieses Kältemittel liegt mit seinem GWP-Wert (GWP = Global Warming Potential, übersetzt Treibhauspotenzial) deutlich über 2.500. Es wirkt über 100 Jahre betrachtet also mehr als 2.500-mal stärker auf das Klima als dieselbe Menge CO₂. Seit 2020 dürfen in neuen ortsfesten Kälteanlagen keine HFKW mit einem GWP-Wert ab 2.500 mehr eingesetzt werden.

Kältemittel lassen sich grundsätzlich in folgende Kategorien einteilen:

• FCKW (chlorhaltig, perhalogeniert)

• natürliche Kältemittel (zum Beispiel Propan)

• HFCKW (chlorhaltig, teilweise halogeniert)

• HFKW (chlorfrei, teilfluorierte Kohlenwasserstoffe)

• HFO (Hydrofluorolefine, teilfluorierte Olefine)

Die chlorhaltigen Kältemittel FCKW und HFCKW dürfen bei Neuanlagen aufgrund ihrer Ozonschädlichkeit schon seit vielen Jahren nicht mehr zum Einsatz kommen. HFKW-Kältemittel sind derzeit in den meisten Wärmepumpen zu finden. Wie bereits beschrieben, fördert der Staat ab 2028 allerdings nur noch Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln.

Die folgende Übersicht gibt Aufschluss über die wichtigsten heute verwendeten Kältemittel mit der zugehörigen Sicherheitsklasse und dem Treibhauspotenzial (GWP, nach IPCC AR6).³

Legende Sicherheitsklasse:

• A = geringe Giftigkeit

• B = größere Giftigkeit

• 1 = keine Flammenausbreitung

• 2 = geringe Brennbarkeit

• 3 = größere Brennbarkeit

• L = geringe Brenngeschwindigkeit

Die Übersicht zeigt im Wesentlichen zwei Unterschiede zwischen konventionellen HFKW-Kältemitteln und natürlichen Kältemitteln:

1. Zum einen weisen HFKW-Kältemittel einen signifikant höheren GWP-Wert auf.

2. Zum anderen sind natürliche Kältemittel mit Ausnahme von CO₂ in der Regel brennbar.

R290 hat gute kältetechnische Eigenschaften. Damit sind hohe Vorlauftemperaturen möglich, sodass sich das Kältemittel auch für viele Bestandsgebäude mit Heizkörpern eignen kann. Die WOLF CHA-Monoblock erreicht zum Beispiel Vorlauftemperaturen bis 70°C.

Das Treibhauspotenzial von R290 (Propan, GWP 0,02 nach IPCC AR6) ist deutlich niedriger als bei HFKW-Kältemitteln. Außerdem schädigt R290 die Ozonschicht nicht. Propan fällt bei der Erdgas- und Erdölverarbeitung an und muss nicht synthetisch hergestellt werden.

Propan fällt nicht unter die Quoten der F-Gase-Verordnung. Die erlaubte Menge an HFKW sinkt dagegen schrittweise bis 2050 auf null.

Konventionelle HFKW-Kältemittel wie R410A, R134a und R407C haben die Sicherheitsklasse A1: Sie sind nicht brennbar und gering giftig. R290 ist dagegen brennbar (A3), deshalb gelten für die Aufstellung und Installation besondere Vorgaben. Mehr dazu lesen Sie im Ratgeber zur Propan-Heizung.

Im Vergleich zu anderen Heizarten gelten Wärmepumpen als wartungsarm. Wegen des hohen Treibhauspotenzials von F-Gasen schreibt die F-Gase-Verordnung für Anlagen ab 5 Tonnen CO₂-Äquivalent eine jährliche Dichtheitskontrolle vor. Bei Geräten, die als hermetisch geschlossen gekennzeichnet sind, gilt diese Pflicht erst ab 10 Tonnen.

Bei R32 entspricht das nach dem GWP-Wert der Verordnung (675) einer Füllmenge von rund 7,4 kg bzw. 14,8 kg. Wärmepumpen in Einfamilienhäusern liegen häufig darunter. Dann schreibt die F-Gase-Verordnung keine festen Prüfintervalle vor. Für Propan (R290) gilt die Pflicht ohnehin nicht, weil es kein F-Gas ist.

Grundsätzlich ist der Kältekreis hermetisch dicht, sodass ein Eingriff am Kältekreis über die gesamte Lebensdauer der Heizung oft nicht nötig ist. Voraussetzung ist, dass ein zertifizierter Fachbetrieb die Kältemittelleitung, etwa bei einer Split-Wärmepumpe, in Betrieb genommen hat. Bei Monoblock-Wärmepumpen ist der komplette Kältekreis in einem Gerät untergebracht, sodass die Installation der Kältemittelleitung entfällt.

Dennoch ist es sinnvoll, die wichtigen Bauteile vor Beginn der Heizsaison regelmäßig von einem Fachbetrieb prüfen zu lassen. Die Wartung einer Wärmepumpe kostet in der Regel um die 250 Euro. Bei HFKW-Kältemitteln kann das Nachfüllen teurer werden, weil die erlaubte Menge sinkt. Bei Propan entfällt dieser Effekt.

Kältemittel mit geringem Treibhauspotenzial gewinnen bei Wärmepumpen an Bedeutung, und zahlreiche Hersteller führen schon heute entsprechende Geräte in ihrem Portfolio. Ein Beispiel ist die Luft/Wasser-Wärmepumpe CHA-Monoblock von WOLF mit dem Kältemittel R290 (Propan, GWP 0,02 nach IPCC AR6). Dennoch können bestehende Wärmepumpen mit Kältemitteln wie R134a oder R410A weiterhin betrieben werden.

Wenn Sie wissen möchten, welches Kältemittel für Ihren individuellen Anwendungszweck geeignet ist, empfehlen wir die fachgerechte Beratung durch einen erfahrenen Heizungsbauer.

¹ Umweltbundesamt: Aus für klimaschädliche Kältemittel HFKW eingeleitet

² Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Förderrichtlinie für die Bundesförderung für effiziente Gebäude – Einzelmaßnahmen (BEG EM)

³ IPCC: The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks and Climate Sensitivity Supplementary Material, ergänzend Project Drawdown: Figure 1. Examples of common refrigerants and their climate and environmental impacts