Natürliche Kältemittel für Wärmepumpen setzen sich durch
Viele Wärmepumpen arbeiten noch mit synthetischen Kältemitteln. Für den Klimaschutz steuern viele Unternehmen um. Wärmepumpen-Experte Edgar Timm zu den Hintergründen.
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Viele Wärmepumpen arbeiten noch mit synthetischen Kältemitteln. Für den Klimaschutz steuern viele Unternehmen um. Wärmepumpen-Experte Edgar Timm zu den Hintergründen.
Derzeit sind es vor allem zwei Bereiche, an denen die Ingenieure von ait arbeiten: Kältemittel und der Einsatz von KI. „In beiden Bereichen geht es darum, die Systeme weiter zu verbessern, effizienter und umweltfreundlicher zu machen“, sagt der Maschinenbauingenieur Edgar Timm. Er arbeitet als Direktor Forschung und Entwicklung bei ait Deutschland und ist seit mehr als 30 Jahren im Bereich der Energie- und Kältetechnik tätig. So könne man mithilfe von künstlicher Intelligenz das Verhalten der Anlagen mit dem Nutzerverhalten so in Einklang bringen, sodass die Anlagen im Ergebnis effizienter und damit sparsamer arbeiten.
Kaum weniger komplex wie beim Einsatz von KI sind die Anforderungen im Bereich Kältemittel. Edgar Timm arbeitet seit 1987 intensiv an diesem Thema. In den Achtzigerjahren waren Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) weltweit stark verbreitet – unter anderem als Kältemittel in Kühlschränken und Klimaanlagen. Doch FCKW sind starke Treibhausgase und zerstören das Ozon in der Stratosphäre. Es folgte ein Verbot von FCKW in vielen Ländern weltweit.
Die ersten Kältemittel, die danach zum Einsatz kamen, waren zwar weniger ozonschädlich, ihre Treibhauseffekte waren jedoch nach wie vor relativ stark. Um die Jahrtausendwende folgten die sogenannten F‑Gase – künstlich hergestellte fluorierte Gase, zwar ohne Chlor und daher nicht ozonschädigend, allerdings noch immer mit teilweise extrem hohem Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP). Die EU‑F‑Gas‑Verordnung regelt deshalb inzwischen den phasenweisen Ausstieg auch aus diesen Kältemitteln.
Außerdem gehören viele synthetische Kältemittel zur Familie der sogenannten Ewigkeitschemikalien (PFAS) oder zerfallen zu PFAS‑Abbauprodukten. Diese Stoffe werden so gut wie überhaupt nicht abgebaut, reichern sich in Böden und Gewässern an und schädigen Umwelt und Gesundheit erheblich. Die EU treibt deshalb ein PFAS‑Verbot voran, das in der Konsequenz auch viele synthetische Kältemittel betrifft.
Die Folge ist klar: Geräte mit synthetischen Kältemitteln sind noch immer weit verbreitet, aber sie werden in naher Zukunft durch natürliche Kältemittel ersetzt werden.
Allerdings, so Edgar Timm: „Die Chemie setzt die Rahmenbedingungen. Und da sind die Möglichkeiten sehr begrenzt.“ Außer Propan (R290), CO₂ (R744), Ammoniak (R717) und Wasser (R718) kommt im Grunde nichts in Frage. Timm betont außerdem den Nachteil von Wasser: Da es sich bei 0°C und normalem Umgebungsdruck seinen Aggregatzustand zu Eis ändert, fällt es als Kältemittel für Wärmepumpen praktisch aus.
Ammoniak ist zwar ein etabliertes Kältemittel in industriellen Großanlagen, hat aber bei geringeren Leistungen, wie sie im Bereich der Haushaltswärmepumpen gefragt sind, keine Bedeutung.
Die Arbeit mit Propan oder CO₂ bringt indessen eine Menge neuer technischer Problemstellungen mit sich. So ist CO₂ im Gegensatz zu Propan zwar nicht brennbar, sein Einsatz erfordert aber sehr hohe Betriebsdrücke und Spezialkomponenten. Die Anlagen sind technisch vergleichsweise komplex und teuer, daher eignen sie sich nicht für kostengünstige Produkte, die den Massenmarkt bedienen sollen. Propan hingegen sei technisch relativ einfach zu beherrschen, größter Nachteil sei seine Brennbarkeit, erklärt Timm.
Die ait group hat schon früh die Komplexität und Wichtigkeit dieses Themas erkannt „ait hat bereits vor mehr als 15 Jahren begonnen, sich intensiv mit den technischen Fragen rund um natürliche Kältemittel auseinanderzusetzen“, sagt Edgar Timm. „Wir konzentrieren uns seit langem auf R290, weil Propan die mit Abstand beste Lösung ist.“
Das Gas habe außerdem gute thermodynamische Eigenschaften. Es verdampft schon bei sehr niedrigen Temperaturen, ist auch bei niedrigem Druckniveau hoch effizient und kann viel Wärme aufnehmen, kommt daher mit kleinen Füllmengen aus. Mit Propan arbeitende Wärmepumpen erreichen hohe Wirkungsgrade, ihre COP‑Werte liegen meist über 4, oft sogar noch deutlich höher.
„Das ist mit anderen Kältemitteln und mit einem vergleichsweise geringen technischen Aufwand sonst kaum zu machen“, sagt Timm. Eine Erkenntnis, die sich inzwischen in der Breite durchsetzt. Der Markt ist aktuell im Begriff, sich auf Propan als Standard-Kältemittel umzustellen.
Um den Einsatz von R290 trotz seiner Brennbarkeit sicher zu machen, setzt der Gesetzgeber klare Grenzen: Bei Geräten, die im Innenbereich aufgestellt und mit mehr als 150 g Propan befüllt sind, ist bei üblichen Raumgrößen ein spezielles Lüftungskonzept vorgesehen. Es stellt sicher, dass bei einer Leckage kein zündfähiges Gemisch im Raum entsteht.
„Unter Umständen muss der Raum mit Sensorik und einem Gaswarngerät ausgestattet werden“, erklärt Edgar Timm. „Da Propan geruchlos ist, kann es auch nicht wie etwa Stadtgas wahrgenommen werden“. Es ließe sich zwar mit einem Geruchsstoff versetzen, damit würde man sich aber ein neues Problem einhandeln. Die Geruchsstoffe greifen in aller Regel die Gerätekomponenten an. Möglich ist es auch, mit Aktivkohlefiltern zu arbeiten, die austretendes Gas absorbieren.
„Wir haben inzwischen gute Lösungen für die massenmarkttaugliche Anwendung entwickelt“, sagt Timm. Im Laufe des Jahres 2026 werde die ait group ihre komplette Modellpalette auf R290 umstellen.
Die weitere Optimierung der technischen Komponenten soll die Geräte immer leistungsfähiger und effizienter machen. Zugleich gelte es, den Installationsaufwand und die Gesamtkosten so niedrig zu halten, sodass die Wärmepumpen auch für die Sanierung im Bestand attraktiv sind.
Denn während die Wärmepumpe längst das Heizsystem Nummer eins in Neubauten ist, werden bis 2035 allein in Deutschland mindestens eine Million alte Heizungen pro Jahr gegen effizientere und umweltfreundlichere Systeme zu tauschen sein. Damit steigt der Bedarf an passenden Geräten.
„Im Bestand haben wir andere Anforderungen als im Neubau. Die Geräte müssen kompakt sein, sie dürfen keine besonderen Ansprüche an den Aufstellungsort stellen, sie sollten möglichst einfach zu installieren sein und höhere Vorlauftemperaturen erreichen als im Neubau, weil dort meist mit Heizkörpern geheizt wird. Außerdem dient hier in aller Regel die Umgebungsluft als Primärwärmequelle, da sich im Bestand selten die Möglichkeit bietet, Grundwasser, Erdwärme oder eine andere Quelle anzuzapfen.“
Die ait group hat schon früh die Komplexität und Wichtigkeit dieses Themas erkannt „ait hat bereits vor mehr als 15 Jahren begonnen, sich intensiv mit den technischen Fragen rund um natürliche Kältemittel auseinanderzusetzen“, sagt Edgar Timm. „Wir konzentrieren uns seit langem auf R290, weil Propan die mit Abstand beste Lösung ist.“
Das Gas habe außerdem gute thermodynamische Eigenschaften. Es verdampft schon bei sehr niedrigen Temperaturen, ist auch bei niedrigem Druckniveau hoch effizient und kann viel Wärme aufnehmen, kommt daher mit kleinen Füllmengen aus. Mit Propan arbeitende Wärmepumpen erreichen hohe Wirkungsgrade, ihre COP‑Werte liegen meist über 4, oft sogar noch deutlich höher.
„Das ist mit anderen Kältemitteln und mit einem vergleichsweise geringen technischen Aufwand sonst kaum zu machen“, sagt Timm. Eine Erkenntnis, die sich inzwischen in der Breite durchsetzt. Der Markt ist aktuell im Begriff, sich auf Propan als Standard-Kältemittel umzustellen.
Um den Einsatz von R290 trotz seiner Brennbarkeit sicher zu machen, setzt der Gesetzgeber klare Grenzen: Bei Geräten, die im Innenbereich aufgestellt und mit mehr als 150 g Propan befüllt sind, ist bei üblichen Raumgrößen ein spezielles Lüftungskonzept vorgesehen. Es stellt sicher, dass bei einer Leckage kein zündfähiges Gemisch im Raum entsteht.
„Unter Umständen muss der Raum mit Sensorik und einem Gaswarngerät ausgestattet werden“, erklärt Edgar Timm. „Da Propan geruchlos ist, kann es auch nicht wie etwa Stadtgas wahrgenommen werden“. Es ließe sich zwar mit einem Geruchsstoff versetzen, damit würde man sich aber ein neues Problem einhandeln. Die Geruchsstoffe greifen in aller Regel die Gerätekomponenten an. Möglich ist es auch, mit Aktivkohlefiltern zu arbeiten, die austretendes Gas absorbieren.
„Wir haben inzwischen gute Lösungen für die massenmarkttaugliche Anwendung entwickelt“, sagt Timm. Im Laufe des Jahres 2026 werde die ait group ihre komplette Modellpalette auf R290 umstellen.
Die weitere Optimierung der technischen Komponenten soll die Geräte immer leistungsfähiger und effizienter machen. Zugleich gelte es, den Installationsaufwand und die Gesamtkosten so niedrig zu halten, sodass die Wärmepumpen auch für die Sanierung im Bestand attraktiv sind.
Denn während die Wärmepumpe längst das Heizsystem Nummer eins in Neubauten ist, werden bis 2035 allein in Deutschland mindestens eine Million alte Heizungen pro Jahr gegen effizientere und umweltfreundlichere Systeme zu tauschen sein. Damit steigt der Bedarf an passenden Geräten.
„Im Bestand haben wir andere Anforderungen als im Neubau. Die Geräte müssen kompakt sein, sie dürfen keine besonderen Ansprüche an den Aufstellungsort stellen, sie sollten möglichst einfach zu installieren sein und höhere Vorlauftemperaturen erreichen als im Neubau, weil dort meist mit Heizkörpern geheizt wird. Außerdem dient hier in aller Regel die Umgebungsluft als Primärwärmequelle, da sich im Bestand selten die Möglichkeit bietet, Grundwasser, Erdwärme oder eine andere Quelle anzuzapfen.“
Bei Geräten in Wohnungen ist auch die Geräuschentwicklung entscheidend. Ait arbeitet daran schon, da dieses Thema auch schon in eng bebauten Neubaugebieten aufkam.
Hauptquellen der Betriebsgeräusche sind der Verdichter, der das Kältemittel durch die Anlage pumpt, und bei Luft/Wasser-Geräten der Ventilator, der die Luft ansaugt. Diese Komponenten kommen üblicherweise von Spezialzulieferern, mit denen Edgar Timm regelmäßigen Kontakt hält. „Wir sind ständig mit den Herstellern von Verdichtern und Ventilatoren im Austausch, um unsere Anforderungen mit deren technischen Möglichkeiten in Einklang zu bringen.“
Eine enge Zusammenarbeit pflegen die Entwickler der ait group auch mit den Experten des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) in Freiburg. Auf Basis dieser Kooperation hat das Team um Edgar Timm eine Sole-Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel entwickelt, die ohne spezielles Lüftungskonzept in Innenräumen betrieben werden darf. Das zukunftsweisende Modell hat ait im Sommer 2025 auf den Markt gebracht.
„Wir haben als einer der ersten Hersteller ein platzsparendes Gerät für den unkomplizierten Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern entwickelt, das mit R290 arbeitet, bis zu 75 Grad Celsius Vorlauftemperatur erreicht und auch noch optional eine integrierte Kühlfunktion bietet“, erklärt Timm. Bei einer Vorlauftemperatur von 55 °C, was üblicherweise im Bestand ausreicht, erreichen die neuen Modelle der ait-group Effizienzklasse A+++.
Die neuen Geräte gehen auf das Fraunhofer ISE Projekt LC150 zurück, das im Jahr 2020 ins Leben gerufen wurde. Projektziel: Wärmepumpenkonzepte mit dem natürlichen Kältemittel R290 und einer deutlich reduzierten Kältemittelfüllmenge zu erforschen und technisch weiterzuentwickeln.
Die ait group hat die in diesem Projekt gewonnenen Grundlagen als erster Industriepartner in ein serienreifes Produkt umgesetzt. Die Geräte sind so konzipiert, dass im Falle eines Austritts maximal 150 g des natürlichen Kältemittels R290 freigesetzt werden. Dadurch sei ein sicherer Betrieb auch ohne zusätzliches Lüftungskonzept im Innenraum gewährleistet.
Fast zeitgleich mit dem Marktstart dieser neuen Geräte erreichte ein anderes Modell von ait, die Luft-Wasser-Wärmepumpe Hybrox 11 von alpha innotec, im Wärmepumpentest der Stiftung Warentest die Note „gut“ (2,2). Auch die Hybrox 11 arbeitet mit Propan (R290) als Kältemittel.
Mit einem Jahresstromverbrauch von 6.070 kWh in mittlerem Klima erreicht die Wärmepumpe von ait den niedrigsten Wert aller geprüften Geräte. Unter allen mit „gut“ bewerteten Geräten ist die Hybrox 11 die preisgünstigste Option.
