Kältemittel in Wärmepumpen

Nicht nur in der Wärmepumpe: Kältemittel für den Energietransport

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. Folgende Eigenschaften weisen jedoch alle Kältemittel auf:

• Niedrige Siedetemperatur
• Geringes Dampfvolumen
• Geringer Verflüssigungsdruck (Druck, bei dem das Kältemittel verflüssigt wird), dadurch hohe Leistungszahl
• Hohe chemische Stabilität

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

Basiswissen zur Wärmepumpe

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 die Energie der Außenluft, sondern auch das Grundwasser oder das oberflächennahe Erdreich als Wärmequellen verwenden. Unser separater Beitrag informiert Sie im Detail über die verschiedenen Wärmepumpenarten.

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 folgt genau dem umgekehrten Prinzip und transportiert Wärme aus dem Außenbereich ins Gebäudeinnere.

1. Verdampfung

   Die Energiezufuhr erfolgt dabei auf Seite des Verdampfers (siehe Schaubild). Hier nutzt die Wärmepumpe die Wärme der Umgebung, um das Kältemittel zu verdampfen. Das Kältemittel muss für diesen Prozess also einen niedrigen Siedepunkt aufweisen, um selbst bei dem geringen Temperaturniveau der Umgebung in den gasförmigen Aggregatzustand überzugehen.

2. Verdichtung

   Im nächsten Schritt verdichtet sich nun das gasförmige Kältemittel mithilfe eines elektrisch angetriebenen Kompressors. Dabei erhöht sich nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur des Kältemittels. Eine Wärmepumpe wird so ausgelegt, dass das Temperaturniveau zum Bedarf der Gebäudeheizung passt.

3. Verflüssigung

   Im Verflüssiger wird die Wärme der Gebäudeheizung zugeführt. Dies ist möglich, da das Kältemittel nun ein höheres Temperaturniveau als der Heizkreislauf aufweist. Durch die Energieentnahme kühlt das Kältemittel wieder ab, bis es schließlich in den flüssigen Zustand übergeht.

4. Entspannung

   Bevor der Wärmepumpen-Kreislauf wieder von vorne beginnen kann, muss sich das Kältemittel noch auf den Anfangsdruck entspannen. Dafür fließt es durch eine Düse, die den Druck gezielt auf das Anfangsniveau absenkt.

Wärmepumpen erfreuen sich vor allem bei Gebäuden mit modernen Flächenheizungen großer Beliebtheit. Flächenheizungen erfordern im Vergleich zu konventionellen Heizkörpern ein geringeres Temperaturniveau (Vorlauftemperatur) und erzielen daher in Kombination mit einer Wärmepumpe eine besonders hohe Energieeffizienz. Aber auch Bestandsgebäude beheizt eine moderne Wärmepumpe in der Regel zuverlässig über das ganze Jahr. Hier können lediglich weitere 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.

Der Unterschied zwischen Kältemittel und Kühlmittel

Auch wenn Kältemittel und Kühlmittel in der Umgangssprache fälschlicherweise häufig gleichgestellt werden: 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 als der zu kühlende Gegenstand ist – 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.

Welche Kältemittel gibt es für die Wärmepumpe?

In Wärmepumpen kommen als Kältemittel heute überwiegend teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) zum Einsatz. Diese weisen bei der Entsorgung der Anlage ein hohes Treibhauspotenzial auf. Im Oktober 2016 hat die internationale Staatengemeinschaft daher beschlossen, HFKW-Kältemittel schrittweise aus Kälteanlagen zu verbannen, um somit den Einfluss auf die Klimaerwärmung zu reduzieren.

Als Alternative zu HFKW-Kältemitteln werden vor allem natürliche Kältemittel mit einem geringen Treibhauspotenzial gehandelt. Der Marktanteil dieser Kältemittel ist zwar noch gering, es zeichnet sich auf Seiten der Hersteller jedoch eine klare Tendenz zu umweltfreundlichen Alternativen ab.

Nach dem Bekanntwerden der Ergebnisse einer Gemeinschaftsrecherche von 18 europäischen Nachrichtenredaktionen, wird aktuell über ein Verbot von PFAS (per- und polyflourierte Chemikalien) diskutiert. Die PFAS kommen heute nicht nur in Kleidung und Kosmetika, sondern auch in synthetischen Kältemitteln für Wärmepumpen zum Einsatz. Aufgrund ihrer Umweltschädlichkeit wird der Umstieg auf natürliche Kältemittel weiter vorangetrieben.

Besonders das Kältemittel R290 (Propan) ist ein zukunftssicherer Ersatz für synthetische Kältemittel. Die CHA-Monoblock Luft/Wasser-Wärmepumpe von WOLF nutzt dieses umweltfreundliche Kältemittel bereits seit fünf Jahren. 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.

Gesetzliche Verordnungen zu Kältemitteln für Wärmepumpen

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

Die F-Gas-V trat am 1. Januar 2015 in Kraft und beinhaltet im Wesentlichen drei Regelungsansätze:

1. Schrittweise Beschränkung der verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) – im Jahr 2030 sollen die Verkaufsmengen nur noch ein Fünftel des Wertes von 2015 betragen.

2. Verbot der Verwendung, wenn sich klimafreundlichere Alternativen technisch ebenfalls nutzen lassen.

3. Weitere Regeln zu Dichtheitsprüfungen, Entsorgung und Kennzeichnung.

Neben den oben genannten Regeln enthält die Verordnung weitere Bestimmungen zu besonders umweltschädlichen Kältemitteln wie R404A. Dieses Kältemittel weist einen sehr hohen GWP-Wert (GWP = Global Warming Potential, übersetzt Treibhauspotenzial) von 3.922 auf. Es ist also 3.922 Mal schädlicher als CO₂, wenn es in die Atmosphäre entweicht. Seit dem Jahr 2020 gilt ein maximal zulässiger GWP-Wert von 2.500.

Die F-Gas-V wird in der näheren Zukunft dazu führen, dass natürliche Kältemittel wie Propan (R290), Ammoniak oder CO₂ als nachhaltige und zukunftssichere Alternative mehr und mehr in den Fokus der Hersteller rücken.

Kältemittel für Wärmepumpen im Detail

Kältemittel lassen sich grundsätzlich in folgende Kategorien einteilen:

• FCKW (chlorhaltig, perhalogeniert)
• Natürliche Kältemittel (zum Beispiel Propan)
• HFCKW (chlorhaltig, teilweise halogeniert)
• FKW/HFKW (chlorfrei; FKW = Fluorkohlenwasserstoffe)
• HFO (teilhalogenierte Fluor-Olefine)

Die chlorhaltigen Kältemittel FCKW und HFCKW dürfen bei Neuauflagen aufgrund ihrer Ozonschädlichkeit schon seit vielen Jahren nicht mehr zum Einsatz kommen. FKW/HFKW-Kältemittel stellen den Stand der Technik dar und sind in den meisten Wärmepumpen zu finden. Natürliche Kältemittel sind für Neuanlagen, Erweiterungen und Umbauten gemäß der F-Gas-V anzustreben.

Die folgende Übersicht gibt Aufschluss über die wichtigsten heute verwendeten Kältemittel mit der zugehörigen Sicherheitsgruppe und dem Treibhauspotenzial (GWP).²

*Neue Sicherheitsgruppe gemäß SN EN 378-1:2017

Legende Sicherheitsgruppe:

• 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 FKW/HFKW-Kältemitteln und natürlichen Kältemitteln:

1. Zum einen weisen FKW/HFKW-Kältemittel einen signifikant höheren GWP-Wert auf.
2. Zum anderen sind natürliche Kältemittel – mit Ausnahme von CO₂ – in der Regel brennbar.

Experten sind davon überzeugt, dass natürlichen Kältemitteln, allen voran R290, die Zukunft gehören.

1. Enorme Effizienz - auch bei hohen Vorlauftemperaturen

R290 zeichnet sich durch herausragende kältetechnische Eigenschaften aus. Es sind selbst bei niedrigen Außentemperaturen hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 70 °C möglich, das natürliche Kältemittel eignet sich also auch bestens für Bestandsgebäude. Bei dem Messwert COP (Coefficient of Performance) hängt R290 synthetische Kältemittel wie R410 ab. Für optimale Leistungen sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen sorgt ein hoher EER-Wert (Energy Efficiency Rating).

2. Die umweltfreundlichste Lösung auf dem Wärmepumpenmarkt

Das Treibhauspotenzial von R290 ist deutlich niedriger als bei synthetischen Kältemitteln. Zudem ist das natürliche Kältemittel nicht schädlich für die Ozonschich und als natürlicher Rohstoff, der nicht künstlich hergestellt werden muss, quasi unbegrenzt verfügbar. R290 ist entsprechend die umweltfreundliche und nachhaltige Alternative für Ihre Wärmepumpe, mit der Sie aktiv zum Klimaschutz beitragen können. 

3. Propan auch über 2030 hinaus absolut zukunftssicher

Während einige synthetische Kältemittel bereits verboten wurden, treibt die F-Gas-Verordnung, die bis 2030 gilt, den Umstieg auf natürliche Mittel weiter voran. Propan wurde in dieser Verordnung ausdrücklich nicht erwähnt und wird entsprechend auch in ferner Zukunft nicht betroffen sein. Inwiefern ab 2030 die “überlebenden” synthetischen Kältemittel überhaupt noch verwendet werden dürfen, bleibt abzuwarten. Mit R290 sind sie auf der sicheren Seite.

4. Anschaffung, Wartung und Entsorgung ist kostengünstig

Der aktuelle Phase-down sorgt für eine Verknappung von F-Gasen. Entsprechend werden Wärmepumpen mit einem hohen GWP-Wert aufgrund dieser Verknappung immer teurer. Zudem können je nach Entwicklung hohe Wartungs- und Entsorgungskosten entstehen – Besitzer von Wärmepumpen mit Propan bleiben von all diesen Faktoren verschont.

Konventionelle Kältemittel wie R410A, R134a und R407C zeichnen sich im Vergleich zu den natürlichen Kältemitteln vor allem durch eine höhere Sicherheitsstufe aus. Diese erprobten Kältemittel sind weder toxisch noch brennbar und daher besonders leicht handhabbar. Aus diesem Grund liegen die Kältemittelverluste in dem geschlossenen Kreislauf von R290-Anlagen bei null.

Zudem ist das Kältemittel ist bei Propan-Wärmepumpen meist in der Außeneinheit der Anlage verbaut, welche im Freien steht. Propan, das sich in Grillgeräten oder Campingausrüstung längst bewährt hat, ist gerade in einem geschlossenen Wärmepumpenkreislauf als sicher einzustufen. Umweltfreundliche Kältemittel wie R290 haben sich als nachhaltige Alternativen bewährt und erfreuen sich seit Jahren steigender Beliebtheit.

Kosten und Wartung von Kältemitteln für Wärmepumpen

Im Vergleich zu anderen Heizarten gelten Wärmepumpen als sehr wartungsarm. Aufgrund der umweltschädlichen Wirkung von synthetischen Kältemitteln schreibt der Gesetzgeber aber beispielsweise für Wärmepumpen, die mehr als 5 Tonnen CO₂-Äquivalente fluorierte Treibhausgase (10 Tonnen bei hermetisch geschlossenen Einrichtungen) enthalten, eine jährliche Dichtheitsprüfung in der F-Gas-V vor.

Wärmepumpen in Einfamilienhäusern weisen häufig eine Heizleistung von nicht mehr als 6 oder 7 kW auf und überschreiten die 10 Tonnen CO₂-Äquivalente Grenze daher in der Regel nicht. Das bedeutet, dass es auch keine fest vorgeschriebenen Wartungsintervalle für diese Wärmepumpen gibt.

Grundsätzlich ist der Kältekreis hermetisch dicht, sodass ein Eingriff am Kältekreis über die gesamte Lebensdauer der Heizung oft nicht nötig ist. Voraussetzung ist natürlich, dass ein ausgebildeter Fachmann oder ein Werkskundendienst die Kältemittelleitung – etwa bei einer Split-Wärmepumpe – in Betrieb genommen hat. Bei Monoblock-Wärmepumpen ist der komplette Kältekreis in einem Außengerät untergebracht – hier entfällt die Installation der Kältemittelleitung ohnehin.

Wärmepumpen sind – insbesondere als Monoblock-Ausführung – ­im Vergleich zu anderen Heizarten sehr wartungsarm. Dennoch ist es sinnvoll, die wichtigen Bauteile regelmäßig vor Beginn der Heizsaison einer Sichtprüfung zu unterziehen und von einem Fachmann begutachten zu lassen. Die Wartung einer Wärmepumpe kostet in der Regel um die 250 Euro. Auch die Kosten des Kältemittels selbst halten sich in Grenzen.

Welches Kältemittel lohnt sich für die Wärmepumpe?

Im Zuge der umweltpolitischen Bemühungen um klimafreundlichere Kältemittel wird deutlich, dass die Zukunft den natürlichen Kältemitteln gehört. Umweltbewusste Hersteller führen schon heute innovative Wärmepumpen mit einem umweltfreundlichen Kältemittel in ihrem Portfolio.

Der Hersteller WOLF bietet mit seiner modernen Luft/Wasser-Wärmepumpe CHA-Monoblock beispielsweise ein Modell an, das das innovative Kältemittel R290 mit einem sehr geringen Treibhauspotenzial nutzt. Dennoch werden uns bewährte Kältemittel wie R134a oder R410A noch eine ganze Zeit lang begleiten.

Wenn Sie wissen möchten, welches Kältemittel für Ihren individuellen Anwendungszweck optimal ist, empfehlen wir die fachgerechte Beratung durch einen erfahrenen Heizungsbauer. In unserer Postleitzahl-Suche unten können Sie im nächsten Schritt sogar nach dem Spezialgebiet "Wärmepumpe" filtern.

¹ Bundesverband Wärmepumpe e.V.: BWP Marktzahlen 2021

² Bundesamt für Umwelt BAFU Schweiz: Übersicht über die wichtigsten Kältemittel