Wärmepumpen-Kältemittel: Funktion, Arten & Bestimmungen

Was ist ein Kältemittel?

Bei Kältemitteln handelt es sich um spezielle Fluide, die zur Wärmeübertragung in Wärmepumpen genutzt werden. Sie kommen aber beispielsweise auch in Kühl- und Gefrierschränken, Klimaanlagen und bei industriellen Kühlprozessen zum Einsatz. Das Funktionsprinzip ist immer gleich: Das Kältemittel nimmt Wärme auf einem niedrigen Temperatur- sowie Druckniveau auf und gibt sie bei höherer Temperatur und höherem Druck wieder ab. Die genaue Beschaffenheit des Kältemittels kann sich jedoch je nach Anwendungsfall unterscheiden. Dennoch gibt es einige charakteristische Merkmale:

• Geringe Siedetemperatur
• Niedriges Dampfvolumen
• Hohe Leistungszahl durch niedrigen Verflüssigungsdruck
• Hohe chemische Stabilität

Unterscheidung zwischen natürlichen und synthetischen Kältemitteln

Die zur Wärmeübertragung genutzten Fluide lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen – synthetische und natürliche Kältemittel:

• Synthetische Kältemittel wie R410A, R134a sowie R407C werden künstlich hergestellt und in der Chemie als halogenierte Kohlenwasserstoffe bezeichnet. Sie besitzen eine hohe Kälteleistung und ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften, weisen jedoch ein hohes Treibhauspotenzial auf. Aufgrund der Umweltauswirkungen (bei der Entsorgung) werden synthetische Kältemittel in vielen Ländern schrittweise verboten.

• Natürliche Kältemittel sind in der Natur vorkommende Stoffe wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Ammoniak (NH3) und Propan (C3H8). Zwar bieten die Kältemittel im Vergleich mit synthetischen Fluiden eine etwas niedrigere Kälteleistung, doch dafür sind sie deutlich nachhaltiger in der Anwendung. Natürliche Kältemittel haben wesentlich geringere Auswirkungen auf die Umwelt.

Was ist das Treibhauspotenzial?

Das sogenannte Treibhauspotenzial – im Englischen Global Warming Potenzial, kurz GWP – gibt an, wie stark ein bestimmtes Kältemittel zum Treibhauseffekt beiträgt, wenn es in die Atmosphäre gelangt. Als Vergleichswert wurde CO2 herangezogen, das den Wert 1 besitzt. Liegt der GWP-Wert beispielsweise bei 500, ist das austretende Kältemittel 500-mal schädlicher als Kohlenstoffdioxid. Das Treibhauspotenzial spielt vorrangig bei synthetischen Fluiden eine Rolle, da diese Kältemittel im Vergleich deutlich höhere Werte aufweisen als natürliche.

Warum benötigen Wärmepumpen ein Kältemittel?

Wärmepumpen entziehen der Umgebungsluft, dem Erdreich oder Grundwasser Wärme und geben diese als Heizenergie ab. Das im Gerät zirkulierende Kältemittel spielt dabei eine entscheidende Rolle. Im Detail funktioniert dieser Prozess wie folgt:

• Verdampfung: Das Kältemittel nimmt über einen Wärmetauscher Energie aus der Umgebung auf und erwärmt sich, bis es verdampft. Aufgrund seines niedrigen Siedepunktes geht es bereits bei einem geringen Temperaturniveau in den gasförmigen Zustand über.
• Verdichtung: Ein strombetriebener Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch sich der Druck und seine Temperatur erhöhen.
• Verflüssigung: Im Kondensator gibt das erhitzte Kältemittel seine Wärme an das Heizungssystem ab, wodurch es abkühlt und sich wieder verflüssigt.
• Entspannung: Das weiterhin unter Druck stehende Kältemittel fließt nun durch eine als Expansionsventil bezeichnete Düse, die den Druck und die Temperatur auf das ursprüngliche Niveau bringt, bevor der Kreislauf von vorn beginnt.

F-Gas-Verordnung: Gesetzliche Bestimmungen für Wärmepumpe-Kältemittel

Da sich das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf befindet, gelangt es normalerweise nicht in die Umwelt. Wenn jedoch eine Leitung oder das Gerät an sich undicht ist, kann das Kältemittel in Form von Treibhausgasen entweichen und das Klima schädigen. Das gilt insbesondere für synthetische Fluide mit einem hohen GWP-Wert. Daher sollen diese zukünftig nicht mehr genutzt werden. Die Verwendung entsprechender Kältemittel in Wärmepumpen regelt die F-Gas-Verordnung. Diese zielt darauf ab, die Menge an emittierenden Treibhausgasen zu senken und den Industriesektor umweltfreundlicher zu gestalten.

Die F-Gas-Verordnung trat am 1. Januar 2015 in Kraft, wurde aber Anfang 2024 novelliert. Die nachfolgende Übersicht fasst die wichtigsten Regelungsansätze und die aktuellen Bestimmungen der Verordnung zusammen:

• Reduzierung der am Markt verfügbare Menge an teilfluorierten Kohlenwasserstoffe-Kältemitteln (HFKW) bis 2030 auf 5,1 Prozent des Wertes von 2015 (als Phase-down bezeichnet)
• Verbot der Verwendung, des Inverkehrbringens und der Inbetriebnahme, wenn klimafreundlichere Alternativen existieren (die sich technisch realisieren lassen)
• Regelungen zu Dichtheitsprüfungen, Entsorgung, Kennzeichnung, Zertifizierung und Emissionsbegrenzung
• Maximaler GWP-Wert von 2.500 für Wärmepumpe-Kältemittel seit 2020
• Maximaler GWP-Wert von 750 für Split-Systeme ab 2025
• Maximaler GWP-Wert von 150 für Monoblock-Wärmepumpen ab 2025
• Maximaler GWP-Wert von 150 auch für Split-Systeme ab 2027
• Kein F-Gas mehr für Monoblock-Wärmepumpen ab 2032 (für Split-Systeme ab 2035)

Welche Auswirkungen hat die novellierte F-Gas-Verordnung auf Bestandsanlagen?

Die neuen Bestimmungen sehen auch Beschränkungen für die Verwendung von F-Gasen bei der Wartung von Wärmepumpen vor. Ein Nachfüllen oder Tauschen des Kältemittels ist zwar weiterhin möglich, doch ab 2026 treten bereits die ersten Einschränkungen in Kraft. Ab diesem Zeitpunkt darf keine Frischware mit einem GWP-Wert von mehr als 2.500 verwendet werden. Ab 2032 gilt dies auch für Kältemittel mit einem GWP-Wert von über 750. Für aufbereitetes und recyceltes Kältemittel wurden großzügigere Fristen festgelegt. Entsprechende Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial von 2.500 dürfen noch bis Ende 2031 eingesetzt werden.

Welche Kältemittel sind ab 2025 verboten?

Ab 2025 gelten für die Kältemittel von Neuanlagen verschärfte Richtlinien, was dazu führt, dass zahlreiche synthetische Wärmepumpe-Kältemittel nicht mehr zum Einsatz kommen dürfen. Die neuen Bestimmungen ziehen nicht nur ein R410a-Verbot nach sich, sondern betreffen beispielsweise ebenso die Kältemittel R407C und R134a. Split-Systeme, die das nicht giftige R32 als Kältemittel nutzen, sind noch bis Ende 2026 im Handel zu finden, da dessen GWP-Wert von 675 unter der Grenze von 750 bleibt.

Effizienzbonus für natürliche Kältemittel

Auch im Bereich des Heizens müssen die Emissionen gesenkt werden, damit Deutschland seine Klimaziele erreicht. Um Anreize zu setzen, ein natürliches Kältemittel in der Wärmepumpe zu nutzen, wird entsprechenden Modellen eine höhere Förderung gewährt. Wenn sich Eigentümerinnen beziehungsweise Eigentümer beispielsweise für eine Wärmepumpe mit R290 oder R744 als Kältemittel entscheiden, fällt die Fördersumme fünf Prozent höher aus.

Welche Kältemittel werden verwendet?

Meist finden als Kältemittel noch teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) Verwendung. Da konventionelle Kältemittel in Wärmepumpen ein hohes Treibhauspotenzial besitzen, soll deren Nutzung und Verfügbarkeit in den nächsten Jahren allerdings schrittweise reduziert werden. Die Alternative stellen Wärmepumpen dar, die mit einem natürlichen Kältemittel arbeiten. Deren Marktanteil fällt zwar bisher nicht allzu hoch aus, wird perspektivisch aber mit Sicherheit steigen – nicht zuletzt aufgrund gesetzlicher Vorgaben und des kommenden R410a-Verbots. Die wichtigsten aktuell verwendeten Wärmepumpe-Kältemittel – und deren Sicherheitsgruppe sowie GWP-Wert – können Sie der nachfolgenden Übersicht entnehmen:

Erläuterung der Sicherheitsgruppen:

• A = geringe Giftigkeit
• B = größere Giftigkeit
• 1 = keine Flammenausbreitung
• 2 = geringe Brennbarkeit
• 3 = größere Brennbarkeit
• L = geringe Brenngeschwindigkeit

Damit zeigt sich, dass konventionelle Kältemittel in Wärmepumpen ein deutlich höheres Treibhauspotenzial haben und dass natürliche Kältemittel in Wärmepumpen oft brennbar oder mitunter giftig (Ammoniak) sind. Daher gestaltet es sich schwierig, eine Balance zwischen umweltfreundlichen und nicht giftigen sowie brennbaren Kältemitteln zu finden.

Propan (R290): Eine zukunftsfähige Lösung

Viele Fachleute gehen davon aus, dass zukünftig primär Propan in Wärmepumpen als Kältemittel zum Einsatz kommen wird. R290 weist hervorragende thermodynamische Eigenschaften auf und ermöglicht auch bei niedrigen Außentemperaturen hohen Vorlauftemperaturen von bis zu 70 Grad Celsius. Ebenso hat Propan ein deutlich niedriges Treibhauspotenzial als synthetische Kältemittel. Es punktet außerdem mit einer hohen Verfügbarkeit und einem niedrigen Preis. Zudem ist R290 nicht von der F-Gas-Verordnung betroffen und damit zukunftssicher.

Wie oft muss Kältemittel bei einer Wärmepumpe nachgefüllt werden?

Da sich das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf befindet, ist ein Nachfüllen beziehungsweise Tauschen der Flüssigkeit im Optimalfall über die komplette Lebensdauer der Wärmepumpe nicht erforderlich. Lediglich eine Leckage oder ein Defekt können dafür sorgen, dass die Notwendigkeit besteht, Kältemittel nachzufüllen. An und für sich gelten Wärmepumpen jedoch als wartungsarm. Ab einer bestimmten Füllmenge ist aus Gründen der Sicherheit dennoch eine jährliche Dichtungsprüfung vorgeschrieben. Auf in Einfamilienhäusern genutzt Modelle trifft dies aber für gewöhnlich nicht zu.