Großwärmepumpen mit R744

Der GWP-Wert beträgt 1, dies ist selbsterklärend, da CO₂ die Grundlage für das Äquivalent ist. Nach DIN EN 378-1 erfolgt die Einteilung in die Klasse A1: nicht brennbar, geringe Toxizität, nur bei hoher Konzentration für den Menschen schädlich. Das Gas ist schwerer als Luft, geruchlos und unsichtbar. Aus thermodynamischer Sicht sind der hoher Wärmeübertragungskoeffizient, ein günstiges Druckverhältnis und eine hohe volumetrische Kälteleistung sehr vorteilhaft. Die Verfügbarkeit dieses Kältemittels ist sichergestellt, aus umweltrelevanter Sicht gibt es keine gesetzlichen Verbote, der Anschaffungspreis für das Gas ist sehr gering, der Einsatz mit einer sehr hohen Reinheit (> 99,995 %) ist obligatorisch. Je nach Arbeitsbereich können Drücke bis zu 140 bar auftreten, dies ist bei der Material- und Komponentenwahl sowie der normativ vorgeschriebenen Sicherheitseinrichtungen konstruktiv durch den Hersteller zu lösen und beherrschbar. Der kritische Punkt ist bei 31,1 °C und 73,8 bar, aus diesem Grunde wird bei Wärmepumpenanwendungen der transkritische Prozess ausgenutzt. Dieser wird nachfolgend im T-S-Diagramm erklärt.

Subkritischer und transkritischer Bereich

Bis zu einem Einsatzbereich unter dem ­kritischen Punkt bewegen wir uns im subkritischen Bereich. Die Darstellung und Einteilung im log(p),h-Diagramm kann dem Bild 1 entnommen werden. Die links vom kritischen Punkt liegende Kurve zeigt alle Zustandspunkte der siedenden Flüssigkeit auf, die rechts vom kritischen Punkt liegende Kurve zeigt die Dampfzustände. Verbindet man diese beiden Kurven über den kritischen Punkt miteinander, erhält man die Grenzkurve (Glockenkurve) eines Kältemittels. Links von der Grenzkurve ist das Kältemittel flüssig (einphasig), zwischen beiden Grenzkurven liegt ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf (zweiphasig) vor – dies ist der so genannte Nassdampf. Der Dampfanteil wird über die Kurvenlinien in der „Glocke“ angezeigt. Durch eine weitere Enthalpieerhöhung wird die rechte Grenzkurve erreicht; dort hat sich der letzte Flüssigkeitstropfen in Dampf verwandelt und es liegt einphasiger, trockener, gesättigter Dampf vor. Rechts davon kann durch weitere Wärmezufuhr das Gebiet des überhitzten Dampfes erreicht werden. Der kritische Punkt ist der Gipfelpunkt der Grenzkurve. Dies ist der Punkt, an dem die Gasphase und flüssige Phase des Kältemittels die gleichen Eigenschaften haben; kritische Temperatur, Druck und Volumen fallen im kritischen Punkt zusammen. Oberhalb der kritischen Temperatur oder des kritischen Druckes existiert keine Trennung mehr zwischen Flüssigkeit und Gasphase.

Oberhalb des kritischen Punktes bewegen wir uns im transkritischen Bereich, in dem sich das Kältemittel anders verhält. Hier ist zu beachten, dass Druck und Temperatur voneinander unabhängig zu betrachten sind. Der Grundsatz beim subkritischen Betrieb „niedriger Druck gleich niedrigere Verflüssigungstemperatur ergibt eine bessere Effizienz der Anlage“ ist hier nicht mehr gültig. Eine Verflüssigung findet erst statt, wenn man dieses Gas bis in den Nassdampfbereich entspannt. Bild 2 zeigt im log(p),h-Diagramm, das mit geringerer Austrittstemperatur vom Gaskühler eine höhere Enthalpiedifferenz und somit eine größere Kälte- bzw. Heizleistung erreicht wird.

CO₂-Wärmepumpe im T-S-Diagramm

Besonders der transkritische Bereich lässt sich im T-S-Diagramm deutlich darstellen. Auf der Abszisse wird die Entropie S und auf der Ordinate die Temperatur aufgetragen. In Bild 3 ist der Prozess einer Wasser-­Wasser-Wärmepumpe dargestellt. Auf der Verdampferseite wird Kaltwasser von 12 auf 6 °C gekühlt und dies als Wärmequelle genutzt. Nach der Verdichtung des Kältemittels auf 120 bar und einer Endtemperatur von 140 °C im transkritischen Bereich erfolgt die Wärmeabgabe über einen Gaskühler auf die Heizungswasserseite mit 30 °C / 90 °C.

CO₂-Wärmepumpen in Wärmenetzen

Wie bereits erläutert ist R744 besonders ­effizient, wenn eine niedrige Rücklauftemperatur erreicht wird. Die Vorlauftemperatur hat hier einen deutlich geringeren Einfluss. Dies ist ein riesiger Unterschied zu den herkömmlichen Kältemitteln, welche subkritisch betrieben werden (z.B. R1234ze). Um dies zu verdeutlichen, wurden in Tabelle 1 die Leistungszahlen einer Luft-Wasser-Wärmepumpe bei -2 °C Umgebungstemperatur gegenübergestellt. Bei 35 °C Rücklauftemperatur und 55 °C Vorlauftemperatur ist der COP 2,8, bei 30 K höherer Vorlauftem­peratur beträgt er 2,74, die Reduzierung ist minimal.

Wenn es mal etwas größer sein darf

In Dänemark wurde das bisher größte CO₂-Projekt weltweit realisiert und befindet sich aktuell in der Inbetriebnahme. Zwei Wärmepumpen mit jeweils > 30 MW thermischer Leistung versorgen 25.000 Haushalte mit Wärme. 1 °C kaltes Seewasser wird als Wärmequelle genutzt. Mit Hilfe eines magnetisch gelagertem Turboverdichters und dem Kältemittel R744 wird eine Vorlauftemperatur von bis zu 90 °C erzeugt. Die Wärmepumpen wurden über Monate vor Ort von Ingenieuren der MAN Energy Solutions zusammengebaut. Um einen Eindruck über die Dimension zu bekommen, ist im Bild 4 der Verdampfer dargestellt. Dieser ist 17 m lang und wiegt ca. 60 Tonnen.