Ziel der Entwicklung

Das Projekt hatte zum Ziel, das Funktionsmuster einer CO2-Wärmepumpe zur Trinkwasseraufbereitung für das Gewerbe in einer Leistungsgröße bis 60 kW Heizleistung zu entwickeln. Der Prototyp sollte einfach aufgebaut und kostengünstig sein. Das immer umfangreichere Angebot an neuesten Komponenten, wie Plattenwärmeübertrager für Drücke bis 130 bar sollte einbezogen werden.
Durch eine überkritische Prozessführung und die für die Erwärmung von Wasser mögliche große Spreizung kommen die thermodynamischen Vorzüge des Kältemittels CO2 voll zum Tragen.

Vorteile und Lösungen

Die entwickelte CO2-Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung erwärmt Wasser von 10°C auf 70 °C bei einer Verdampfungstemperatur von 5°C mit einer Leistungszahl von 4,46. Brauchwasserwärmepumpen mit herkömmlichen Kältemitteln arbeiten mit einer Leistungszahl von COP = 3,5. Das ist ein
Verbesserungspotenzial von mehr als 20 Prozent. Gegenüber der herkömmlichen Trinkwassererwärmung (Heizkessel), selbst bei sehr vorsichtiger Abschätzung der Leistungsfähigkeit eines späteren Serienproduktes, ist eine Kostenreduzierung um 40 Prozent realistisch.
CO2 trägt als Kältemittel weder zur Ozonzerstörung (ODP=0) noch zum Treibhauseffekt bei (GWP=1). CO2 wird den natürlichen Stoffkreisläufen entnommen, ist chemisch inaktiv, nicht toxisch, nicht brennbar und kostengünstig. Es besteht keine Notwendigkeit zur Rückgewinnung und Entsorgung. Die sehr hohe volumetrische Kälteleistung (4- bis 7-mal höher als R134a und NH3) erlaubt eine kompakte Baugröße. Besonders günstig wirken sich die Eigenschaften von CO2 dann aus, wenn der Kreisprozess überkritisch geführt wird und die Gaskühleraustrittstemperatur klein ist. Das ist bei der Erwärmung von Wasser der Fall.
Mit dem Leistungsnachweis wurde eine funktionierende technische Lösung mit hoher Qualität entwickelt. Der nächste Schritt ist der erfolgreiche Technologietransfer zu einem Wärmepumpenhersteller. Es könnten dann die Entwicklung eines Fertigungsmusters und die Felderprobung durch den Industriepartner folgen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die CO2-Technologie ist anspruchsvoll. Die viel höheren Drucklagen erfordern teure Komponenten, die auch erst mit hohen Kosten entwickelt werden müssen. Es gibt eine „natürliche Scheu“ bei Komponentenherstellern und den Herstellern der Wärmepumpenanlagen.
Nur mit realen Kostenvorteilen für den Anwender und durch das zunehmende Argument der Umweltverträglichkeit des Kältemittels werden die Komponentenstückzahlen allmählich zunehmen. Dadurch sinken die Komponentenkosten und die Anlagen werden insgesamt kostengünstiger.