Wärmepumpen haben ein großes Potenzial zur Verringerung der globalen Erwärmung, indem sie Wärme aus der Luft oder dem Boden gewinnen, um gewerbliche und private Räume kostengünstig und mit minimalen oder gar keinen Emissionen aus fossilen Brennstoffen zu erwärmen. Sie sind jedoch auf Kältemittel angewiesen, die ihrerseits eine Gefahr für die Umwelt darstellen können. Leider sind die Kältemittel mit den geringsten Umweltauswirkungen auch brennbar. Dies generiert neue Herausforderungen für den Systementwickler. Glücklicherweise bieten Relais- und Schalterhersteller wie Omron bereits Lösungen an, die ATEX-konform sind und sich somit für den Einsatz in dieser Umgebung eignen.
Wachstum der Wärmepumpen
Europa beginnt, die Verwendung von Gaskesseln zugunsten von Wärmepumpen auslaufen zu lassen. Gaskessel werden durch den Repower-Plan der EU-Gemeinschaftspolitik (REPowerEU) eingeschränkt, und die Europäische Union strebt eine Verdoppelung der derzeitigen Einführungsrate von individuellen Wärmepumpen an, was zu einer kumulativen Anzahl von zehn Millionen Einheiten in den nächsten fünf Jahren führen wird. REPowerEU erweitert diese Ambitionen und erhöht den Zeitplan auf zwanzig Millionen installierte Wärmepumpen bis 2026 und fast sechzig Millionen bis 2030.
Daraufhin hat die deutsche Regierung eine neue Wärmestrategie mit Schwerpunkt auf Fernwärmelösungen beschlossen, mit dem Auftrag, Wärmepumpen ab Januar 2025 verbindlich vorzuschreiben. Die Niederlande wollen, dass Hybrid-Wärmepumpen beim Austausch bestehender Heizkessel zum Standard werden und machen Wärmepumpen ab 2026 zur Pflicht. Großbritannien hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2028 jährlich 600.000 Wärmepumpen zu installieren und wird ab 2025 die Installation von Gaskesseln in Neubauten verbieten. Frankreich hat zugesagt, die staatlichen Subventionen für die Installation neuer Gasheizungen in Privathaushalten einzustellen und die Förderung von Heizungen mit erneuerbaren Energien zu verstärken, während die italienische Regierung ebenfalls ihre Absicht erklärt hat, Gasheizungen in Privathaushalten ab 2029 zu verbieten.
Wenn diese Ziele erreicht werden, wird der Einsatz fossiler Brennstoffe stark reduziert, aber jede Wärmepumpe verwendet Kältemittel in ihrer Konstruktion, was deren Einsatz stark erhöht. Das Problem ist, dass Kältemittel mit niedrigem Ozonabbaupotenzial (ODP) und dem geringsten Treibhauspotenzial (GWP) eigene Gefahren mit sich bringen. Kältemittel mit niedrigem GWP sind nämlich leicht entflammbar, so dass eine gasexplosionssichere Konstruktion vorgeschrieben ist. ATEX-zugelassene Komponenten könnten eine gute Lösung sein, um das Design zu vereinfachen und die Sicherheitsvorschriften für Kühlanlagen, Verkaufsautomaten und Wärmepumpen zu erfüllen.
Normen für die Sicherheit
Die Norm der American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineering (ASHRAE) klassifiziert Kältemittel nach ihrer Gefährlichkeit, basierend auf Toxizität und Entflammbarkeit. Heute gängige umweltfreundliche Kältemittel wie R290 (Propan), R1270 (Propen) und R600a (Isobutan) weisen einen ODP-Wert von Null und ein niedriges GWP (Treibhauspotenzial) auf. Sie sind jedoch nach der Norm A3 eingestuft, das heißt leicht entzündlich. Dies bedeutet, dass für die Komponenten, die bei der Konstruktion von Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlsystemen verwendet werden, neue Lösungen erforderlich sind.
Diese Überlegungen gelten in noch stärkerem Maße für hochentzündliche Wasserstoffheizkessel. Eine explosionsfähige Atmosphäre liegt vor, wenn sich ein Gemisch aus Luft, Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben in einer Weise verbindet, die sich unter bestimmten Betriebsbedingungen entzünden kann. In ganz Europa umfassen die Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX) eine Reihe von Produkten, darunter solche, die auf festen Offshore-Plattformen, in petrochemischen Anlagen, in Bergwerken und in Getreidemühlen eingesetzt werden.
Explosionsgeschützte Komponenten wie Relais, Schalter und ähnliche Geräte fallen unter die Bestimmungen der IEC60335-2-40 „Besondere Anforderungen für elektrische Wärmepumpen“. Bei den Klimageräten und Luftentfeuchtern erweitern die Vorschriften der IEC 60730 / UL508 die Einsatzmöglichkeiten für brennbare Kältemittel wie etwa R290.
In der Praxis gelten spezifische Vorschriften für die unterschiedlichsten Anwendungen, von Transportkühlschränken über Kältemaschinen und Klimaanlagen bis hin zu Wärmepumpen und Wasserstoffheizkesseln. Dies wiederum macht es notwendig, neue Lösungen zu entwickeln, die Schutz bieten und gleichzeitig den Bedürfnissen des vielfältigen Marktes entsprechen.
Explosionssichere Relais
Zu den ersten Erfolgen gehören die Zertifizierungen von geschlossenen und offenen Relais, die bereits die Zulassung nach VDE IEC60079-15 erhalten haben. Hier ist ein Beispiel. Das G5NB von Omron ist ein Miniaturrelais mit 1-poliger 5A/7A-Schaltfähigkeit und 10kV-Stoßspannungsfestigkeit. Sein effizienter Magnetkreis sorgt für eine hohe Empfindlichkeit von 200 mW. Dieses Standardmodell entspricht den UL/CSA/VDE-Normen und erfüllt die Anforderungen der verstärkten Isolierung nach EN61010.
Das Miniatur-Leistungsrelais G5Q ist ein einpoliges Bauteil mit bis zu 10 A Schaltleistung und mit Schaltleistung für eine Vielzahl von Lasten. Es ist klein und bietet dennoch eine Stoßspannung von bis zu 8 kV (zwischen Spule und Kontakten) und besticht durch eine geringe Leistungsaufnahme der Spule.
Das G2RL ist ein flaches PCB-Leistungsrelais mit einer Höhe von 15,7 mm, das sich ideal für den Einbau in Miniaturgeräte eignet. Es ist eine große Auswahl an einpoligen, zweipoligen, hochleistungsfähigen (16 A) und hochempfindlichen (250 mW) Relais erhältlich. G2RL erfüllt die Anforderungen an die Umgebungstemperatur von 85°C und 105°C (Modell -CV). Luft- und Kriechstrecke:
8 mm / 8 mm min.
Der niedrige Stromverbrauch der Modelle G5NB und G5Q sorgt für eine geringere Wärmeentwicklung und macht sie damit ideal für einen hocheffizienten Betrieb. Die G5NB- und G5Q-Relais können in einer Vielzahl von Verbraucher-, kommerziellen und industriellen Anwendungen als explosionsgeschützte Relais, glühdrahtfeste Relais und Hochstromrelais eingesetzt werden.
Die Relais G5NB, G5Q und G2RL sind alle für den Einsatz in sehr risikoreichen Situationen mit gefährlichen Kraftstoffen und Kältemitteln zugelassen. Die VDE-Explosionsschutzprüfung nach IEC/EN60079-15 ist sowohl für abgedichtete als auch für nicht abgedichtete Geräte vorgesehen. Weitere Zulassungen für Motorlasten sind in Vorbereitung. Zusätzliche Zulassungen umfassen VDE Glühdraht EN60335-1(-HA Modell) und IEC/EN61810-1 sowie UL/CSA-konform.
Miniaturrelais im Fokus
Neben den gekapselten Standardrelais bieten Miniatur-Leistungsrelais wie das G6RN eine Schaltleistung von 8A/250VAC bei einer Bauhöhe von nur 15 mm. Es zeichnet sich außerdem durch eine hohe Empfindlichkeit mit 220 mW Leistungsaufnahme, eine hohe Isolierung mit einem Isolationsabstand von 8 mm und eine Stoßspannung von bis zu 10 kV zwischen Spule und Kontakten aus. Zudem erfüllt das G6RN die Anforderungen an eine Betriebsumgebungstemperatur von 85°C und entspricht in der Standardausführung den einschlägigen VDE-Normen. Diese bereits in der Entwicklung befindliche Relaisfamilie wird ein nicht abgedichtetes Modell -EL1 und sein abgedichtetes Gegenstück -EL2 umfassen. Außerdem werden beide Relais nach den gängigen Normen IEC/EN60079-15 (Explosionsschutz) und EN60335-1 (Glühdraht) zugelassen.
Gekapselte Mikroschalter
Neue Versionen von Ultra-Subminiatur-Basisschaltern, die nach IP67 abgedichtet sind, werden sich auch als ideal für den sicheren Betrieb in der Nähe von hochentzündlichen Flüssigkeiten erweisen. Die Modelle mit Gleitkontaktkonstruktion haben einen langen Hub und bieten eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine hohe Isolationsleistung. Die versiegelten Mikroschalter sind je nach Größe für Signalströme bis zu 5 A erhältlich, und alle Modelle können mit umspritzten Kabeln geliefert werden.
Fazit
Die in diesem Artikel aufgeworfenen Fragen in Bezug auf Wärmepumpen gelten auch für Klimaanlagen, Industrie- und Haushaltskühlschränke und andere Anwendungen. Die Welt muss Lösungen finden, die die Auswirkungen der globalen Erwärmung abmildern und gleichzeitig die Sicherheit von Heiz- und Kühlanlagen gewährleisten. Das Unternehmen Omron hat sich dazu verpflichtet, Technologien zu entwickeln und zu fördern sowie die Ressourcen und Umwelt zu schonen. Dazu gehören ATEX-konforme Relais, abgedichtete Schalter und neue Arten von Sensoren.
