Wärmepumpen der Zukunft

Transformation der Heiztechnik

Immer noch verbrauchen Gebäude rund 40 % der Endenergie in Deutschland für Heizung, Warmwasser oder Klimatisierung. Seit einigen Jahren untersucht das Institut mit aufwändigen Simulationen, wie eine Transformation des deutschen Energiesystems so gestaltet werden kann, dass die Klimaschutzziele der Bundesregierung nachhaltig und zu möglichst geringen Kosten erreicht werden. Das dafür entwickelte Simulationsprogramm REMod-D bildet das deutsche Energiesystem mit Erzeugung, Verbrauch, Speicherung und Kosten ab. In Millionen von Simulationsläufen werden jeweils für jede Stunde eines Jahres Angebot und Nachfrage von Wärme, Strom, Mobilität so optimiert, dass ein stabiler Betrieb des Energiesystems möglich ist. In der aktuellen Studie „Was kostet die Energiewende? Wege zur Transformation des deutschen Energiesystems bis 2050“ wurde auch ein Szenario mit 85 % CO₂-Reduktion gegenüber 1990 erarbeitet. Einen möglichen Transformationspfad für die Heiztechniken in diesem Szenario gibt Bild 1 wieder.

Danach würde der letzte Ölkessel 2032, der letzte Gaskessel 2048 stillgelegt. 2050 wären mehr als 80 % aller Anlagen Wärmepumpen mit Gas oder Strom als Antriebsenergie. Der Rest der Gebäude wäre an Wärmenetze angeschlossen. Dies würde einen leichten Ausbau von Wärmenetzen bedeuten und eine effiziente Wärmeversorgung auch in verdichteten innerstädtischen Gebieten ermöglichen. Zugleich können Wärmenetz-gebundene Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) einen großen Anteil des komplementären Strombedarfs decken. In diesem Szenario hätten 12 % aller Gebäude den Wärmebedarf von Passivhäusern, der Rest den von Hocheffizienzhäusern entsprechend heutigem Neubaustandard.

Eine zentrale Frage lautet also: Sind Wärmepumpen in der Lage eine Schlüsselrolle für die zukunftsfähige Versorgung von Gebäuden mit Wärme zu übernehmen?

Wärmepumpentest

a) Elektrowärmepumpen

Um Antworten aus der Praxis auf diese Frage zu bekommen, untersucht das Institut seit 2006 Elektrowärmepumpen im realen Einsatz, vor allem in Einfamilienhäusern. Die Bandbreite des spezifischen jährlichen Heizenergiebedarfs reicht von 40 (Neubau) bis 220 kWh/m² (unsanierter Bestand). Über 250 Anlagen wurden im Rahmen von drei Projekten im Alltagsbetrieb über mehrere Jahre vermessen. Das erfreuliche Ergebnis: Die Effizienz der Anlagen im praktischen Einsatz steigt kontinuierlich. So lagen im letzten Projekt WP-Monitor die mittleren Jahresarbeitszahlen (JAZ) für elektrische Luft/Wasser Wärmepumpen bei 3,1, für Sole-/Wasser-Wärmepumpen bei 4,0.

Die Feldtests zeigten auch, wie entscheidend besonders bei bestehenden Gebäuden die richtige Einbindung und ein effizienter Betrieb sind. Das wird jetzt in dem neuen Feldtest „WPsmart“ an 100 elektrisch angetriebenen Wärmepumpen in älteren Einfamilienhäusern untersucht. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Elektrische Wärmepumpen sind prädestiniert für den Einsatz in einem erneuerbaren Energiesystem mit „Smart Grids“. Strom kann als Wärme über Warmwasserspeicher oder die Gebäudemasse gespeichert werden und gleicht so Fluktuationen bei Sonne und Wind aus. Wärmepumpen, die mit regenerativem Strom und Umweltwärme heizen, leisten einen wesentlichen Beitrag zur CO₂-Reduktion.

b) Gaswärmepumpen

In einer Gaswärmepumpe treibt die Verbrennung von Gas die thermische Wärmepumpe an. Immer mehr Hersteller bieten diese jetzt auch für Einfamilienhäuser an.

In dem EU-Projekt „Heat4U“ haben 14 Partner aus Industrie und Forschung Gas-Absorptionswärmepumpen mit Wärmequelle Luft untersucht (7. Forschungs-Rahmenprogramm, Fördernummer 285158). Die entwickelten Geräte sind auch bei hohen Vorlauftemperaturen sehr effizient und somit für die Umrüstung im Gebäudebestand geeignet. Diese robuste Heiztechnik ist geräuscharm und nutzt Erdgas um etwa 35 % besser als hochwertige Gasbrennwertkessel.

Mit regenerativ erzeugten Gasen können auch Gaswärmepumpen nachhaltig in ein erneuerbares Energiesystem eingebunden werden.

c) Green Heat Pump – Wärmepumpe für sanierte Altbauten

Bisher spielten Wärmepumpen vor allem in Neubauten mit Fußbodenheizungen eine Rolle, da die Wärmeabgabe bei etwa 35 °C erfolgt. Über 80 % der Wohngebäude in Europa sind jedoch älter als 25 Jahre und müssen früher oder später saniert werden. Das soeben abgeschlossene EU-Projekt Green Heat Pump hat dafür eine elektrische Wärmepumpe entwickelt: Die GreenHP arbeitet mit dem klimafreundlichen Kältemittel Propan und ermöglicht eine effiziente Wärmeabgabe auch bei etwa 55 °C. Damit können selbst herkömmliche Radiatoren mit Wärmepumpe betrieben werden.

Der Demonstrator ist für sanierte Mehrfamilienhäuser mit sechs bis acht Wohneinheiten geeignet. Verdampfer und Lüfter sind auf geringe Luftgeschwindigkeit ausgelegt, damit das System leise arbeitet. Das Fraunhofer ISE hat dafür einen Kältemittelverteiler entwickelt, der besonders effizient und mit minimalem Kältemittelvolumen arbeitet. Der Verteiler ist nach bionischen Prinzipien – also nach Vorbildern in der Natur – konstruiert. Der Scrollverdichter ist besonders kompakt und hat ein geringes Ölvolumen, um die darin gelöste Menge an Kältemittel so klein wie möglich zu halten. Das ServiceLab Smart Energy des Fraunhofer ISE steuerte eine Regelung des Gesamtsystems bei, die Pooling und einen netzdienlichen Betrieb der GreenHP in einem Smart Grid erlaubt.

Die GreenHP erbringt bei einer Außentemperatur von -10 °C rund 30 kW Wärmeleistung. Nach ersten Tests beim Projektkoordinator AIT wurden bei 7 °C Außentemperatur und einer Vorlauftemperatur von 55 °C eine Leistungszahl (COP Coefficient of Performance) von 3,0 gemessen und ein SCOP (Seasonal COP, Jahresarbeitszahl) gemäß EN 14825 von 3,3 errechnet, ohne dass das System in Feldtests oder längeren Versuchsreihen optimiert worden wäre (Umfangreichere Ergebnisse sind im Bericht D9.1 unter http://www.greenhp.eu/deliverables/public-deliverables/ zu finden).

Das Greenhouse Warming Potential (GWP) beschreibt die Klimaschädlichkeit von Kältemitteln mit einem Faktor, der angibt, wievielmal höher der Treibhauseffekt bei einer Freisetzung des Mittels gegenüber CO₂ ist. Kohlendioxid hat demnach ein GWP von 1, das herkömmliche Kältemittel R-410A kommt auf 2088, Propan auf 3 hat. Es gibt bereits eine Reihe von Wärmepumpen für Wohngebäude mit natürlichen Kältemitteln, sie erreichen aber meist nicht das hohe Heiztemperaturniveau und den großen Leistungsbereich der GreenHP. Die unten angegebenen Websites zu hydrocarbons21 und der Fachverbände BWP und EHPA bieten Informationen zur Auswahl von Wärmepumpen.

Da das Forschungskonsortium der GreenHP herstellerunabhängig war und Ergebnisse aus öffentlich geförderten Projekten allen Marktteilnehmern zur Verfügung stehen, können Hersteller jetzt Komponenten, Teilsysteme oder gar das ganze Systemkonzept der Wärmepumpe für ihre Produkte nutzen, um mit Feldtests und Optimierung ein marktfähiges Endprodukt zu entwickeln. Interessierte können sich an den Projektkoordinator, die Forschungs- und Industriepartner oder den Autor wenden.

Prüf- und Entwicklungszentrum

Den bionischen Kältemittelverteiler der GreenHP entwickelten die Forscher am Prüf- und Entwicklungszentrum für Heiz- und Kühlgeräte. Es ist hochmodern eingerichtet – Eröffnung war im Juli 2015 – und steht auch externen Nutzern für Ihre Entwicklungs- oder Testaufgaben zur Verfügung. Es ist zugelassen für Arbeiten mit brennbaren Kältemitteln und verfügt über modernste Mess- und Konditionierungstechnik, die „Hardware in the Loop“-Messungen (HiL) für alle HLK-Bereiche gestatten. Unterschiedlichste Klimabedingungen, Bauweisen und Nutzergewohnheiten können so nachgebildet werden, dass der Prüfling in wenigen Tagen ein virtuelles Jahr durchläuft.

Ein Herzstück des Zentrums ist die kalorimetrische Doppelklimakammer für Prüflinge mit bis zu 2 x 50 kW Heiz- oder Kühlleistung. Sie hat Gasanschlüsse, Luftkanäle und Abgaseinrichtungen, die auch das Testen von Gas- oder Hybridwärmepumpen erlauben.

Fazit

Wärmepumpen haben das Potential, die Hauptlast der Wärmeversorgung in einem nachhaltigen Energiesystem zu tragen. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, sind noch erhebliche Anstrengungen in Forschung und Entwicklung notwendig. Einige Ziele dafür sind: Weitere Erhöhung der Effizienz, Senkung der Kosten, Ersatz Fluor-haltiger Kältemittel, Sicherstellung hoher Qualität bei Installation und Betrieb der Anlagen sowie Ausbau des Zusammenspiels von Strom- und Wärmesektor für ein stabiles Gesamtenergiesystem im Rahmen des „Smart Grids“.