Wärmepumpe

Wärmepumpe - ein Zwitter

Verlegung eines Erdkollektors

• Ressource:
  Umweltwärme aus Erdreich, Wasser und Luft
• Standorte:
  weltweit
• Einsatzgebiete:
  Warmwasser, Heizung
• Leistungsbereich:
  1 kW bis 1 MW
• Kosten heute:
  5 bis 10 Cent/kWh

Die Nutzung der Umgebungswärme mit Hilfe von Wärmepumpen unterscheidet sich in einem Punkt wesentlich von anderen erneuerbaren Energien. Die Wärmepumpe braucht nämlich zum Antrieb einen erheblichen Anteil an Fremdenergie. Je nach äußeren Bedingungen kann diese ein Viertel bis die Hälfte der Energie ausmachen, die als Wärme genutzt wird. Man ordnet daher diese Technologie auch dem Bereich der rationellen Energienutzung zu, sieht Wärmepumpen also eher in einer Reihe mit sparsamen Heizkesseln. Aber auch zu diesen Techniken besteht ein wesentlicher Unterschied: Denn Wärmepumpen nutzen nicht nur die ihnen zum Antrieb zugeführte Energie, sondern zusätzlich auch Energie aus der Umgebung. Entscheidend ist, ob der erneuerbare Anteil überwiegt. Wärmepumpen sind also ein Zwitter zwischen sparsamem, konventionellen Energieeinsatz und erneuerbaren Energien!

Energie ist nicht gleich Energie

Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie nicht verloren gehen. Allerdings wird Energie jedes Mal entwertet, wenn sie von einer Form in eine andere überführt wird. Heizen wir ein Haus, so wird die chemisch gebundene Energie des Brennstoffs bei der Verbrennung zuerst in eine heiße Flamme umgewandelt, damit das Wasser in den Heizkörpern erhitzt, die wiederum die Raumtemperatur anheben. Schließlich entweicht die Raumwärme nach außen. Energie ist dabei nicht verloren gegangen, nur das Temperaturniveau der Energie ist immer weiter gesunken. Wärmepumpen drehen diesen Prozess um, sie “pumpen” die auf niedrigem Temperaturniveau vorliegende Umgebungsenergie unter Einsatz zusätzlicher Energie auf ein höheres Temperaturniveau, das zum Heizen ausreicht.

Prinzip der Wärmepumpe

Eine Flüssigkeit, das kann z. B. ein herkömmliches Kältemittel oder Propan sein, wird in einem geschlossenen Kreislauf mit unterschiedlichen Drücken geführt. Bei niedrigem Druck nimmt das Arbeitsmedium im Verdampfer die Wärme aus der Umgebung auf, dann wird sie mit einer Pumpe auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht. Im Verflüssiger gibt das Arbeitsmedium die Wärme an einen Heizkreislauf ab und kühlt sich dabei ab. Ein Drosselventil senkt den Druck, die Temperatur fällt weiter ab, das Arbeitsmedium kann dann wieder dem Verdampfer zugeführt werden. Es handelt sich um das gleiche Prinzip, wie es bei Kühlschränken zur Anwendung kommt, nur dass bei der Wärmepumpe die warme Seite, d. h. der Kondensator, den man beim Kühlschrank auf der Rückseite findet, genutzt wird.

Es gibt verschiedene technische Ausführungen von Wärmepumpen. Am weitesten verbreitet sind so genannte Kompressionswärmepumpen. Die Verdichter sind häufig als Kolbenmaschinen ausgeführt. Daneben kommen auch Rollkolben- und Schraubenverdichter zum Einsatz, die für eine Drehzahlregelung gut geeignet sind. Kleinwärmepumpen zur Brauchwassererwärmung und Heizung von Einfamilienhäusern werden meist von Elektromotoren angetrieben, größere Anlagen auch von Gasmotoren. Diese Gasmotoren, die konventionellen Verbrennungsmotoren gleichen, haben den Vorteil eines hohen primärenergetischen Wirkungsgrades. Außerdem kann mit dem Kühlwasser des Motors die Heizungstemperatur weiter angehoben werden. Allerdings sind die spezifischen Investitionskosten wie auch der Betriebs- und Wartungsaufwand gemeinhin höher. An der Entwicklung von gasmotorisch betriebenen Wärmepumpen kleiner Leistung wird gearbeitet. Auch elektromotorisch angetriebene Wärmepumpen werden weiter verbessert, um sie vor allem besser an den tatsächlichen momentanen Heizungsbedarf und die momentanen Temperaturen der Wärmequelle anpassen zu können und so eine höhere Effizienz zu erreichen. Generell können die heute auf dem Markt befindlichen Geräte als technisch ausgereift gelten.

Von Kompressionswärmepumpen sind Absorptionswärmepumpen zu unterscheiden. Bei ihnen ist der mechanische Kompressor durch einen thermischen Verdichter, der mit einem Zweistoff-Gemisch arbeitet, ersetzt. Die Absorptionswärmepumpe kann von jeder Art thermischer Energie mit ausreichend hohem Temperaturniveau betrieben werden, z. B. mit Heizöl, Erdgas oder auch Biobrennstoffen. Sie zeichnet sich durch einen wartungsarmen Betrieb aus, da außer einer kleinen Lösungsmittelpumpe keine beweglichen Teile vorhanden sind. Absorptionswärmepumpen werden häufig in der Industrie zur Nutzung von Abwärme eingesetzt. Kleine, leistungsgeregelte Absorptionswärmepumpen für den Einsatz in Wohnhäusern werden ebenfalls entwickelt. Sie lassen eine gute Effizienz über einen weiten Temperaturbereich der Wärmequelle erwarten.

In Luft, Erde und Wasser stecken noch ungenutzte Energien

Wärmepumpen können in unterschiedlicher Form die Umgebungswärme anzapfen. Am häufigsten wird die Energie der Umgebungsluft genutzt. Vorteilhaft hierbei ist, dass Luft überall und jederzeit verfügbar ist. Nachteilig ist, dass die Umgebungsluft immer dann am kältesten ist, wenn der Wärmebedarf am höchsten ist, nämlich im Winter. Und das mindert den Ertrag der Wärmepumpe. Denn je größer die Temperaturunterschiede zwischen Wärmequelle, hier also Luft, und der Nutzwärme, um so mehr Energie ist bei gleichem Ergebnis zum Antrieb der Pumpe notwendig.

Energetisch günstiger ist daher z. B. das Erdreich als Wärmequelle. In 1 bis 2 m Bodentiefe sinken die Temperaturen auch im Winter gewöhnlicherweise nicht unter 5°C. Mit im Erdreich verlegten Rohren, die von einer Sole durchflossen werden, kann die Energie aufgenommen und der Wärmepumpe zugeführt werden. Der Temperaturhub der Wärmepumpe kann so über das Jahr relativ konstant gehalten werden, der Energieeinsatz bleibt niedrig. Allerdings sind die Erdkollektoren – so werden die im Erdreich verlegten Rohre genannt – im Vergleich zur Nutzung der Luft teurer. Bei horizontal verlegten Erdkollektoren beträgt der Flächenbedarf das Ein- bis Anderhalbfache der zu beheizenden Wohnungsfläche. Dazu kann der ein Haus umgebende Garten dienen, der nach Verlegung des Kollektors wieder normal genutzt werden kann. Ist diese Fläche für die Beheizung nicht ausreichend, was angesichts der heutigen Grundstücksgrößen bei Neubauten häufig der Fall ist, können die Kollektoren auch vertikal als Erdsonden verlegt werden. Zu diesem Zweck werden bis zu 150 m tiefe Löcher in das Erdreich gebohrt, in die dann die Rohre mit der Sole verbracht werden. Der entscheidende Nachteil: Die Erdsonden sind noch teurer als die horizontal verlegten Erdkollektoren, außerdem ist eine wasserrechtliche Genehmigung von den Behörden einzuholen. Die so genutzte Energie des Erdreichs stammt – auch bei den Erdsonden – weitgehend aus der Umgebung. Mittlerweile werden Erdwärmesondenanlagen zur Versorgung ganzer Häuserblocks gebaut. In Werne (Nordrhein-Westfalen) sollen 123 Häuser aus der Energie der Erde versorgt werden.

Eine andere mögliche Wärmequelle stellt Grundwasser dar. Die Temperatur von Grundwasser schwankt über das Jahr nur wenig, meist liegt sie im Bereich zwischen 8 und 15°C. Allerdings besteht häufig nicht die Möglichkeit, Grundwasser als Wärmequelle zu nutzen, außerdem behandeln die zuständigen Behörden die Erteilung der erforderlichen wasserrechtlichen Genehmigungen restriktiv, da der Schutz des Grundwassers ein hohes Gut darstellt. Auch das Wasser vom Meer, von Seen und Flüssen ist, soweit zugänglich, als Wärmequelle für Wärmepumpen gut geeignet, in entsprechender Wassertiefe liegt die Temperatur gewöhnlich zwischen 2 und 1°C. Auch hier ist eine behördliche Erlaubnis einzuholen, die in den meisten Fällen auch erteilt wird, da eine Abkühlung der wärmebelasteten Oberflächenwasser vom ökologischen Standpunkt aus durchaus wünschenswert ist. Schließlich kann auch künstlichen Wärmequellen wie etwa Abwasser und Abluft die Energie entzogen werden. Da die Energie hier meist schon auf einem hohen Temperaturniveau liegt, ist der Einsatz von Wärmepumpen sehr günstig. Aufgrund des gegenwärtig niedrigen Energiepreisniveaus und der von der Industrie geforderten kurzen Amortisationsdauer von Investitionen unterbleibt die Nutzung der Abwärme in der Industrie aber häufig.

monovalent - bivalent - monoenergetisch ?

Um die Investitionskosten niedrig zu halten, decken Wärmepumpen nur in seltenen Fällen den Wärmebedarf vollständig ab. Eine solche Betriebsweise wird monovalent genannt. Monovalente Anlagen haben den Vorteil, dass nur eine Technik im Heizungskeller installiert werden muss und der Schornstein entfallen kann. Erdgekoppelte Wärmepumpen werden heute häufig monovalent ausgeführt. Bei Neubauten mit sehr guten Wärmedämmstandards können sie eine durchaus wirtschaftliche Alternative darstellen. Der Begriff monovalent ist nicht mit dem Begriff monoenergetisch zu verwechseln. Monoenergetisch meint, dass neben der Wärmepumpe eine ergänzende Heizung existiert, die aber mit dem selben Energieträger wie die Wärmepumpe betrieben wird, d. h. beispielsweise bei einer Elektro-Wärmepumpe eine zusätzliche Elektro-Direktheizung. Wärmepumpen können eine konventionelle Heizungsanlage aber auch nur ergänzen, das ist die bivalente Betriebsweise. Die Wärmepumpe ist dann üblicherweise auf 30 bis 50 % der maximal erforderlichen Heizleistung ausgelegt.

Es gibt zwei Unterformen des bivalenten Betriebs: Bivalent-alternativ bedeutet, dass bei geringem Wärmebedarf die Wärmepumpe läuft, bei höherem Wärmebedarf aber ausschließlich die konventionelle Heizung. Bei bivalent-parallelem Betrieb sind bei hohem Wärmebedarf dagegen sowohl Wärmepumpe als auch konventionelle Heizung im Einsatz. Soll die bereitgestellte Wärme zu Heizzwecken verwendet werden, so sind niedrige Vorlauftemperaturen im Heizungssystem vorteilhaft, da ein niedriger Temperaturunterschied wichtig für einen effizienten Betrieb der Anlage ist. Gut geeignet sind deshalb Fußboden- und Wandheizungen. Auch Warmluftheizungen benötigen nur niedrige Vorlauftemperaturen und werden möglicherweise in Zukunft zusammen mit dem verstärkten Einsatz von kontrollierter Wohnungsbelüftung größere Verbreitung finden.

Kosten und Potenziale

Elektrisch betriebene Wärmepumpen für den im Einfamilienhaus relevanten Leistungsbereich werden zu spezifischen Investitionskosten von 500 bis 1.000 Euro/kW Heizleistung angeboten. Soweit es sich nicht um Anlagen handelt, die Luft als Wärmequelle nutzen, sind noch die Kosten für Kollektor und Erdarbeiten zu berücksichtigen, die je nach Gegebenheiten mit 250 bis 500 Euro je kW Heizleistung anzusetzen sind. Typischerweise belaufen sich damit die Gesamtinvestitionskosten für eine Wärmepumpenanlage in einem Einfamilienhaus auf 7.500 bis 15.000 Euro. Wie hoch die daraus resultierenden Wärmekosten sind, hängt sehr stark davon ab, inwieweit der örtliche Stromversorger Sondertarife für elektrische Wärmepumpen anbietet. Die spezifischen Wärmekosten bewegen sich in der Größenordnung zwischen 6 und 10 Cent/kWh.

Es ist schwierig, das technische Potenzial der Nutzung der Umgebungswärme zu ermitteln. Schätzungen gehen davon aus, dass 14 bis 16 % des derzeitigen Bedarfs für Raumwärme und Warmwasser in Deutschland bereitgestellt werden könnten. Im Jahr 2000 wurden 60.000 Anlagen in Deutschland installiert. Der ganz überwiegende Teil davon wird elektrisch betrieben und nutzt Luft als Wärmequelle. Nach einem Boom Anfang der 80er Jahre, als aufgrund hoher Ölpreise der Betrieb von Wärmepumpen wirtschaftlich erschien, ging die Nachfrage stark zurück. Seit Anfang der 90er Jahre hat jedoch eine Erholung der Nachfrage eingesetzt, nicht zuletzt unterstützt durch die verstärkten Vermarktungsanstrengungen von Elektrizitätsversorgungsunternehmen.

Wärmepumpen - Teil einer nachhaltigen Energieversorgung ?

Zum Betrieb der Wärmepumpe muss ein beachtlicher Teil von Fremdenergie eingesetzt werden. Deshalb ist es für ihre energetische Bewertung wichtig, das Verhältnis von eingesetzter Energie zu Nutzenergieertrag zu ermitteln und dabei die gesamte Kette von der Energiequelle über die Energieaufbereitung bis zur Nutzung in der Wärmepumpe zu betrachten. Wird Strom als Fremdenergie eingesetzt, so ist es wegen der Verluste der Stromerzeugung (derzeit rund zwei Drittel der eingesetzten Primärenergie) erforderlich, mit der eingesetzten Antriebsenergie mindestens den dreifachen Wärmeertrag zu liefern, wenn der Einsatz fossiler oder nuklearer Energie kleiner sein soll als die genutzte Wärmemenge. Dieses als Arbeitszahl bezeichnete Verhältnis bestimmt also, ob in der Gesamtbilanz überhaupt erneuerbare Energie genutzt wird. Da die Verluste in der Gasversorgung geringer als in der Stromversorgung sind, insbesondere die Verluste in den Kraftwerken entfallen, beträgt die notwendige Jahresarbeitszahl nur 1,1 bei gasmotorbetriebenen Wärmepumpen, um von erneuerbaren Energien sprechen zu können.

Hinsichtlich der Schadstoff-Emissionen – beispielsweise Stickoxide oder Kohlenmonoxid, nicht aber Kohlendioxid (CO₂), dessen Emission nur von den eingesetzten Energieträgern und den Wirkungsgraden der Umwandlung abhängt – können elektrisch betriebene Wärmepumpen gegenüber konventionellen Heizkesseln, insbesondere Ölkesseln, auch schon bei niedrigeren Jahresarbeitszahlen Vorteile bieten, da der bundesdeutsche Kraftwerkspark dank effizienter Schadstoffrückhaltemaßnahmen niedrige spezifische Emissionen aufweist.

Der verstärkte Einsatz von elektrischem Strom im Wärmebereich ist allerdings angesichts des Atomausstiegs und einer derzeit überwiegend auf fossilen Energieträgern basierenden Stromversorgung energiepolitisch problematisch.

Quellen

• www.btl-plattform.de/fileadmin/btl/pdf/allgemein/erneuerbare_energien_entwicklung.pdf

Siehe auch

• Bundesverband Wärmepumpe

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