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Erneuerbares Heizen und Kühlen: Wärmepumpen und Kältemaschinen

Einleitung

Während im Jahr 2020 der Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Bruttostromverbrauch bei 45,4 % lag, halten sie in die Wärme- und Kälteversorgung deutlich langsamer Einzug (1). So lag im selben Jahr der Anteil erneuerbarer Energieträger am Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte bei lediglich 15,2 % (1), obwohl allein der Wärmemarkt, sprich die Bereitstellung von Raumwärme, Warmwasser und sonstiger Prozesswärme, einen Anteil von 54,1 % am gesamten deutschen Endenergieverbrauch hat (Stand: 2017; 2).
Weltweit gesehen stellt der stark steigende Bedarf an Raumkühlung wohl eine der größten energietechnischen Herausforderungen unserer Zeit dar. Bereits heute macht die Nutzung von Klimaanlagen und Ventilatoren rund ein Fünftel des weltweiten Stromverbrauchs in Gebäuden bzw. ein Zehntel des weltweiten Gesamtstromverbrauchs aus, wobei sich der derzeitige Bedarf gemäß einer Schätzung der Internationalen Energieagentur bis zum Jahr 2050 gar mehr als verdreifachen könnte (3).

Nicht zuletzt vor dem Hintergrund o. g. immenser Herausforderungen wird immer wieder nach der forcierten Nutzung effizienter Wärmepumpen und Kältemaschinen gerufen. Diese Diskussion aufgreifend, wird im Folgenden ein Abriss der grundsätzlichen Prinzipien und möglichen Anwendungsformen sowie eine kurze Einschätzung zur Umweltverträglichkeit und Zukunftsfähigkeit dieser Technologien gegeben.

Technologieprinzip

Wärme bewegt sich grundsätzlich entlang eines Temperaturgefälles, also vom Wärmeren zum Kälteren. Dieses quasi in Stein gemeißelte Naturgesetz umgehen Wärmepumpen und Kältemaschinen. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Wärme von einem kühleren zu einem wärmeren Ort zu verschieben. Wird die Wärme dabei dem Außenbereich entzogen und ins Gebäudeinnere transportiert, spricht man im Allgemeinen von einer Wärmepumpe; ihr Nutzen ist die Beheizung. Wird hingegen einem Innenraum die Wärme entzogen und nach draußen abgegeben, spricht man generell von einer Kältemaschine; ihr Nutzen ist die Kühlung.

Kompressionswärmepumpe/-kältemaschine

Bei dieser Technologie fungiert als Antrieb in der Regel ein Elektromotor, vereinzelt werden jedoch auch Verbrennungsmotoren genutzt. Das grundsätzliche Prinzip ist in Abbildung 1 exemplarisch für die Wärmepumpe dargestellt.

Abbildung 1: Prinzip der Kompressionswärmepumpe (eigene, qualitative Darstellung nach (4))

In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, welches in einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, durch Aufnahme von Umgebungswärme verdampft wird. Im Anschluss wird das gasförmige Kältemittel verdichtet, wodurch sich neben seinem Druck auch seine Temperatur stark erhöht. Der Verdichter muss dabei extern mit Energie angetrieben werden. In einem weiteren Wärmetauscher, dem Kondensator, wird das Kältemittel anschließend wieder verflüssigt, wobei die hierbei abgegebene Wärmeenergie den eigentlichen Nutzen darstellt, z. B. zur Raumbeheizung oder Wassererwärmung. Über ein Expansionsventil wird das Kältemittel unter Verringerung seines Druckes und seiner Temperatur schließlich wieder zum Verdampfer geleitet. Der gesamte Vorgang wird dabei als linkslaufender Kreisprozess bezeichnet, als Gegenstück zum rechtslaufenden Kreisprozess, der in einem thermischen Kraftwerk Anwendung findet.

Im Unterschied zur Wärmepumpe besteht bei der Kältemaschine, z. B. einem Kühlschrank, der Nutzen in der vom Verdampfer aufgenommenen Wärmeenergie, welche dem zu kühlenden Ort entzogen wird. Abgesehen von den damit einhergehenden abweichenden Temperaturniveaus bei Wärmezufuhr und -abgabe ist die Funktionsweise der Kältemaschine grundsätzlich identisch zur o. g. Funktionsweise der Wärmepumpe.

Absorptionswärmepumpe/-kältemaschine

Bei dieser Technologie wird der mechanische Verdichter durch einen thermischen Verdichter ersetzt. Ihren grundlegenden Aufbau zeigt Abbildung 2 beispielhaft anhand der Wärmepumpe.

Abbildung 2: Prinzip der Absorptionswärmepumpe (eigene, qualitative Darstellung nach (4))

Nach Aufnahme von Umgebungswärme wird der Kältemitteldampf in einen Absorber geleitet und dort unter Abgabe nutzbarer Wärmeenergie in einem Absorptionsmittel gelöst. Dieses kältemittelreiche Gemisch wird mithilfe einer Lösungsmittelpumpe zum Austreiber transportiert. Dort wird Wärmeenergie zugeführt und das Kältemittel wieder aus der Lösung verdampft. Die verbleibende kältemittelarme Lösung wird über ein Expansionsventil zurück in den Absorber geleitet, während der Kältemitteldampf unter Abgabe von Nutzwärme den zuvor bei der Kompressionswärmepumpe dargestellten Weg geht.
Der Vorteil dieser Technologie ist, dass die Druckerhöhung des flüssigen Kältemittels nur einen Bruchteil der mechanischen Energie benötigt, die bei der Kompressionswärmepumpe zur Verdichtung des Kältemitteldampfes notwendig ist. Als eigentlicher externer Antrieb fungiert bei der Absorptionswärmepumpe die dem Austreiber zugeführte Wärmeenergie, welche z. B. durch Solar- oder Geothermie bzw. durch das Verbrennen von Erd- oder Biogas zur Verfügung gestellt werden kann.

Analog zur Kompressionstechnologie können Absorptionswärmepumpen ebenfalls als Kältemaschinen betrieben werden. Hierbei ist vor allem die sich durch diese Technologie ergebende Möglichkeit des solarthermischen Kühlens zu erwähnen, welche im Verlauf des Artikels noch genauer betrachtet wird.

Wärmequellen und Wirkungsgrade

Eine Wärmepumpe bedient sich der vorhandenen Umgebungswärme – auch im tiefsten Winter – und macht diese durch Zufuhr externer Energie nutzbar. Dabei steigt die Energieeffizienz der Wärmepumpe mit höherem Temperaturniveau der Wärmequelle, wobei als letztere vor allem die Außenluft, Grundwasser oder das Erdreich dienen.

Die Verwendung von Außenluft hat den Vorteil, dass sie überall verfügbar und leicht nutzbar ist. Nachteilig ist jedoch, dass durch jahres- und tageszeitliche Lufttemperaturschwankungen der erzielbare Wärmegewinn stark schwankt und dieser sich außerdem entgegengesetzt zum Heizwärmebedarf verhält. Beim Erdreich hingegen wird die Temperatur ab einer gewissen Tiefe hauptsächlich durch die natürliche Wärme aus dem Erdinneren beeinflusst, was deutlich geringere saisonale Schwankungen zur Folge hat. Auch Grundwasser hat den Vorteil eines vergleichsweise konstant hohen Temperaturniveaus.

Weiterhin gilt: Je niedriger die benötigte Temperatur auf der Wärmeabgabeseite, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Aus diesem Grunde ist z. B. eine Fußbodenheizung mit ihrer geringeren Vorlauftemperatur einem herkömmlichen Heizkörper in diesem Zusammenhang vorzuziehen.

Die abgegebene Nutzwärme der Wärmepumpe setzt sich aus der aufgenommen thermischen Energie der Wärmequelle und der extern zugeführten Antriebsenergie zusammen. Dabei bestimmt das Verhältnis aus abgegebener Nutzwärme und extern zugeführter Antriebsenergie den Wirkungsgrad, welcher bei der Kompressionswärmepumpe in Form der sogenannten Leistungszahl dargestellt wird. Aufgrund jahreszeitlich schwankender Temperaturbedingungen variiert die Leistungszahl, weswegen die sogenannte Jahresarbeitszahl als Mittelung der Leistungszahlen zur Bewertung von Kompressionswärmepumpen herangezogen wird. Moderne Wärmepumpen dieser Bauart können bei Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle unter optimalen Bedingungen (u. a. Gebäudeneubau mit Fußbodenheizung) eine Jahresarbeitszahl oberhalb von 5 erreichen, was bedeutet, dass sie im Jahresschnitt pro aufgenommene Kilowattstunde elektrischer Energie über fünf Kilowattstunden Wärmeenergie liefern (5). Bei Nutzung der Außenluft und unter sehr schlechten Bedingungen kann die Jahresarbeitszahl jedoch auch auf Werte von ca. 1,5 sinken (5), wobei beim derzeitigen deutschen Strommix ein Wert von ca. 3 als sinnvolle Untergrenze angenommen werden kann (6). Tabelle 1 stellt die mittleren Jahresarbeitszahlen von elektrisch angetriebenen Kompressionswärmepumpen in Abhängigkeit verschiedener Parameter dar.

Tabelle 1: mittlere Jahresarbeitszahlen von Kompressionswärmepumpen (5)

Wärmequelle

Gebäudeneubau

Gebäudealtbau

Luft

2,6 bis 3,3

2,4 bis 2,7

Erdreich

3,2 bis 4,3

2,9 bis 3,3

Grundwasser

vergleichbar mit dem Erdreich

vergleichbar mit dem Erdreich

Zu o. g. Werten ist anzumerken, dass Grundwasser-Wärmepumpen relativ viel Energie für den Betrieb der Grundwasserpumpe benötigen, weswegen ihre Jahresarbeitszahl etwas geringer ausfällt, als die gut geeignete Wärmequelle grundsätzlich erwarten lässt (5).

Auch für Kältemaschinen kann eine Leistungszahl angegeben werden. In diesem Fall ergibt sie sich aus dem Verhältnis von entzogener Wärmeenergie (Kälteleistung) und extern zugeführter Antriebsenergie. Bei Kompressionskältemaschinen wird sie manchmal auch als Kälteleistungszahl bezeichnet. Diese ist bei gleichen Temperaturniveaus geringer als bei der Kompressionswärmepumpe, da der Nutzen in Form der zur Verfügung gestellten Kälte (entzogene Wärmeenergie) um die Antriebsenergie geringer ist als die abgegebene Wärmeenergie, welche den Nutzen der Wärmepumpe darstellt.

Trotzdem erreichen Kältemaschinen oft höhere Leistungszahlen als Wärmepumpen, da sie in der Regel mit geringeren Temperaturdifferenzen arbeiten (7).

Bei Absorptionskältemaschinen wird die Leistungszahl als Wärmeverhältnis bezeichnet, bei der die bereitgestellte Kälte mit der zugeführten Wärmeenergie ins Verhältnis gesetzt wird. Beispielsweise stellt eine Maschine mit einem Wärmeverhältnis von 2 doppelt so viel Kälte zur Verfügung, wie sie für ihren Antrieb an Wärmeenergie aufnimmt.

Unter Umständen kann das Wärmeverhältnis zwar auch deutlich unterhalb von 1 liegen, allerdings kann die Verwendung einer Absorptionskältemaschine auch in einem solchen Fall sinnvoll sein, sofern ansonsten nicht nutzbare Abwärme oder solare Wärme für den Antrieb genutzt wird (8).

Anwendungsfall „Solares Kühlen“

Der weltweit zunehmende Bedarf an Raumkühlung ist eine derzeit noch oft ignorierte Herausforderung im Energiesektor. Dabei ist ein Leben ohne Kühlgeräte, z. B. Kühlschränke und Klimaanlagen, kaum vorstellbar. Zwar besitzen in Industrieländern wie den USA und Japan bereits etwa 90 % aller Menschen eine Klimaanlage, bei den 2,8 Milliarden Bewohnern der heißesten Regionen der Erde sind dies allerdings erst ca. 8 % (3). Laut der Organisation “Sustainable Energy for All” bedroht dieser Mangel an Kühlsystemen eine Milliarde Menschen, vor allem in Asien und Afrika (9). Und die WHO geht konkret davon aus, dass Jahr um Jahr fast eine halbe Million Menschen am Verzehr verdorbener Lebensmittel stirbt – verdorben in der Regel wegen fehlender Kühlmöglichkeiten (9). Weiterhin führen Unterbrechungen der Kühlkette bei Impfstoffen zu großen Problemen, nicht zuletzt in Zeiten von COVID-19. Nach Einschätzung der Internationalen Energieagentur wird der steigende Wohlstand der Länder des globalen Südens zukünftig den Stromverbrauch für Kühlung treiben, wobei die Schwellenländer China, Indien und Indonesien in dieser Hinsicht als wichtigste Akteure bis zum Jahr 2050 prognostiziert werden (3).

Bei allen möglichen Einsatz- und Betriebsmöglichkeiten der in diesem Artikel beschriebenen Technologien ist die Bereitstellung von Kälte durch Nutzung von Solar- bzw. Wärmeenergie vor dem Hintergrund o. g. Problematik ein besonders interessanter Anwendungsfall. Der große Vorteil hierbei ist, dass der Kühlbedarf sowie die Verfügbarkeit solarer Antriebsenergie zeitlich und räumlich tendenziell zusammenfallen.

Möglich ist hierbei sowohl die Kombination einer Photovoltaik-Anlage mit einer Kompressionskälteanlage (Solarelektrisches Kühlen) als auch die Kombination einer Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine mit Solarthermiekollektoren (Solarthermisches Kühlen). Adsorptionskältemaschinen arbeiten dabei im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Absorptionskältemaschinen mit einem festen Sorptionsmittel. Generell sind sowohl beim solarelektrischen als auch beim solarthermischen Kühlen zusätzlich Speicher vonnöten, um Unterbrechungen der Sonneneinstrahlung zu überbrücken, wobei prinzipiell Batterien bzw. Wärmespeicher zum vorübergehenden Antrieb der Kältemaschine sowie Kaltwasser- und Eisspeicher zur temporären direkten Deckung des Kältebedarfs zum Einsatz kommen können.

Ein Beispiel für die praktische Umsetzung o. g. Technologien ist das in Abbildung 3 dargestellte solarthermische Kühlsystem, welches in einem Gebäude des CABR (China Academy of Building Research) in Peking installiert ist (10). Dieses besteht aus Solarthermiekollektoren mit einer Fläche von insgesamt 524 m² und einer Absorptionskältemaschine mit einer Leistung von 176 kW (10). Ein Heiß- und Kaltwasserspeicher mit einem Volumen von 15 bzw. 8 m³ sowie ein Biomasse-Heizkessel (232 kW) komplettieren das System (10).

Abbildung 3: Solarthermisches Kühlsystem in Peking, China (10)

Umweltverträglichkeit

Grundvoraussetzung für eine ökologisch deutlich vorteilhafte, CO2-neutrale Wärme- und Kälteversorgung mithilfe der in diesem Artikel beschriebenen Technologien ist die Nutzung erneuerbarer Energien als Antriebsquelle. Im Falle des Betriebs mit konventionellen Energieträgern schwinden die ökologischen Vorteile unter Umständen auf ein Minimum. So macht z. B. die Verwendung von Kohlestrom aufgrund seines hohen Primärenergieaufwands den Effizienzvorteil einer Kompressionswärmepumpe nahezu wieder wett, sodass in diesem Fall die Verwendung einer modernen Erdgasheizung aus Klimagesichtspunkten kaum schlechter abschneidet (4).

Weiterhin hat die Wahl des verwendeten Kältemittels einen großen Einfluss auf die Umweltverträglichkeit. So kommen z. B. bei Kompressionswärmepumpen und -kältemaschinen heutzutage größtenteils Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) oder teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) als Kältemittel zum Einsatz. Diese haben zwar im Vergleich zum früher oft verwendeten FCKW keinen negativen Einfluss auf die Ozonschicht, allerdings tragen sie bei Freisetzung, z. B. durch Leckage, verstärkt zum Treibhauseffekt bei. Natürliche Kältemittel wie Propan oder CO2 sind an dieser Stelle die bessere Wahl, wobei die Nutzung von Propan aufgrund seiner hohen Entzündlichkeit spezielle Sicherheitsvorkehrungen erfordert. Auch Ammoniak ist ein natürliches Kältemittel, hat jedoch den Nachteil, dass es giftig ist.

Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass Wärmepumpen und Kältemaschinen zwar ein enormes ökologisches Potenzial besitzen, dieses jedoch erst bei Verwendung erneuerbarer Energien sowie unkritischer Kältemittel voll ausschöpfen können.

Ausblick

Vor allem Kompressionskältemaschinen sind seit Jahrzehnten weit verbreitet, sie werden z. B. häufig in Haushaltskühlschränken, Gefrierräumen und Klimaanlagen verwendet. Wärmepumpen auf der anderen Seite erlebten ihre erste Hochphase zu Zeiten der Ölkrise, allerdings brach der Markt mit sinkenden Ölpreisen wieder ein (4). Seit einigen Jahren steigt der Wärmepumpenzubau jedoch wieder merklich, zuletzt im Jahr 2020 mit einer Steigerungsrate in Höhe von 40 % im Vergleich zum Vorjahr (11).

Mittlerweile wird die Wärmepumpe oft als Schlüsseltechnologie der Wärmewende bezeichnet, da sie eine Verknüpfung der Wärmeerzeugung mit einer auf erneuerbaren Energien beruhenden Stromerzeugung ermöglicht. Potenziell lässt sich durch die Umwandlung von Stromüberschüssen aus Solar- und Windenergie zu großen Teilen sowohl die Abregelung von Photovoltaik- und Windenergieanlagen als auch die vergleichsweise teure Energiespeicherung in Stromspeichern vermeiden. Die so erzeugte Wärme kann im Anschluss entweder direkt genutzt oder vergleichsweise preisgünstig in thermischen Energiespeichern gespeichert werden. Zudem hat die Nutzung von Strom im Wärmemarkt den generellen Vorteil, dass sie eine der wenigen Möglichkeiten darstellt, Wärme ohne Umweltbelastungen am Entstehungsort zu erzeugen. Zwar ist dies auch unter Verwendung von Heizstäben (Wirkungsgrad: nahezu 100 %) möglich, allerdings ist die Wärmepumpe aufgrund der zusätzlichen Nutzung frei zur Verfügung stehender Umgebungswärme tendenziell um ein Vielfaches energieeffizienter.

Laut einer Studie der Denkfabrik Agora Energiewende aus dem Jahr 2017 könnten bis 2030 rund zwei Millionen Wärmepumpen in Deutschland installiert sein (12). Um den Ölausstieg im Wärmesektor zu schaffen und die zum Zeitpunkt der Studienerstellung noch gültigen Klimaziele der Bundesregierung erreichen zu können, wären gemäß dem in der Studie entwickelten Szenario jedoch fünf bis sechs Millionen Wärmepumpen im Jahr 2030 erforderlich (12). Ein Bedarf, der durch die mittlerweile verschärften deutschen Klimaschutzziele – nun 65 % statt 55 % Treibhausgaseinsparung bis 2030 gegenüber 1990 – kaum kleiner geworden sein dürfte (13).

VON: TIM WEHRENBERG

 

 

QUELLEN:

(1) Umweltbundesamt (2021): Erneuerbare Energien in Zahlen. Verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen#uberblick (abgerufen am: 12.07.2021)
(2) Umweltbundesamt (2021): Energieverbrauch für fossile und erneuerbare Wärme. Verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-fuer-fossile-erneuerbare-waerme#warmeverbrauch-und-erzeugung-nach-sektoren (abgerufen am: 12.07.2021)
(3) Internationale Energieagentur (2018). The Future of Cooling. Opportunities for energy-efficient air conditioning. Paris.
(4) Quaschning, V. (2013). Regenerative Energiesysteme. Technologie, Berechnung, Simulation. München.
(5) Umweltbundesamt (2020). Umgebungswärme und Wärmepumpen. Verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/umgebungswaerme-waermepumpen#umgebungsw%C3%A4rme (abgerufen am: 13.07.2021)
(6) Verbraucherzentrale NRW e.V. (2021). Heizen mit Wärmepumpe ist klimafreundlich – wenn die Bedingungen stimmen. Verfügbar unter: https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/energie/heizen-und-warmwasser/heizen-mit-waermepumpe-ist-klimafreundlich-wenn-die-bedingungen-stimmen-5439 (abgerufen am: 12.07.2021)
(7) Paschotta, R. (2020). Leistungszahl. Verfügbar unter: https://www.energie-lexikon.info/leistungszahl.html (abgerufen am: 12.07.2021)
(8) Paschotta, R. (2021). Wärmeverhältnis. Verfügbar unter: https://www.energie-lexikon.info/waermeverhaeltnis.html (abgerufen am: 12.07.2021)
(9) Carstens, P. (2018). Teufelskreis. Wie Klimaanlagen das Klima aufheizen. Verfügbar unter: https://www.geo.de/natur/nachhaltigkeit/19353-rtkl-teufelskreis-wie-klimaanlagen-das-klima-aufheizen (abgerufen am: 12.07.2021)
(10) Yin, Z. u. Zheng, R. (2016). Solar thermal heating and cooling in China. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/solar-cooling (abgerufen am: 13.07.2021)
(11) Bundesverband Wärmepumpe e.V. (2021). Positives Signal für den Klimaschutz: 40 Prozent Wachstum bei Wärmepumpen. Verfügbar unter: https://www.waermepumpe.de/presse/pressemitteilungen/details/positives-signal-fuer-den-klimaschutz-40-prozent-wachstum-bei-waermepumpen/#content (abgerufen am: 12.07.2021)
(12) Agora Energiewende (2017). Wärmewende 2030. Schlüsseltechnologien zur Erreichung der mittel- und langfristigen Klimaschutzziele im Gebäudesektor. Berlin.
(13) Die Bundesregierung (2021). Was tut die Bundesregierung für den Klimaschutz? Verfügbar unter: https://www.bundesregierung.de/breg-de/themen/klimaschutz/bundesregierung-klimapolitik-1637146 (abgerufen am: 12.07.2021)

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