Blog

Nov 29, 2023

Die riesigen Wärmepumpen erwärmen Städte

Es ist ein weiterer Kälteeinbruch und die Felder von Cornwall im Südwesten Englands sind es

Es ist ein weiterer Kälteeinbruch und die Felder von Cornwall im Südwesten Englands sind mit Schnee bedeckt. Doch am Ende einer windigen Gasse ist es in Ceri Simmons‘ Haus kuschelig warm. Ihr Wohnzimmer ist ein Dschungel aus hängenden Pflanzen und durch die Küche werfen Einblicke in ein holzgetäfeltes Studio, das Simmons‘ Job als Aerial-Yoga-Lehrerin offenbart. „Es ist nicht nur schön für mich, ein warmes Zuhause zu haben, es ist auch wichtig für meine Kunden“, sagt sie.

Das abgelegene Dorf Stithians nahe der südwestlichsten Spitze des britischen Festlandes, in dem die Familie Simmons lebt, ist zu einem unwahrscheinlichen Vorreiter im Wettlauf um die Dekarbonisierung der Heizung geworden. Es erprobt einen neuen Ansatz für kohlenstoffarmes Heizen, der der Schlüssel für die weltweit erforderliche rasche Ausweitung sein könnte.

Das Projekt geht über die Hindernisse hinaus, mit denen einzelne Hausbesitzer konfrontiert sind, und entwirft ein Wärmepumpensystem, das in großem Maßstab über Straßen, Städte und Großstädte hinweg bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise könnte es ein Modell für städtische Räume auf der ganzen Welt sein, die darüber nachdenken, wie sie ihre Wärmesysteme schnell und effektiv dekarbonisieren können.

Das könnte Ihnen auch gefallen:

Im Vereinigten Königreich heizen heute 74 % der Menschen ihre Häuser mit Gaskesseln, der Rest besteht hauptsächlich aus Elektroheizungen und Öl. Dies führt dazu, dass der Heizungssektor für ein Drittel der Treibhausgasemissionen Großbritanniens verantwortlich ist – vergleichbar mit den Emissionen aller Benzin- und Dieselautos. Ähnliche Werte sind in den USA zu beobachten, wo etwa die Hälfte der Wärme aus Gas stammt.

Um die globale Erwärmung zu begrenzen, muss sich dies drastisch ändern, und das bedeutet vielerorts die Installation von viel mehr Wärmepumpen. Nach Angaben des Klimaberatungsgremiums der britischen Regierung soll bis 2030 etwa ein Viertel der britischen Gebäude damit beheizt werden, bis 2050 soll der Anteil auf 52 % ansteigen. Die Elektrifizierung der Heizung wird auch der Schlüssel zur Dekarbonisierung von Gebäuden in den USA sein, sagt Melissa Lott, Direktorin von Forschung am Center on Global Energy Policy der Columbia University. Eine Studie in San Francisco bezeichnete Wärmepumpen als den „einflussreichsten Hebel“ zur Reduzierung von Emissionen.

Anstatt einen Brennstoff zu verbrennen, konzentrieren Wärmepumpen die bereits in Luft, Boden oder Wasser vorhandene Wärmeenergie und pumpen sie durch die Rohre und Heizkörper eines Gebäudes.

Sie tun dies mit unglaublicher Effizienz und wandeln 1 Kilowatt (kW) Strom in 3–5 kW Wärme um, im Gegensatz zu 1 kW bei einer direkten elektrischen Heizung und 0,9 kW bei einem Gaskessel. Damit liefern sie praktisch „kostenlose Wärme“, sagt Lott. Wie bei allen Heizsystemen hänge die Effizienz jedoch davon ab, wie gut das Gebäude isoliert sei, um den Wärmeverlust zu minimieren, betont sie.

Wenn die Stromquelle erneuerbar ist, emittieren Wärmepumpen selbst keinen Kohlenstoff. Im Vereinigten Königreich stammt fast die Hälfte des in das nationale Stromnetz eingespeisten Stroms aus erneuerbaren Quellen, verglichen mit 20 % in den USA. Beide Länder streben eine deutliche Steigerung dieser Prozentsätze an.

Die Wärmepumpe von Ceri Simmons, hier vor ihrem Haus zu sehen, versorgt sie jetzt mit Wärme und Warmwasser aus einem Rohrnetz unter der Straße (Quelle: Evie Townend)

Das Heat the Streets-Projekt in Stithians bietet eine völlig neue Vorlage für die Funktionsweise von Erdwärmepumpen.

Erdwärmepumpen sind effizienter als ihre Luftwärmepumpen. Dies liegt daran, dass der Boden eine konstante Temperatur hat. Die meisten Erdwärmepumpen verfügen über eine vertikale Verrohrung, die das Bohren eines tiefen, kostspieligen Bohrlochs von 60 bis 200 m (200 bis 650 Fuß) in den Boden erfordert. Alternativ können sie eine horizontale Schleife verwenden, die viel flacher im Boden verläuft, aber eine große Oberfläche erfordert, die die meisten Menschen, insbesondere in Städten, nicht haben.

Darüber hinaus liegt die Installation von Wärmepumpen in der Regel in der Verantwortung des einzelnen Hausbesitzers. Trotz Anreizen wie dem britischen Boiler Upgrade Scheme und US-Bundessteuergutschriften im Rahmen von Bidens Inflation Reduction Act bestehen nach wie vor erhebliche Hindernisse für eine umfassende Einführung. Es mangelt oft an Verständnis und Bewusstsein für die Technologie, was zusammen mit hohen Vorlaufkosten und wenigen geschulten Installateuren Hausbesitzer von der Umstellung abhalten kann. Auch die Architektur kann eine Hürde darstellen: Häuser brauchen einfach genug Außenfläche, um die Wärmepumpen aufzustellen, was in Wohnungen und dicht besiedelten Stadtgebieten offensichtlich fehlt.

Anstatt jedoch, dass jedes Haus ein einzelnes Bohrloch für eine einzelne Wärmepumpe bohrt, verwendet Heat the Streets über 200 Bohrlöcher, die 100 m (330 Fuß) unter der Straße gebohrt werden und mit einem riesigen kommunalen Netzwerk aus horizontalen, unterirdischen Rohren direkt unter dem Straßenniveau verbunden sind, das als a bezeichnet wird Wärmeleitung.

Glycerin – eine geruchlose, ungiftige, viskose Flüssigkeit – wird vertikal durch die Bohrlöcher geleitet, um Wärme aufzunehmen und sie dann in diesen horizontalen Rohren zu zirkulieren, die wiederum Wärmepumpen in einzelnen Grundstücken entlang der gesamten Straße und schließlich der gesamten Nachbarschaft versorgen .

Die Wärmepumpen – nicht größer als ein typischer Gaskessel – werden je nach Größe, Eignung und Eigentümerwunsch der Immobilie entweder innerhalb oder außerhalb einzelner Häuser installiert.

Nur wenige Meter unter der Oberfläche von Cornwall hat der Boden eine konstante Temperatur von etwa 11 °C (52 °F), da er seit Jahrtausenden Sonnenlicht absorbiert, sagt Max Bridger, Projektbetriebsleiter von Heat the Streets, und es ist diese Wärme, die von der Wärmeleitung genutzt wird .

Wärmepumpen laufen effizienter, wenn Gebäude isoliert sind, um Wärmeverluste zu minimieren (Quelle: sturti/Getty Images)

Die Wärmepumpen führen dann eine weitere Reihe von Austausch-, Kompressions- und Verdampfungsvorgängen durch, die die Temperatur auf etwa 50 °C (122 °F) bringen. Schließlich wird diese Wärme auf Wasser übertragen, das durch die speziell modernisierten Rohre und Heizkörper eines Hauses gepumpt wird.

Kensa Utilities, das für die Installation des Netzwerks in Stithians zuständige Unternehmen, bleibt Eigentümer der Infrastruktur. Für die Bewohner funktioniert der Anschluss an das Fernwärmenetz genauso wie bei anderen Versorgungseinrichtungen wie Breitband oder Wasser. Die Bewohner besitzen ihre eigenen Wärmepumpen und zahlen eine Anschlussgebühr, um jederzeit beitreten zu können.

„Wenn ein [Gas-]Heizkessel kaputt geht, gibt es jetzt eine Alternative zum einfachen Austausch. Dieses System bedeutet aber auch, dass die Menschen nicht die hohen Infrastrukturkosten im Voraus finanzieren oder alles auf einmal anschließen müssen“, sagt Bridger.

Die Erdwärmepumpen liefern den gesamten Wärme- und Warmwasserbedarf des Hauses und reduzieren die von ihnen freigesetzten Treibhausgasemissionen um 70 %. Die Bewohner behalten die volle Kontrolle über ihre Heizung und können den Energielieferanten jederzeit wechseln.

Das Haus von Simmons war mit einer Wärmepumpe ausgestattet, die sich eine Wärmeleitung mit mehreren Nachbarn teilt. Die Innen- und Außenarbeiten dauerten etwa eine Woche und „war nicht allzu störend oder laut“, sagt sie. Der in einem alten Wäscheschrank versteckte Wasserzylinder hat fast genau die gleiche Größe wie ein durchschnittlicher Boiler.

Letztendlich plant sie, ihre Solarpaneele, die derzeit zum Verkauf des Stroms an das National Grid aufgestellt sind, zum direkten Antrieb der Wärmepumpe zu nutzen – was ihr Zuhause ihrer Meinung nach fast völlig autark machen würde.

Arbeiter bedienen ein Bohrgerät für ein Bohrloch in Enfield, London, wo sie Erdwärmepumpen in Hochhauswohnungen installieren (Quelle: Kensa Utilities)

Dieses Konzept einer unter einer Gemeinschaftsstraße vergrabenen Wärmeleitung ist keineswegs auf einstöckige Gebäude wie das von Simmons beschränkt. Bei einem weiteren Kensa-Projekt in Enfield, London, werden Erdwärmepumpen in Hochhauswohnungen installiert.

Unter jedem der acht Hochhäuser mit insgesamt 400 Wohnungen wurden Wärmeleitungen angelegt, deren Parkplätze zum Bohren der erforderlichen Bohrlöcher genutzt werden.

Ein vertikaler Schacht, der für den Transport anderer Versorgungsleitungen durch das Gebäude verwendet wird und als Service-Riser bekannt ist, ermöglicht es der in Stithians verwendeten Technologie, auch für mehrstöckige Gebäude zu funktionieren, sagt Bridger. Bei kleineren Räumen könne die Nachrüstung jeder Wohnung mit einer „Schuhkarton“-Wärmepumpe ausreichend Wärme liefern und gleichzeitig den Platzbedarf im Inneren minimieren, fügt er hinzu.

Die Zukunft von Wärmepumpen in Hochhäusern erhält weltweit wachsende Aufmerksamkeit. In New York City stehen Luftwärmepumpen im Mittelpunkt der Bemühungen zur Dekarbonisierung der 6.000 Hochhäuser der Stadt.

Derzeit verfügen die meisten davon über einen einzigen großen Gaskessel, der die Heizung des gesamten Gebäudes regelt. Jede einzelne Wohnung verfügt außerdem über eine Klimaanlage, die an einem Außenfenster angebracht ist und unabhängig von der Heizungsanlage arbeitet.

Im Jahr 2021 startete die New York City Housing Association die Clean Heat for All Challenge, einen Wettbewerb zur Förderung von Brancheninnovationen im Einklang mit einem bevorstehenden lokalen Gesetz, das die Treibhausgasemissionen von Gebäuden ab 2024 begrenzen wird. Der Entwurf, der als Gewinner hervorging, ist Eine Luftwärmepumpe, die „wie Pferdesatteltaschen“ am Fuß der Wohnungsfenster hängt, ohne das Licht zu blockieren oder Platz in den Wohnungen zu beanspruchen, sagt Lott.

„Das Schöne an Wärmepumpen ist, dass sie Räume sowohl heizen als auch kühlen können, indem sie denselben Prozess in umgekehrter Reihenfolge nutzen“, fügt Lott hinzu. „Es ist eine modulare Einheit, die zwei Funktionen erfüllt.“

Das Design würde den Wohnungen auch die Kontrolle über ihre eigene Heizung und Kühlung ermöglichen. „Es ist effizienter, weil Sie die Möglichkeit haben, Ihre Wohnung an Ihren eigenen Komfort anzupassen, sodass im Winter keine Fenster mehr aus überhitzten Wohnungen geöffnet werden“, sagt Lott.

Die neuen Wärmepumpen werden dieses Jahr versuchsweise in Woodside Houses eingeführt, einem Komplex aus 20 Backsteingebäuden in Queens, wo die Bewohner im vergangenen Winter nach dem Hurrikan Ida ohne Heizung und Warmwasser auskamen.

Obwohl nicht damit zu rechnen ist, dass die lokale Netzinfrastruktur sofort modernisiert werden muss, ist ein erhöhter Strombedarf ein wichtiger Gesichtspunkt beim verstärkten Einsatz von Wärmepumpen im Allgemeinen.

Jan Rosenow, Direktor für europäische Programme beim Regulatory Assistance Project (RAP), sagt, dass sich der Druck auf das Stromnetz in Großbritannien in den nächsten 20 bis 30 Jahren verdoppeln oder sogar verdreifachen könnte. „Es muss andere Möglichkeiten geben, Strom zu speichern als große Batterien in den Häusern der Menschen“, sagt er. Es gebe eine Reihe vielversprechender Technologien, etwa Flow-Batterien und grüner Wasserstoff, fügt er hinzu.(Lesen Sie mehr darüber, ob Schwerkraftbatterien unsere Energiespeicherprobleme lösen können).

Das Stockholmer Fernwärmenetz versorgt 800.000 Haushalte mithilfe von industriellen Wärmepumpen und anderen Wärmequellen mit Strom (Quelle: Christine Olsson/Getty Images)

In gewisser Weise erschließt Heat the Streets eine weitere wichtige Lösung für die Beheizung von Häusern in einer kohlenstoffarmen Welt: Fernwärme.

Im Wesentlichen sind Fernwärmenetze „nur leere Gefäße, die Grundstücke miteinander verbinden“, sagt David Barns, Experte für Wärmedekarbonisierung an der University of Leeds. „Wie man Wärmeenergie in dieses Wärmenetz einspeist, ist eine verwandte, aber separate Frage.“

Während der Ölkrise in den 1970er-Jahren boomte die Fernwärme in den nordischen Ländern, doch die Systeme wurden größtenteils durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in großen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen betrieben. Dennoch kann dieser Entwurf eines einzigen zentralen Systems es viel einfacher machen, eine beträchtliche Anzahl von Haushalten auf kohlenstoffarme Heizung umzustellen – ohne dass Tausende von Heizkesseln „herausgerissen“ werden müssen, sagt Barns.

Die Emissionen, die durch Reisen verursacht wurden, um über diese Geschichte zu berichten, beliefen sich auf 3 kg CO2. Die digitalen Emissionen dieser Geschichte betragen schätzungsweise 1,2 bis 3,6 g CO2 pro Seitenaufruf. Erfahren Sie hier mehr darüber, wie wir diese Zahl berechnet haben.

Das Fernwärmenetz von Stockholm verfügt beispielsweise über 3.000 km (1.860 Meilen) Rohre und versorgt mittlerweile 800.000 Haushalte mit Strom. Dabei kommen Wärmepumpen im industriellen Maßstab zum Einsatz, die Wärme aus häuslichem Abwasser, Rechenzentren und Meerwasser sowie verbrannten, nicht wiederverwertbaren Abfällen und Biokraftstoffen aus der Forstwirtschaft gewinnen .

Das „Heat the Streets“-Modell in Stithians nutzt „Fernwärme der fünften Generation“ – ein lokales Netzwerk kombiniert mit Wärmepumpentechnologie. Der Vorteil eines solchen Street-by-Street-Projekts besteht darin, dass man sich auf die Energieressourcen in der Nähe konzentrieren kann, um die beste Übereinstimmung zu erzielen, sagt Caroline Haglund Stignor, Forscherin für Energietechnologien am Rise Research Institutes of Sweden. „Man fängt klein an und baut dann nach und nach auf“, sagt sie.

Dies kann innovativere Methoden der Wärmegewinnung ermöglichen, beispielsweise ein Netzwerk in Islington, das die Wärme der heißen Strömungen der Londoner U-Bahn-Tunnel nutzt, oder Hochwasser in alten Minen.

Im Vereinigten Königreich mangelt es jedoch an Bewusstsein und Regulierung für Fernwärme, was deren Ausbau verzögert, sagt Barns.

Die britische Regierung hat sich verpflichtet, bis spätestens 2025 Wärmenetzzonen auszuweisen, in denen Wärmenetze an den besten Orten errichtet werden, und den Menschen vorzuschreiben, dass sie sich an diese anschließen. Dies werde dazu beitragen, das Geschäftsmodell für den Bau von Wärmenetzen finanziell tragfähiger zu machen, erklärt Barns, da private Investoren mehr Sicherheit hätten, dass die Menschen sie nutzen würden.

Solche groß angelegten Arbeiten können mit anderen Erdarbeiten, beispielsweise Kabeln für Ladestationen für Elektrofahrzeuge, koordiniert werden, um Störungen zu reduzieren, sagt Rosenow. Diese Einführungen auf lokaler Ebene erfordern jedoch „radikale Änderungen“ in der Planung, die sich noch nicht in Richtlinien oder Rahmenwerken widerspiegeln, fügt er hinzu.

Es kommt weitaus häufiger vor, dass Luftwärmepumpen an einzelnen Häusern angebracht werden als an Wohnblöcken (Quelle: Mark Morgan/Alamy)

Dennoch ist Fernwärme nicht unbedingt überall die richtige Lösung. Aufgrund des erheblichen Wärmeverlusts, der durch den Transport von Wasser bei hohen Temperaturen über große Entfernungen entsteht, eignet es sich am besten für dicht besiedelte Gebiete.

In einigen US-Städten wie Milwaukee und Baltimore gibt es bereits Fernwärme, aber das Land hat bis auf wenige Ausnahmen nicht die gleiche Bevölkerungsdichte wie Großbritannien und der größte Teil Westeuropas, sagt Lott. „In den meisten Teilen der USA geht es um die Beheizung einzelner Gebäude, daher machen Fernwärmenetze keinen Sinn. [Einzelne] Wärmepumpen, sowohl Luft- als auch Erdwärmepumpen, sind für uns eine viel bessere Option.“

Der Weg zu einer dekarbonisierten Heizung ist nicht einfach, aber Wärmepumpen sind eine Technologie, die mehr oder weniger bereit ist, solange die Kostenhürden überwunden werden können. Doch auch wenn Energiesicherheit, Treibstoffpreise und klimabedingte Wetterextreme in Frage gestellt sind, fühlt sich das Yoga-Studio im Haus der Familie Simmons wie ein einladender Ort an, um die Ungewissheit zu überstehen.

Dieser Artikel wurde am 02.02.23 aktualisiert, um ein Zitat über Langzeitspeicherlösungen von Jan Rosenow zu verdeutlichen.

--

Schließen Sie sich einer Million Future-Fans an, indem Sie uns likenFacebook, oder folgen Sie uns weiterTwitteroderInstagram.

Wenn Ihnen diese Geschichte gefallen hat,Melden Sie sich für den wöchentlichen Feature-Newsletter von bbc.com an, genannt „The Essential List“ – eine handverlesene Auswahl von Geschichten der BBCZukunft,Kultur,Arbeitsleben,ReisenUndSpulejeden Freitag in Ihren Posteingang geliefert.