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Aug 01, 2023

Elektrische Wärmepumpen für Privathaushalte könnten eine saubere, umweltfreundliche Technologie der Zukunft sein

CREDIT: DANA SMITH Wärmepumpen bieten eine umweltfreundliche und effektive Möglichkeit, Häuser zu heizen

BILDNACHWEIS: DANA SMITH

Wärmepumpen bieten eine umweltfreundliche und effektive Möglichkeit, Häuser mit Strom und nicht mit fossilen Brennstoffen zu heizen. Neue Designs machen sie effizienter und für mehr Bedingungen geeignet.

Innovatives Denken hat die Probleme beseitigt, die Elektrogeräte lange Zeit beschäftigten – und sowohl Wissenschaftler als auch Umweltschützer sind von den Möglichkeiten begeistert

Von Chris Baraniuk 11.01.2023

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Es war ein technisches Problem, das Zhibin Yu jahrelang beschäftigt hatte – aber jetzt hatte er die perfekte Chance, es zu beheben. Während des ersten britischen Lockdowns wegen der Covid-19-Pandemie saß der Wärmetechniker zu Hause fest und hatte plötzlich alle Zeit, die er brauchte, um die Effizienz von Wärmepumpen zu verbessern: Elektrogeräte, die, wie der Name schon sagt, Wärme von außen in die Häuser der Menschen transportieren .

Die Pumpen sind wesentlich effizienter als Gasheizgeräte, allerdings neigen Standardmodelle, die Wärme aus der Luft aufnehmen, zur Vereisung, was ihre Wirksamkeit stark beeinträchtigt.

Yu, der an der Universität Glasgow in Großbritannien arbeitet, hat wochenlang über das Problem nachgedacht. Er las einen Aufsatz nach dem anderen. Und dann hatte er eine Idee. Die meisten Wärmepumpen verschwenden einen Teil der von ihnen erzeugten Wärme – und wenn er diese Abwärme auffangen und umleiten könnte, erkannte er, könnte das das Abtauproblem lösen und die Gesamtleistung der Pumpen steigern. „Plötzlich habe ich eine Lösung gefunden, die Wärme zurückzugewinnen“, erinnert er sich. „Das war wirklich ein toller Moment.“

Yus Idee ist eine von mehreren jüngsten Innovationen, die darauf abzielen, die 200 Jahre alte Wärmepumpentechnologie noch effizienter zu machen, als sie bereits ist, und möglicherweise die Tür für eine viel stärkere Verbreitung von Wärmepumpen weltweit zu öffnen. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) werden bislang weltweit nur etwa 10 Prozent des Raumwärmebedarfs durch Wärmepumpen gedeckt. Doch aufgrund der aktuellen Energiekrise und des wachsenden Drucks, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren, um den Klimawandel zu bekämpfen, sind diese Geräte wohl wichtiger denn je.

Seit seinem Brainstorming zum Lockdown im Jahr 2020 haben Yu und seine Kollegen einen funktionierenden Prototyp einer Wärmepumpe gebaut, die übrig gebliebene Wärme in einem kleinen Wassertank speichert. In einem im Sommer 2022 veröffentlichten Artikel beschreiben sie, wie ihre Konstruktion dazu beiträgt, dass die Wärmepumpe weniger Energie verbraucht. Durch die separate Umleitung eines Teils dieser Restwärme zu einem Teil der Wärmepumpe, der der kalten Luft ausgesetzt ist, kann sich das Gerät bei Bedarf selbst abtauen, ohne dass die Wärmeversorgung des Hauses unterbrochen werden muss.

Die Idee basiert auf dem Prinzip, nach dem Wärmepumpen funktionieren: Wer Wärme nutzen kann, kann sie auch nutzen. Das Besondere an Wärmepumpen ist die Tatsache, dass sie nicht nur Wärme erzeugen, sondern auch Wärme aus der Umgebung auffangen und in Ihr Haus transportieren – und diese Wärme schließlich beispielsweise an Heizkörper oder Umluftheizsysteme übertragen. Dies ist dank des Kältemittels möglich, das im Inneren einer Wärmepumpe umströmt. Wenn das Kältemittel auf Wärme trifft – und sei es an einem kalten Tag auch nur auf eine kleine Menge in der Luft –, nimmt es diese kleine Wärmemenge auf.

Ein Kompressor bringt das Kältemittel dann auf einen höheren Druck, wodurch seine Temperatur so weit ansteigt, dass es Ihr Haus heizen kann. Dies funktioniert, weil ein Druckanstieg die Kältemittelmoleküle enger zusammendrückt und so ihre Bewegung verstärkt. Später dehnt sich das Kältemittel erneut aus, kühlt dabei ab und der Kreislauf wiederholt sich. Der gesamte Kreislauf kann auch umgekehrt ablaufen, sodass Wärmepumpen bei heißen Sommertemperaturen für Kühlung sorgen können.

Luftwärmepumpen, die am weitesten verbreitete Bauart, gewinnen Wärme aus der Außenluft.

Der Zauber einer Wärmepumpe besteht darin, dass sie für jede verbrauchte Kilowattstunde Strom mehrere Kilowattstunden Wärme transportieren kann. Die Effizienz von Wärmepumpen wird im Allgemeinen anhand ihres Leistungskoeffizienten (COP) gemessen. Ein COP von 3 bedeutet beispielsweise, dass 1 kWh Saft 3 kWh Wärme ergibt – das entspricht effektiv einer Effizienz von 300 Prozent. Der COP, den Sie von Ihrem Gerät erhalten, kann je nach Wetter und anderen Faktoren variieren.

Es ist ein starkes Konzept, aber auch ein altes. Der britische Mathematiker, Physiker und Ingenieur Lord Kelvin schlug bereits 1852 den Einsatz von Wärmepumpensystemen zur Raumheizung vor. Die erste Wärmepumpe wurde einige Jahre später entworfen und gebaut und industriell zum Erhitzen von Sole eingesetzt, um der Flüssigkeit Salz zu entziehen. In den 1950er Jahren diskutierten Mitglieder des britischen Parlaments über Wärmepumpen, als die Kohlevorräte zur Neige gingen. Und in den Jahren nach der Ölkrise 1973–74 wurden Wärmepumpen als Alternative zu fossilen Brennstoffen zum Heizen angepriesen. „Hoffnung ruht auf der zukünftigen Wärmepumpe“, schrieb ein Kommentator im Annual Review of Energy von 1977.

Jetzt steht die Welt vor einer weiteren Abrechnung über die Energieversorgung. Als Russland, einer der größten Erdgaslieferanten der Welt, im Februar 2022 in der Ukraine einmarschierte, stiegen die Gaspreise sprunghaft an – was wiederum Wärmepumpen ins Rampenlicht rückte, da sie mit wenigen Ausnahmen mit Strom und nicht mit Gas betrieben werden. Im selben Monat verfasste der Umweltschützer Bill McKibben einen weit verbreiteten Blogbeitrag mit dem Titel „Wärmepumpen für Frieden und Freiheit“, in dem er unter Bezugnahme auf den russischen Präsidenten argumentierte, dass die USA „Putin friedlich in die Nieren schlagen“ könnten, indem sie Wärmepumpen einführen in großem Umfang und verringert gleichzeitig die Abhängigkeit der Amerikaner von fossilen Brennstoffen. Wärmepumpen können ihren Strom beispielsweise aus heimischen Solarpaneelen oder einem Stromnetz beziehen, das überwiegend aus erneuerbaren Energien gespeist wird.

Der Betrieb der Geräte mit Ökostrom kann auch zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen, bemerkt Karen Palmer, Wirtschaftswissenschaftlerin und Senior Fellow bei Resources for the Future, einer unabhängigen Forschungsorganisation in Washington, D.C., die eine Analyse von Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz in Washington mitverfasst hat der Jahresrückblick 2018 der Ressourcenökonomie. „Es muss zu einer stärkeren Nutzung von Elektrizität für den Energiebedarf in Gebäuden kommen, sofern es nicht zu einem technologischen Durchbruch in etwas anderem kommt“, sagt sie.

Dieses Video veranschaulicht das Prinzip von Wärmepumpen.

CREDIT: DIESES ALTE HAUS

Die IEA schätzt, dass Wärmepumpen weltweit das Potenzial haben, die Kohlendioxidemissionen im Jahr 2030 um mindestens 500 Millionen Tonnen zu reduzieren, was den jährlichen CO2-Emissionen aller Autos in Europa heute entspricht.

Trotz ihrer langen Geschichte und potenziellen Vorzüge hatten Wärmepumpen in einigen Ländern Schwierigkeiten, sich durchzusetzen. Ein Grund sind die Kosten: Die Geräte sind wesentlich teurer als Gasheizgeräte und da Erdgas seit Jahrzehnten relativ günstig ist, besteht für Hausbesitzer kaum ein Anreiz, umzusteigen.

Außerdem besteht seit langem die Auffassung, dass Wärmepumpen in kalten Klimazonen nicht so gut funktionieren, insbesondere in schlecht isolierten Häusern, die viel Wärme benötigen. Im Vereinigten Königreich zum Beispiel, wo es in den Häusern eher zugig ist, halten einige Hausbesitzer Gaskessel seit langem für eine sicherere Wahl, da sie die Heizkörper mit heißerem Wasser (etwa 140 bis 160 Grad Fahrenheit) versorgen können, was das Aufheizen erleichtert ein Zimmer. Im Gegensatz dazu sind Wärmepumpen in der Regel am effizientesten, wenn sie Wasser auf etwa 100 Grad Fahrenheit erhitzen.

Das Problem des kalten Klimas stellt jedoch wohl weniger ein Problem dar, als manche denken, wenn man bedenkt, dass es mehrere moderne Luftquellengeräte auf dem Markt gibt, die auch bei Außentemperaturen von bis zu minus 10 Grad Fahrenheit gut funktionieren. Norwegen beispielsweise gilt als einer der weltweit führenden Anbieter von Wärmepumpen. Palmer hat in ihrem Haus in den USA eine Wärmepumpe und einen Ofen als Reserve. „Wenn es wirklich kalt wird, können wir uns auf den Ofen verlassen“, sagt sie.

Innovationen im Wärmepumpendesign führen zu noch effizienteren Einheiten, die sich besser für Häuser mit geringer Isolierung eignen und möglicherweise auch kostengünstiger sind. Yu sagt beispielsweise, dass das neuartige Luftwärmepumpendesign von ihm und seinen Kollegen den COP um 3 bis 10 Prozent verbessern könnte und dabei weniger kostet als bestehende Wärmepumpendesigns mit vergleichbarer Funktionalität. Sie wollen die Technologie nun kommerzialisieren.

Yus Arbeit sei innovativ, sagt Rick Greenough, ein Energiesystemingenieur, der jetzt an der De Montfort University im Vereinigten Königreich im Ruhestand ist. „Ich muss zugeben, dass das eine Methode ist, an die ich eigentlich noch gar nicht gedacht hatte“, sagt er.

Dieses neuere Wärmepumpendesign des Wärmeingenieurs Zhibin Yu von der Universität Glasgow speichert Restwärme, die sonst verschwendet würde, und nutzt sie, um das Haus zu heizen oder einen Teil der Pumpe selbst abzutauen. Dadurch wird das System effizienter.

Und es gibt noch viele weitere Ideen. Greenough hat beispielsweise damit experimentiert, in wärmeren Monaten Wärme im Boden zu speichern, wo sie bei kühlerem Wetter von einer Wärmepumpe genutzt werden kann. Sein Entwurf nutzt eine zirkulierende Flüssigkeit, um überschüssige Wärme von Solar-Warmwasserpaneelen in flache Bohrlöcher im Boden zu übertragen. Dadurch erhöhe sich die Temperatur des Bodens um etwa 22 Grad Fahrenheit auf maximal etwa 66 Grad Fahrenheit, sagt er. Im Winter kann eine Wärmepumpe dann einen Teil dieser gespeicherten Wärme entziehen, um effizienter zu arbeiten, wenn die Luft kälter wird. Diese Technologie sei bereits auf dem Markt und werde von einigen Installateuren im Vereinigten Königreich angeboten, bemerkt Greenough.

Da die meisten aktuellen Wärmepumpen jedoch immer noch nur relativ niedrige Ausgangstemperaturen erzeugen, müssen Besitzer von zugigen Häusern bei der Installation einer Wärmepumpe möglicherweise die zusätzlichen Kosten für die Isolierung in Kauf nehmen. Glücklicherweise zeichnet sich möglicherweise eine Lösung ab: Hochtemperatur-Wärmepumpen.

„Wir sagten: ‚Hey, warum bauen wir nicht eine Wärmepumpe, die tatsächlich eins zu eins einen Gaskessel ersetzen kann, ohne Ihr Haus wirklich, wirklich gründlich isolieren zu müssen?‘“, sagt Wouter Wolfswinkel, Programmmanager für Geschäftsentwicklung bei Swedish Energy Firma Vattenfall, die Wärmepumpen herstellt. Vattenfall und seine niederländische Tochtergesellschaft Feenstra haben sich zusammengetan, um eine Hochtemperatur-Wärmepumpe zu entwickeln, deren Markteinführung für 2023 geplant ist.

Wie rückwärts laufende Klimaanlagen nutzen Wärmepumpen wie die hier installierte Kältemittel, um Wärme von außen einzufangen und in den Innenbereich zu transportieren, um das Haus zu heizen.

KREDIT: PHYXTER HOME SERVICES

In ihrer Konstruktion nutzen sie CO2 als Kältemittel. Da die heißen Betriebsbedingungen des Wärmepumpensystems jedoch verhindern, dass das Gas leicht kondensiert oder auf andere Weise abkühlt, mussten sie einen Weg finden, die Temperatur des Kältemittels zu senken, damit es genügend Wärme aus dem Wärmepumpensystem aufnehmen kann Die Luft wird erneut angesaugt, wenn sie zum Anfang des Wärmepumpenkreislaufs zurückkehrt. Zu diesem Zweck fügten sie dem System einen „Puffer“ hinzu: einen Wassertank, in dem sich eine Schicht kühleres Wasser unter dem darüber liegenden heißeren Wasser befindet. Die Wärmepumpe nutzt die untere Schicht kühleren Wassers aus dem Tank, um die Temperatur des Kältemittels nach Bedarf anzupassen. Es kann aber auch das heißere Wasser oben im Tank mit Temperaturen von bis zu 185 Grad Fahrenheit zu den Heizkörpern leiten.

Laut Wolfswinkel ist das Gerät etwas weniger effizient als eine herkömmliche Wärmepumpe mit niedrigerer Temperatur und bietet je nach Bedingungen einen COP von etwa 265 Prozent gegenüber 300 Prozent. Aber das ist immer noch besser als ein Gaskessel (nicht mehr als 95 Prozent Wirkungsgrad), und solange die Strompreise nicht wesentlich höher sind als die Gaspreise, könnte der Betrieb der Hochtemperatur-Wärmepumpe immer noch günstiger sein. Darüber hinaus bedeutet die höhere Temperatur, dass Hausbesitzer nicht sofort ihre Isolierung verbessern oder Heizkörper vergrößern müssen, betont Wolfswinkel. Dies könnte den Menschen helfen, schneller auf Elektroheizungen umzusteigen.

Ein wichtiger Test war, ob niederländische Hausbesitzer sich dafür entscheiden würden. Im Rahmen eines Pilotversuchs installierten Vattenfall und Feenstra die Wärmepumpe in 20 Haushalten unterschiedlicher Größe in der Stadt Heemskerk unweit von Amsterdam. Nach einigen Jahren der Erprobung eröffneten sie Hausbesitzern im Juni 2022 die Möglichkeit, ihre alte Gastherme, die sie in ihren Häusern aufbewahrt hatten, zurückzunehmen oder die Hochtemperatur-Wärmepumpe dauerhaft zu nutzen. „Alle sind auf die Wärmepumpe umgestiegen“, sagt Wolfswinkel.

In manchen Situationen kann die Installation von Wärmepumpen in einzelnen Häusern weniger effizient sein als der Bau eines großen Systems zur Versorgung einer ganzen Nachbarschaft. Star Renewable Energy mit Sitz in Glasgow baut seit etwa einem Jahrzehnt Fernwärmesysteme, die Wärme aus einem nahegelegenen Fluss oder Meeresarm beziehen, darunter ein Fernwärmesystem, das an einen norwegischen Fjord angeschlossen ist. Ein skandinavischer Fjord kommt einem vielleicht nicht als erstes in den Sinn, wenn man das Wort „Wärme“ sagt – aber das Wasser tief im Fjord hat tatsächlich eine ziemlich konstante Temperatur von 20 Grad Celsius, die Wärmepumpen ausnutzen können.

Erdwärmepumpen und Wasserwärmepumpen unterscheiden sich von Luftwärmepumpen dadurch, dass sie Wärme aus dem Boden oder aus Gewässern auffangen.

Über eine sehr lange Leitung saugt das Fernwärmesystem dieses Wasser an und erhitzt damit das Kältemittel, in diesem Fall Ammoniak. Ein anschließender erheblicher Druckanstieg des Kältemittels auf 50 Atmosphären erhöht seine Temperatur auf 250 Grad Fahrenheit. Das heiße Kältemittel gibt seine Wärme dann an das Wasser im Fernwärmekreislauf weiter und erhöht die Temperatur dieses Wassers auf 195 Grad Fahrenheit. Das weitläufige System liefert 85 Prozent des Warmwassers, das zum Heizen von Gebäuden in der Stadt Drammen benötigt wird.

„So etwas ist sehr aufregend“, sagt Greenough.

Nicht jedes Haus ist für eine Wärmepumpe geeignet. Und auch nicht jedes Budget bietet Platz dafür. Yu selbst sagt, dass die Kosten für den Austausch des Gaskessels in seinem eigenen Haus weiterhin unerschwinglich seien. Aber es ist etwas, von dem er in Zukunft träumt. Mit ständig verbesserten Wirkungsgraden und steigenden Umsätzen in mehreren Ländern wird es für ihre Kritiker immer schwieriger, Wärmepumpen abzutun. „Irgendwann“, sagt Yu, „glaube ich, dass jeder auf Wärmepumpen umsteigen wird.“

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Chris Baraniuk ist ein freiberuflicher Wissenschaftsjournalist und Naturliebhaber, der in Belfast, Nordirland, lebt. Seine Arbeiten wurden unter anderem von der BBC, dem Guardian, New Scientist, Scientific American und dem Hakai Magazine veröffentlicht.

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Es stehen viele mögliche Maßnahmen zur Energieeffizienz zur Verfügung, darunter auch Wärmepumpen. Einige der durch solche Eingriffe erzielten finanziellen Einsparungen sind geringer als von den Energieversorgern angegeben – andere sind jedoch kosteneffektiv.

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Im Jahr 1977 führte ein besseres Verständnis der weltweiten Energieausgaben in verschiedenen Bereichen, vom Transport bis zur Hausheizung, zu neuen Überlegungen zum Energieverbrauch – und zu einem Bestreben, die Effizienz zu verbessern. Wärmepumpen wurden als zentraler Bestandteil dieser Bemühungen angesehen.

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