Energieeffiziente Wärme: Wärmepumpe in einem Quartier
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Energieeffiziente Wärme- und Kältetechnologien

Für Prozesse in der Industrie braucht es Wärme und Kälte. Innovative Wärme- oder Kältetechnologien können diese energieeffizient bereitstellen. Dazu zählen etwa Wärmepumpen und Sorptionskältemaschinen.

Wärmepumpen stellen Wärme bereit und haben das Potenzial, den Heizungsmarkt zu dekarbonisieren. Sie werden elektrisch angetrieben, sind lokal emissionsfrei und können Gas- und Ölheizungen überflüssig machen. In Neubauten sind sie bereits angekommen: 2019 sind  – trotz höherer Investitionskosten – erstmals mehr Wärmepumpen als Gasheizungen eingebaut worden. Aber auch in den rund 19 Millionen bestehenden Wohngebäuden sowie in Industrie- und Gewerbegebäuden können sie effizient arbeiten – nicht nur als Wärme-, sondern auch als Kälteerzeuger.

Eine durchschnittliche Wärmepumpe in einem Wohngebäude  spart bereits mit dem heutigen Strommix pro Jahr rund 2,6 Tonnen CO2 gegenüber einem Gasbrennwertgerät. Bisher sind in Deutschland laut dem Bundesverband Wärmepumpe rund eine Million Wärmepumpen installiert.  Diese sparen damit circa 2,6 Millionen Tonnen CO2 ein.

Weit größere Einsparungen an Klimagasen könnten erzielt werden, wenn die Wärmepumpentechnologie den Schritt von der Gebäudebeheizung zur Anwendung in industriellen Prozessen vollzieht, wo höhere Temperaturen benötigt werden.  Die nötigen technischen Entwicklungen werden im Energieforschungsprogramm unterstützt.

Die Wärmepumpe im Stromnetz

Wärmepumpenanlagen können zur aktiven Lastensteuerung innerhalb eines intelligenten Versorgungssystems genutzt werden und thermische Energie in Warmwasserspeichern puffern. Die Forschung entwickelt Werkzeuge und Konzepte für eine optimale Integration von Wärmepumpen ins Stromsystem der Zukunft.

Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank. Während dieser allerdings seinem Innenraum die Wärme entzieht und nach draußen abgibt, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung des Hauses Wärme und gibt sie im Inneren des Hauses auf einem höheren Temperaturniveau als Heizenergie oder für Warmwasser ab. Sie kann die Wärmeenergie aus der Luft, dem Grundwasser oder aus der Erde entnehmen. Der Wärmetransport erfolgt über ein Kältemittel, welches im Kreis geführt und dabei abwechselnd verdampft und wieder kondensiert wird. Je mehr Umweltenergie transportiert wird und je weniger Elektroenergie eine Wärmepumpe benötigt, desto effizienter arbeitet das System.

Sorptionskältemaschinen kühlen mit Abwärme

In vielen Industriebereichen ist der Wärme- und Kältebedarf oft gleichzeitig gegeben. Eine Wärmepumpe kann beide Funktionen erfüllen. Neben den elektrisch getriebenen Prozessen sind thermisch getriebene Wärmepumpen- und Kältemaschinenprozesse, die auf dem Grundprinzip der Absorption oder Adsorption basieren, Gegenstand von Forschung und Entwicklung.

Sorptionskältemaschinen stellen mit Abwärme aus industriellen und gewerblichen Prozessen als Antriebsenergie beispielsweise Kälte für die industrielle Produktion, für IT-Anwendungen, für Lebensmittel oder für Lagerhallen und Räume bereit. Fortschritte in der Kältetechnik haben durch die intelligente Steuerung von Kühltruhen in Supermärkten in den vergangenen Jahren zu Energieeinsparungen geführt.

Die in den vergangenen Jahren geförderten Forschungsprojekte zur Sorptionskälte haben zur Nutzung der Abwärme  beigetragen. So sind in den vergangenen Jahren nach Informationen des Verbands für Sorptionskälte rund 3.200 Sorptionskälteanlagen in Deutschland installiert worden. Im Vergleich verringert eine Sorptionsanlage gegenüber einer Kompressionskälteanlage die CO2-Emissionen um circa 80 Prozent.

Entwicklungsbedarf gibt es zum Beispiel hinsichtlich der Erzeugung von Kälte unter 0 Grad Celsius. Denn in Sorptionsprozessen wird überwiegend Wasser, alleine oder in Kombination mit einem anderen Stoff, als Kältemittel eingesetzt. Im Forschungsverbund SubSie  arbeiten WissenschaftlerInnen etwa an innovativen Lösungen, wie Wasser als Kältemittel unter 0 Grad Celsius in der Lebensmittel- und Lagerkühlung genutzt werden kann.

Komponenten, umweltfreundliche Kältemittel und neuartige Wärmepumpen

Die Anforderungen an Wärmepumpen in Bezug auf ihre Kompaktheit, Kosten, Betriebssicherheit, Geräuschemissionen, Design und Effizienz sind gestiegen. Die Forschung entwickelt deshalb neuartige Materialien und Komponenten, um die Funktion im Kältekreis sowie die Leistungsdichte, Effizienz und Umweltfreundlichkeit weiter zu verbessern.

So sind etwa Wärmeübertrager zentrale Bauteile in den Wärmepumpenanlagen und haben einen relevanten Kosten- und Bauraumanteil, den ForscherInnen optimieren wollen.  Die bisher eingesetzten Kältemittel sind zwar im Betrieb effizient, aber zum Teil giftig oder besitzen eine hohe Treibhaus-Wirkung (GWP). Dies steht einer breiten Anwendung mit dem Ziel der Treibhausgas-Verringerung entgegen. Deshalb beschäftigen sich die ForscherInnen mit neuen Kältemitteln, die nur eine sehr geringe Treibhaus-Wirkung aufweisen.

Forschungsprojekte betrachten neben der reinen Funktion auch weitere Kenndaten wie etwa die Schallemissionen der Wärmepumpenanlagen. Denn für eine breite Akzeptanz der umweltfreundlichen Technologie ist es notwendig, dass der jahrzehntelang gewohnte Komfort – fossil betriebene Zentralheizungsanlagen sind in der Wohnung und außerhalb des Hauses praktisch geräuschlos – beibehalten wird.

Im Energieforschungsprogramm bleibt der Blick nicht auf die aktuellen Technologien begrenzt. So arbeiten ForscherInnen bereits heute an der Entwicklung neuer effizienter Wärmepumpentechnologien wie Magneto-, Elasto oder Elektrokalorik, die erst in einigen Jahren einsatzfähig sein könnten.

Wärmepumpen in Kombination mit Prozesswärme und Energiespeichern

In Rechenzentren, Kläranlagen und vielen weiteren Industriebetrieben fällt Abwärme aus Kühlprozessen, Heizprozessen, oder Abluftsystemen an, die wiederum zur Warmwasser- oder Raumerwärmung bereitgestellt werden kann.

Da die entstehende Abwärme allerdings meist auf einem zu niedrigen Temperaturniveau anfällt, ist ihre direkte Verwertung meist unmöglich. ForscherInnen wollen deshalb Abwärmeströme aus unterschiedlichen Temperaturniveaus mit Hilfe von effizienten thermischen oder elektrischen Wärmepumpen zusammenführen und auf eine Temperatur anheben, die etwa für einen Trocknungsprozess benötigt wird. Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau kann genutzt werden, um durch thermische Wärmetransformation Kälte auf einem niedrigen Temperaturniveau bereitzustellen.

Zeitweise anfallende Abwärme kann gespeichert und später als Prozesswärme oder -kälte genutzt werden. Da der Bedarf an Kühlen und Klimatisieren immer weiter zunimmt, kommt auch der Entwicklung effizienter und kostengünstiger Kältespeicher eine wichtige Rolle zu.

ForscherInnen erarbeiten darüber hinaus Konzepte und Lösungen, wie thermische Speicher an Wärmenetze angeschlossen werden können. Auf diese Weise soll durch Erweiterung der potenziellen Abnehmer über die Grenzen eines Industriestandorts hinaus die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung weiter verbessert werden.

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