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Technologieübersicht Erneuerbares Heizen und Kühlen

Dossier

Technologieübersicht Erneuerbares Heizen und KühlenDossier

Zusammenstellung deutscher Erfahrung im Hinblick auf die Übertragung in die Türkei

Zusammenstellung deutscher Erfahrung im Hinblick auf die Übertragung in die Türkei

2

Impressum

Herausgeber

Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)

Chausseestraße 128 a

10115 Berlin

Tel: +49 (0)30 66 777 - 0

Fax: + 49 (0) 66 777 - 699

E-Mail: [email protected]

Internet: www.dena.de

Autoren

Oliver Buchin

Heiner Wilkens

Auftraggeber

Dr. Karsten Lindloff, dena

Susanne Schmelcher, dena

Maike von Krause-Kohn, dena

Peter Pannier, dena

Stand: 03/2020

Alle Rechte sind vorbehalten. Die Nutzung steht unter

Zustimmungsvorbehalt der dena.

http://www.dena.de/

3

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ..................................................................................................................................................................... 3

Abkürzungen ............................................................................................................................................................................. 5

Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................................................................. 6

Tabellenverzeichnis .................................................................................................................................................................. 7

1 Einleitung .......................................................................................................................................................................... 8

1.1 Hintergrund ................................................................................................................................................................... 8

1.2 Zielsetzung des Dossiers .............................................................................................................................................. 8

1.3 Erneuerbares Heizen und Kühlen in der Türkei ........................................................................................................ 9

1.4 Technologieübersicht ................................................................................................................................................. 10

1.5 Struktur der Steckbriefe und Bewertung der Konzepte ........................................................................................ 11

2 Steckbrief Heizen mit gebäudenaher Umweltwärme ............................................................................................... 14

2.1 Funktionsweise ........................................................................................................................................................... 14

2.2 Nachhaltigkeit ............................................................................................................................................................. 16

2.3 Resilienz ....................................................................................................................................................................... 17

2.4 Wirtschaftlichkeit ........................................................................................................................................................ 17

2.5 Übertragbarkeit .......................................................................................................................................................... 18

2.6 Beispielanwendungen ................................................................................................................................................ 18

2.7 Bewertungsmatrix ...................................................................................................................................................... 19

3 Steckbrief Heizen mit Ab- und Umweltwärme........................................................................................................... 20

3.1 Funktionsweise ........................................................................................................................................................... 20

3.2 Nachhaltigkeit ............................................................................................................................................................. 22

3.3 Resilienz ....................................................................................................................................................................... 23





4 Steckbrief Heizen mit Biomasse und Solarthermie .................................................................................................. 26

4.1 Funktionsweise ........................................................................................................................................................... 26

4.2 Nachhaltigkeit ............................................................................................................................................................. 28

4.3 Resilienz ....................................................................................................................................................................... 29





5 Steckbrief Solarthermisches Kühlen ........................................................................................................................... 32

4

5.1 Funktionsweise ........................................................................................................................................................... 32

5.2 Nachhaltigkeit ............................................................................................................................................................. 35

5.3 Resilienz ....................................................................................................................................................................... 35





6 Steckbrief Geothermisches Heizen und Kühlen ........................................................................................................ 39

6.1 Funktionsweise ........................................................................................................................................................... 39

6.2 Nachhaltigkeit ............................................................................................................................................................. 41

6.3 Resilienz ....................................................................................................................................................................... 41





7 Steckbrief Solarelektrisches Kühlen ............................................................................................................................ 45

7.1 Funktionsweise ........................................................................................................................................................... 45

7.2 Nachhaltigkeit ............................................................................................................................................................. 48

7.3 Resilienz ....................................................................................................................................................................... 48





Quellenverzeichnis ................................................................................................................................................................. 51

Glossar ..................................................................................................................................................................................... 52

5

Abkürzungen

AHK Deutsch-Türkische Industrie- und Handelskammer

BAFA Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle

BHKW Blockheizkraftwerk

BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

BWP Bundesverband Wärmepumpe e. V.

COP Leistungszahl (engl. Coefficient of Performance)

dena Deutsche Energie-Agentur

EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz

EEWärmeG Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz

FKW halogenierter Fluorkohlenwasserstoff

Fm Festmeter

HFKW teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoff

JAZ Jahresarbeitszahl

KfW Kreditanstalt für Wiederaufbau

KWKK Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

MAP Marktanreizprogramm

ORC Organic Rankine Cycle

PV Photovoltaik

SGK Sorptionsgestützte Klimatisierung

WP Wärmepumpe

6

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Entwicklung der Wärmeerzeugung in der Türkei nach Brennstoffen ....................................................... 9 Abbildung 2 Entwicklung des Stromverbrauchs in der Türkei .......................................................................................... 9 Abbildung 3 Technologiekombinationen .......................................................................................................................... 10 Abbildung 4 Beispiel eines „Performance Wheel“ ............................................................................................................ 11 Abbildung 5 Wärmepumpenanlage am GALAB-Unternehmensstandort in Hamburg ............................................... 14 Abbildung 6 Gesamtbewertung für das Konzept „Heizen mit gebäudenaher Umweltwärme“ ................................. 14 Abbildung 7 Vereinfachte Darstellung der Energieflüsse bei der gebäudeintegrierten Wärmepumpe ................... 15 Abbildung 8 Heizzentrale mit Wärmepumpe und Puffer-speicher und Hybridkollektoren ....................................... 19 Abbildung 9 Großwärmepumpe in Berlin-Lichtenberg ................................................................................................... 20 Abbildung 10 Gesamtbewertung für das Konzept „Heizen mit Abwärme und Umweltwärme“ .................................. 20 Abbildung 11 Vereinfachte Darstellung der Energieflüsse bei der Großwärmepumpe ................................................ 21 Abbildung 12 Komponenten der Großwärmepumpe in der Kraftwerksanlage Wien Simmering ............................... 24 Abbildung 13 Hackschnitzelverbrennung und -lager ......................................................................................................... 26 Abbildung 14 Gesamtbewertung für das Konzept „Heizen mit Biomasse und Solarthermie“ ..................................... 26 Abbildung 15 Vereinfachte Darstellung der Energieflüsse beim Heizen mit Biomasse und Solarthermie ................. 27 Abbildung 16 Die Abbildung entspricht dem Konzept des Bioenergiegenossenschaft Mengsberg ............................ 30 Abbildung 17 Absorptionskälteanlage als Kernkomponente des solarthermischen Kühlens ...................................... 32 Abbildung 18 Gesamtbewertung für das Konzept „Solarthermisches Kühlen“ .............................................................. 32 Abbildung 19 Hauptkomponenten und Energieflüsse beim solarthermischen Kühlen ................................................ 32 Abbildung 20 Solarthermische Vakuumröhrenkollektoren auf einem Gebäude ........................................................... 34 Abbildung 21 Schwimmbad als Anwendungsbeispiel für sorptionsgestützte Klimaanlagen ....................................... 35 Abbildung 22 Solarkollektorfeld im Umweltbundesamt Dessau ..................................................................................... 38 Abbildung 23 Das Nesjavellir-Geothermie-Kraftwerk in Thingvellir, Island .................................................................... 39 Abbildung 24 Gesamtbewertung für das Konzept „Geothermisches Heizen und Kühlen“ .......................................... 39 Abbildung 25 Hauptkomponenten und Energieflüsse beim geothermischen Kühlen .................................................. 40 Abbildung 26 Energiezentrale der Geothermieanlage Unterföhring und Bohrung der Dublette ................................ 43 Abbildung 27 PV-Anlage und Splitmodul zum Kühlen auf einem Dach .......................................................................... 45 Abbildung 28 Gesamtbewertung für das Konzept „Solarelektrisches Kühlen" .............................................................. 45 Abbildung 29 Hauptkomponenten und Energieflüsse beim solarelektrischen Kühlen ................................................ 46 Abbildung 30 Kompressionskälteanlage in prozesstechnischer Anwendung und Splitgeräte .................................... 46

file://///dena.de/Daten/Home/oezer/Desktop/Dossier_Erneuerbares_Heizen_und_Kuelen_Hinweise%20eingearbeitet.docx%23_Toc42170176

7

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Bewertungsmatrix zum „Heizen mit gebäudenaher Umweltwärme“ ......................................................... 19

Tabelle 2 Typische Temperaturniveaus von Wärmepumpen ....................................................................................... 21

Tabelle 3 Bewertungsmatrix zum „Heizen mit Abwärme und Umweltwärme“ .......................................................... 25

Tabelle 4 Bewertungsmatrix zum „Heizen mit Biomasse und Solarthermie“ ............................................................. 31

Tabelle 5 Typische Temperaturniveaus in Absorptionskälteanlagen ........................................................................... 34

Tabelle 6 Bewertungsmatrix zum „Solarthermischen Kühlen” ..................................................................................... 38

Tabelle 7 Bewertungsmatrix zum „Geothermischen Heizen und Kühlen“ .................................................................. 44

Tabelle 8 Bewertungsmatrix zum „Solarelektrischen Kühlen“ ...................................................................................... 50

8

1 Einleitung Das Deutsch-Türkische Energieforum wurde im Jahr 2012 von den Regierungen beider Länder

gegründet. Seitdem arbeitet die Deutsche Energie-Agentur (dena) für das Bundesministerium für

Wirtschaft und Energie (BMWi) mit zahlreichen Akteuren aus Politik und Wirtschaft beider Länder

in den Handlungsfeldern erneuerbare Energien, Energieeffizienz sowie Energieinfrastruktur und

Sektorkopplung zusammen und trägt zu einem strukturierten Austausch sowie Wissenstransfer

bei. Als Co-Chair in diesen Arbeitsgruppen bearbeitet sie gemeinsam mit den Vertretern des

türkischen Energieministeriums und in Kooperation mit der Deutsch-Türkischen Handelskammer

(AHK) die Themen in den drei von der dena betreuten Arbeitsgruppen.

1.1 Hintergrund

Die Arbeitsgruppen des Deutsch-Türkischen Energie-

forums verfolgen das Ziel, zu aktuellen Fragen der

Energiepolitik einen intensiven Austausch zu den

zentralen Fragen der Energiewende aufzubauen und in

den zentralen Handlungsfeldern für die Moderni-

sierung und die gesteigerte Wertschöpfungskette des

türkischen Energiesektors einzusetzen.

Die weitere Erschließung der großen Potentiale an

erneuerbaren Energien in der Türkei, der erheblichen

Potentiale für Energieeffizienz in allen Verbrauchs-

sektoren sowie die Ausgestaltung der Energieinfra-

struktur und die Integration erneuerbarer Energien in

den Energiemarkt versprechen einen wichtigen Beitrag

für die Erreichung der Energieziele der türkischen

Regierung zu leisten.

Die durch die Arbeitsgruppen unterstützte Aktivierung

und Einbindung von Unternehmen und Institutionen

aus beiden Ländern soll sicherstellen, dass Ideen eines

breiten Stakeholder-Kreises eingebunden und ihre

Expertise und Praxiserfahrungen berücksichtigt

werden.

Das Potential für den Einsatz von erneuerbaren

Energien zum Heizen und Kühlen ist sehr groß. Hierfür

stehen verschiedene Technologien zur Verfügung, die

in Deutschland bereits erfolgreich eingesetzt werden.

Eine besondere Herausforderung stellt das Kühlen dar:

Heute werden in der Türkei 16 Prozent des Strom-

verbrauchs zur Kühlung verwendet. Solares Kühlen

kann bis zu 60 Prozent des Energieeinsatzes einsparen.

Zudem gibt es hierfür viele verschiedene Technologien,

deren Verwendung je nach Ausgangssituation sinnvoll

ist. Solares Kühlen hat ein großes Potential in sonnigen

Regionen, da dort das Kühlen einen noch größeren

Anteil am Energieverbrauch hat.

Aufgrund der Größe des Landes gibt es in der Türkei

eine große Anzahl unterschiedlicher Klimazonen. In

den Küstenregionen überwiegt ein mediterranes Klima.

Milde und feuchte Winter sowie lange und heiße

Sommer dominieren. In Zentralanatolien sind die

Winter kalt und trocken. Die Niederschlagsmenge

variiert ebenfalls stark je nach Region von 250 mm im

Südosten bis zu 2.500 mm im Nordosten und in den

Gebirgsebenen. Zudem ist zu beachten, dass die Türkei

in vielen Gebieten erdbebengefährdet ist.

Dieses Dossier stellt Technologien und deren Poten-

tiale im Bereich des erneuerbaren Kühlen und Heizens

dar, ordnet sie bestimmten Klimazonen zu und gibt

Hinweise zu den in Deutschland geltenden Regulie-

rungen zu bestimmten Anwendungen sowie auf die

Marktsituation.

1.2 Zielsetzung des Dossiers

Zielstellung des Dossiers ist es, relevante Informatio-

nen zu Technologien für das erneuerbare Heizen und

Kühlen in kompakter Form zu vermitteln. Der Begriff

Technologie bezeichnet in diesem Dossier das in Form

von technischen Bauteilen oder technischen Anlagen

umgesetzte Wissen zur Energieumwandlung. Beispiele

für Technologien sind Solarthermieanlagen, welche

Solarstrahlung auf Heizmedien übertragen, oder Sorp-

tionskälteanlagen, die einen warmen Wasserstrom

nutzen, um Kaltwasser bereitzustellen.

In einem Energiekonzept werden geeignete

Technologien miteinander verknüpft, um Energie-

dienstleistungen bereitzustellen. Energiedienst-

leistungen können das Heizen oder Kühlen von

Räumen, das Erwärmen von Trinkwasser oder die

Luftentfeuchtung sein. So wird im Konzept solar-

thermisches Kühlen die Technologie der Solarthermie-

anlage mit der Technologie der Sorptionskälteanlage

zu einem Energiekonzept verknüpft, um mit Solar-

strahlung zu kühlen. Erneuerbare Energiekonzepte

nutzen hauptsächlich erneuerbare Energiequellen.

Gegenüber Standardtechnologien lässt sich durch

diese Konzepte eine signifikante Reduktion der

CO2 Emissionen erreichen. Beispielsweise kann das

Konzept „solarthermisches Kühlen“ mit nur etwa 10

Prozent der CO2-Emissionen des Alternativkonzeptes

„Kühlen mit Erdgas“ umgesetzt werden.

9

Ein praxisorientierter Ansatz wird verfolgt, indem

sinnvolle Technologiekombinationen in beispielhaften

erneuerbaren Energiekonzepten dargestellt werden. Es

werden sechs Konzepte in Form von Steckbriefen

dargestellt. Die gewählte Darstellungsform ermöglicht

es, die Technologien bezüglich der Kriterien Nach-

haltigkeit, Resilienz, Regionalität und Wirtschaft-

lichkeit zu bewerten. Zusätzlich werden Hinweise für

die Übertragbarkeit der Konzepte und Technologien

in die Türkei gegeben.

1.3 Erneuerbares Heizen und Kühlen in der Türkei

Im Zuge der Energiewende erreichen zunehmend mehr

Technologien und Konzepte eine technische Entwick-

lungsreife, durch welche ihr Einsatz energetisch und

wirtschaftlich in Betracht gezogen wird. Während die

Erzeugung erneuerbaren Stroms bereits weit verbreitet

ist, rücken die Nutzungsmöglichkeiten für erneuerbare

Wärme derzeit in den politischen Förderfokus.

Aufgrund der geografischen Lage wird das Potential für

die Nutzung erneuerbarer Energien als hoch

eingeschätzt (Deutsche Energie-Agentur GmbH, 2013).

Das Land liegt auf Höhe des 40. Breitengrades

südöstlich von Europa, wobei ein Großteil des Landes

dem asiatischen Kontinent zugeordnet wird. Die

nördliche Grenze bildet das Schwarze Meer, im Süden

und Westen befindet sich das Mittelmeer. Auf Höhe

von Istanbul sowie in der nördlichen Türkei grenzen die

eurasische und die anatolische Platte aneinander.

Solare Potentiale sind aufgrund der nördlichen Lage

zum Äquator im Süden höher als im Norden des

Landes. Im Schnitt werden sie mit ca. 1.300 kWh/m²a

angegeben. Das Potential für Energiepflanzen wird

auf 75 PJ/a (ca. 21 TWh/a) geschätzt. Das technische

Potential zur Wärmegewinnung aus Geothermie wird

auf 31.500 MW (276 TWh) beziffert, wobei ein Großteil

der Quellen im Westen vorhanden sind (alle Werte,

(Deutsche Energie-Agentur GmbH, 2013)).

Der türkische Endenergiebedarf hat sich seit 2000

erhöht. Der Wärmebedarf ist von ca. 4,5 TWh/a 2000

auf ca. 14,5 TWh im Jahr 2010 gestiegen. Seit 2010 ist

der Anteil von anderen Quellen (Biogas, Abwärme,

Weitere) für die Wärme gegenüber Gas und fossilen

Primärenergieträgern (Öl, Kohle) weiter gestiegen. Der

Bruttostromverbrauch stieg stetig von rund 2.311 (im

Jahr 2010) auf 2.896 (im Jahr 2016) kWh je Einwohner

(Wirtschaftskammer Österreich, 2019).

Abbildung 1 Entwicklung der Wärmeerzeugung in der

Türkei nach Brennstoffquellen; Daten IEA

Laut Daten der IEA werden weltweit ca. 6 Prozent des

Strombedarfs für die Klimatisierung aufgewendet.

Selbst unter Einbezug zukünftiger Effizienzsteige-

rungen der aktuell verwendeten Technologien wird für

Wohn- und Nichtwohngebäude ein Sprung von

weltweit 2.020 TWh im Jahr 2016 auf 6.200 TWh im

Jahr 2050 projiziert. Der Anteil des Endenergiebedarfs

an Strom, welcher für die Klimatisierung eingesetzt

wird, kann abhängig von der Region auf 10 Prozent bis

fast 16 Prozent steigen (IEA Data Services, 2020).

Abbildung 2 Entwicklung des Stromverbrauchs in der

Türkei; Daten IEA

Diese Entwicklungen sind für die Energieversorgung

der Länder auf verschiedenen Ebenen eine Heraus-

forderung. Um das Stromnetz zu entlasten und

Lastspitzen abfangen zu können, sind neue Konzepte

notwendig. Das Erschließen der regenerativen

Energiequellen zum Heizen und Kühlen ist mittels

verschiedener Konzepte möglich, welche sich in

Marktreife und Erprobungsstand z. T. deutlich

unterscheiden.

10

1.4 Technologieübersicht

Wie der Titel des Dossiers bereits vermittelt, lassen sich

die Konzepte in die Bereiche Heizen und Kühlen

unterteilen. Ein weiteres wichtiges Unterscheidungs-

merkmal ist der Gebäudebezug. Werden erneuerbare

Quellen in unmittelbarer Nähe des zu konditionie-

renden Gebäudes erschlossen, werden diese Konzepte

als gebäudeintegrierte Konzepte bezeichnet. In

dichten Siedlungsstrukturen sind netzbasierte

Konzepte meist vorteilhafter, weil die zentralen

Erschließungstechnologien im größeren Maßstab

effizienter und wirtschaftlicher umsetzbar sind.

Die gewählten Konzepte beinhalten Kerntechnologien

für das erneuerbare Heizen und Kühlen. Das Heizen

mit gebäudenaher Umweltwärme ist ein gebäude-

integriertes Konzept zur Wärmeversorgung und

Trinkwasserbereitung von Ein- und Mehrfamilien-

häusern insbesondere in weniger dichten Siedlungs-

gebieten. Die Kerntechnologie Wärmepumpe

ermöglicht es, Umweltwärme gebäudenah aufzu-

werten. Die Wärmepumpe gilt daher als Schlüssel-

technologie der Wärmewende. Sie ermöglicht eine

Verknüpfung der Wärmeerzeugung mit einer auf

erneuerbaren Quellen beruhenden Stromerzeugung.

Im Steckbrief werden die vielfältigen Varianten der

Wärmepumpen und aktuelle Entwicklungen

präsentiert.

In dichten Siedlungsstrukturen mit bestehenden Nah-

und Fernwärmenetzen ist das Heizen mit Abwärme

und Umweltwärme und die Einbindung von Solar-

thermie ein geeigneter Ansatz, um bestehende Fern-

wärmenetze nachhaltiger zu nutzen. Mit Großwärme-

pumpen kann die Abwärme von Kraftwerks- und

Industrieprozessen oder die Energie von Flusswasser

oder dem Erdreich genutzt werden, um über das

Leitungsnetz größere Quartiere mit Wärme zu

versorgen. Gleichzeitig können fossile Kraftwerke

effizienter betrieben werden.

In kleineren Siedlungsstrukturen ist das Heizen mit

Biomasse und Solarthermie geeignet, weil oft

entsprechende land- und forstwirtschaftliche

Strukturen vorhanden sind. Auch hier können

Nahwärmenetze vorteilhaft genutzt werden. Der

Steckbrief fokussiert auf die Nutzung von Biomasse in

größeren Kesselanlagen für die netzbasierte

Wärmeversorgung.

Solarthermisches Kühlen wird durch die Kombination

von Solarwärme- mit Sorptionsanlagen ermöglicht. Es

können damit Klima- oder Prozesskälte erneuerbar

bereitgestellt werden. Die Technologievarianten der

thermisch angetriebenen Kälteerzeugung werden für

gebäudeintegrierte Konzepte dargestellt. Bei einem

hohen Entfeuchtungsanteil bei der Klimatisierung kann

auch das technologisch verwandte Verfahren der

sorptionsgestützten Klimatisierung (Sorptionsent-

feuchtung) Anwendung finden. Auf dieses wird

ebenfalls innerhalb des Steckbriefes eingegangen.

Geothermisches Heizen und Kühlen ist in der Türkei

in den geothermisch aktiven Gebieten interessant. Die

Großtechnologie ist für die netzbasierte Versorgung

von dichten Siedlungsstrukturen geeignet. Der

Steckbrief beleuchtet die Risiken der geothermischen

Technologien und zeigt auf, welche sich davon

nachhaltig implementieren lassen.

Das Konzept Solarelektrisches Kühlen ist sowohl

netzbasiert als auch gebäudeintegriert umsetzbar und

wird im letzten Steckbrief erläutert. Grundlegend sind

Photovoltaikanlagen, die Kompressionskälteanlagen

antreiben.

Weitere Technologiekombinationen sind möglich und

eine umfassende Darstellung der Vielzahl an Umwand-

lungstechnologien ist im Rahmen dieses Dossiers nicht

darstellbar. Der Vollständigkeit halber sollen jedoch

weitere Kombinationen von erneuerbaren Quellen und

Umwandlungstechnologien aufgezeigt werden.

Abbildung 3 Technologiekombinationen, G = gebäude-

integriert, N = netzbasiert, Farben: rot = Heizen,

blau = Kühlen. Fett umrandete Kombinationen werden im

Dossier behandelt.

Wie der Matrix zu entnehmen ist, werden die

Technologien zur Erschließung der ersten sechs

Quellen in den Steckbriefen erläutert. Bis auf die

Gasabsorptionswärmepumpe werden auch alle

Umwandlungstechnologien mit abgedeckt. Diese

Technologie wurde als Brückentechnologie zur

effizienteren Nutzung von Erdgas entwickelt, konnte

sich allerdings am Markt nicht durchsetzen.

Erneuerbare Gase, wie Biogas und Wasserstoff und die

damit verbundenen Technologien, wie Blockheiz-

kraftwerk und Brennstoffzellen als Kraft-Wärme-

Kopplungstechnologien werden im Rahmen dieses

11

Dossier nicht behandelt, da die anderen Technologien

für die Türkei interessanter erscheinen.

Als Grundsatz aller technologischen Konzepte sollte die

Maximierung der Energieeinsparungen auf der

Nutzerseite gelten. Das bedeutet, dass Maßnahmen

ausgenutzt werden, um den Wärmebedarf und/oder

den Kältebedarf eines Gebäudes durch passive

Maßnahmen zu reduzieren. Als passive Maßnahmen

gelten u.a. die Gebäudedämmung, das Ausnutzen von

solaren Gewinnen, Verschattung, Nachtlüftung, Aus-

nutzung von natürlicher Konvektion und nächtlicher

Abstrahlung. In vielen Fällen kann durch eine geeignete

Kombination der passiven Maßnahmen auf die techno-

logischen Energiedienstleistungen verzichtet werden.

1.5 Struktur der Steckbriefe und Bewertung der Konzepte

Die Steckbriefe beschreiben zuerst die Funktionsweise

der Kerntechnologien. Dies beinhaltet ein Funktions-

schema, die Beschreibung wichtiger Komponenten und

Kennzahlen sowie Hinweise zu Betriebsgrenzen und

alternativen Technologien.

Alle Steckbriefe sind mit einem vereinfachten Schema

illustriert, um die wesentlichen Energieströme darzu-

stellen. Hierbei kennzeichnen Pfeile die Energie-

ströme. Die Richtung der Pfeile symbolisiert die Fließ-

richtung der Energie, beim Kühlen von der gekühlten

Umgebung zur Kühltechnologie, beim Heizen von der

Heizquelle zum Abnehmer, bei der Stromquelle vom

Netz zum Verbraucher. Die Stärke der Pfeile kann als

maßstäbliche Größe der transportierten Energiemenge

verstanden werden, sodass die Verhältnisse der

Energiemengen leicht erfasst werden können.

Die Farbgebung der Pfeile symbolisiert die relevanten

Temperaturniveaus.

➡ Rote Pfeile weisen auf hohe Temperaturen hin, die entweder durch eine Umwandlungs-

technologie benötigt werden oder direkt zum

Heizen genutzt werden können.

➡ Grüne Pfeile weisen auf ein niedriges Tem-peraturniveau hin, welches nicht zum Heizen

oder Kühlen genutzt werden kann. Beispiele

sind Umwelt- und Abwärme.

➡ Blaue Pfeile weisen auf nutzbare Energie-ströme mit niedrigen Temperaturen zum

Kühlen hin.

➡ Gelbe Pfeile zeigen einen elektrischen Strom-fluss und werden aufgrund der Energieform

zusätzlich mit einem Blitzsymbol (↯)

gekennzeichnet.

Um sowohl für die konkreten Praxisprojekte als auch

für die generischen Handlungskonzepte eine einheit-

liche Bewertung zu ermöglichen, die eine indikative

Aussage zur Werthaltigkeit eines Ansatzes sowie eine

daraus abgeleitete Priorisierung erlaubt, wird mit Hilfe

der Likert-Skala eine Bewertung in die folgenden fünf

Bewertungsgruppen vorgenommen.

Gruppe 1: Nachhaltigkeit

Gruppe 2: Resilienz

Gruppe 3: Regionalität

Gruppe 4: Wirtschaftlichkeit

Gruppe 5: Übertragbarkeit

Bestandteil dieser Bewertungsgruppen sind jeweils vier

unterschiedliche Merkmale, zu denen eine positive

Bewertungsthese ausformuliert ist. Die Bewertung der

Aussage wird anhand der folgenden Skala gemessen

und mit Punkten quantifiziert:

trifft nicht zu (0 Punkte)

trifft eher nicht zu (1 Punkt)

teils-teils (2 Punkte)

trifft eher zu (3 Punkte)

trifft zu (4 Punkte)

Zwischen den Merkmalen einer Bewertungsgruppe

findet keine Gewichtung statt. Die gesammelten

Informationen werden in übersichtlicher Form anhand

eines „Performance Wheel“, eines kreisförmigen

Balkendiagramms, dargestellt. Die Höhe der Balken

entspricht der Bewertung der einzelnen Merkmale

innerhalb der Gruppen. Jeweils am Ende der Steck-

briefe befindet sich die ausführliche Bewertungs-

tabelle.

Abbildung 4 Beispiel eines „Performance Wheel“

Als Bewertungsgrundlage in den fünf Kategorien

dienen die folgenden, näher ausgeführten,

Bewertungsmerkmale.

12

1.5.1 Nachhaltigkeit

Es werden folgende Bewertungsmerkmale

herangezogen:

A - CO2-Neutralität: „Das Konzept ist so wie

beschrieben CO2-neutral.“

Das Konzept verursacht innerhalb der Bilanzgrenze

keine CO2-Emissionen. CO2-Emissionen des

vorgelagerten Energieerzeugungssystems sind nicht

berücksichtigt.

B - Treibhausgase: „Die Emission von weiteren

Treibhausgasen wird vermieden.“

Neben CO2 werden keine weiteren Treibhausgase in

den Konzepten freigesetzt (F-Gase, Methan,

Schwefelhexaflourid). F-Gase werden z. B. in

Kompressionskälteanlagen und Kompressions-

wärmepumpen verwendet. Methan entsteht

hauptsächlich bei der Biogaserzeugung und kann bei

der Förderung von Thermalwasser in geothermischen

Kraftwerken freigesetzt werden.

C - Systemunabhängigkeit: „Die Erzielung einer CO2-

Reduktion ist unabhängig vom Energiesystem.“

Eine Abhängigkeit ist beispielsweise gegeben, wenn

Einflüsse durch einen veränderten Strommix einen

Effekt auf die Höhe der CO2-Vermeidung der

Maßnahme haben. Ein erneuerbares Versorgungs-

konzept (z. B. mit einer Wärmepumpe) kann durch eine

Transformation des Energieversorgungssystems

insgesamt CO2-neutral werden.

D - Umweltverträglichkeit: „Das Konzept hat keine

nachteiligen Auswirkungen auf die Umwelt.“

Die Anwendung des Konzeptes hat neben der

Treibhauswirkung keine negativen Umwelteinflüsse.

Bestandteile und technische Komponenten können in

bestehende Infrastruktur (Keller, Dächer) integriert

werden.

1.5.2 Resilienz

Es werden folgende Bewertungsmerkmale heran-

gezogen:

A - Netzdienlichkeit: „Energiebedarf oder –bereit-

stellung können an äußere Bedingungen angepasst

werden.“

Flexibilitätsoptionen bestehen bspw. durch zeitliche

Lastverschiebung, kurzfristige Energiespeicherung oder

Verschiebung von Energieflüssen zu anderen Energie-

infrastrukturen. Dadurch kann die Auslastung der

bestehenden Energieinfrastrukturen verbessert und

der Anteil regenerativer Energien erhöht werden.

B - Netzunabhängigkeit: „Das System ist nicht auf

eine Netzinfrastruktur angewiesen.“

Energiequellen werden von dem System selbst genutzt

(Solarthermie, Umweltwärme). Dadurch besitzt das

System einen hohen Selbstversorgungsanteil. Die

Netzinfrastruktur ist nicht oder nur in sehr geringem

Maße für den Betrieb erforderlich und dient nicht als

Backupsystem.

C - Netzeinspeisung: „Das Konzept ermöglicht eine

Einspeisung ins Netz.“

Regenerativ erzeugte Überschüsse können in das Netz

eingespeist werden. Dadurch kann die Verwendung

fossiler Primärenergieträger für den Energiemix

reduziert werden.

D - Robustheit: „Die Technologie ist wenig störanfällig

und wartungsarm.“

Die Teilkomponenten sind im Einsatz erprobt und

weisen nur geringe Störanfälligkeit auf. Die Techno-

logie ist wartungsarm und kann im Zweifel mit ein-

fachen Mitteln instandgesetzt werden.

1.5.3 Regionalität

Es werden folgende Bewertungsmerkmale heran-

gezogen:

A - Schadstoffreduktion: „Lokal werden keine Schad-

stoffe emittiert.“

Das Konzept hilft bei der Senkung der lokalen Schad-

stoffemissionen, bspw. durch die Vermeidung des

Ausstoßes von Feinstaub.

B - Akzeptanz: „Das Konzept wird breit akzeptiert oder

lässt sich mit Zusatznutzen umsetzen.“

Das Konzept besitzt nur wenige negative Auswirkungen

und wird daher von der Bevölkerung positiv aufge-

nommen. Beispielsweise können Energiezentralen mit

Begegnungsstätten zum Erfahrungsaustausch (z. B.

zum Energiesparen) kombiniert werden. Der Aufbau

von Wärme- oder Kältenetzen kann mit dem Ausbau

anderer leitungsgebundener Infrastruktur kombiniert

werden.

C - Lokale Wertschöpfung: „Die lokale Wirtschaft

profitiert durch das Konzept.“

Die lokale bzw. kommunale Wertschöpfung wird

gesteigert. Es entstehen Arbeitsplätze in der Region

und es ist davon auszugehen, dass die Steuerein-

nahmen steigen.

D - Erzeugung: „Regenerative Quellen werden vor Ort

genutzt.“

Regenerative Quellen werden für das Konzept lokal

genutzt. Der Energiebedarf kann vor Ort bereitgestellt

und gesichert werden.

13

1.5.4 Wirtschaftlichkeit

Folgende Bewertungsmerkmale werden herangezogen:

A - Unabhängigkeit: „Die Wirtschaftlichkeit des

Projektes ist unabhängig von Förderprogrammen.“

Politische Rahmenbedingungen bestimmen den Grad

der Wirtschaftlichkeit aller Energiewandlungsformen.

Um das Konzept im Markt zu etablieren und die Kosten

durch Skaleneffekte zu reduzieren, werden keine

zusätzlichen Förderprogramme benötigt.

B - Zukunftsfähigkeit: „Unter veränderten

umweltdienlichen Rahmenbedingungen bleibt der

Endenergiepreis wettbewerbsfähig.“

Viele externe Kosten, welche bei der Energie-

versorgung anfallen, werden nicht auf den Energiepreis

umgelegt (CO2-Bepreisung, Endlagerung von

Atommüll). Unter der Annahme, dass politische

Rahmenbedingungen geschaffen werden, welche

primär dem Schutz der Natur dienen, ist davon

auszugehen, dass dieses Projekt auch in der Zukunft

wirtschaftlich ist.

C - Investitionssicherheit: „Das Konzept besitzt ein

geringes Anwendungsrisiko.“

Das Konzept ist technologisch ausgereift und

praxiserprobt, sodass geringe finanzielle Risiken

bestehen.

D - Nutzwert: „Das Konzept ist aus volkswirtschaft-

licher Perspektive zur Erreichung der Energiewende-

und Klimaschutzziele vorteilhaft.“

Das Konzept verursacht geringere CO2-Vermeidungs-

kosten als alternative erneuerbare Konzepte, die eine

vergleichbare Energiedienstleistung erbringen. Es hat

durch die höhere Kosteneffizient einen positiven

gesamtwirtschaftlichen Effekt aufweist und die

Erreichung von Energiewende- und Klimaschutzziele

unterstützt.

1.5.5. Übertragbarkeit

Folgende Bewertungsmerkmale werden herangezogen:

A - Marktreife: „Die verwendeten Technologien sind

erprobt und es besteht eine vielfältige Anbieterbasis.“

Die zur Umsetzung des Konzepts benötigten Techno-

logien sind (weltweit) am Markt verfügbar, ggf. not-

wendige Zulassungen liegen vor. Es besteht eine große

Anbietervielfalt und ausreichend hohe Lieferfähigkeit,

um einen breiten Einsatz des Konzepts zu ermöglichen.

Die eingesetzten Technologien bieten eine hohe

Investitionssicherheit.

B - Einsetzbarkeit: „Das Konzept ist kurz- bis

mittelfristig in einer Vielzahl von Orten umsetzbar.“

Das Konzept kann in unterschiedlichen Implemen-

tierungsumgebungen eingesetzt werden. Es bestehen

keine spezifischen lokalen, geologischen oder infra-

strukturellen Voraussetzungen. Das Konzept passt sich

an lokale Spezifika an. Die Umsetzbarkeit ist nicht von

knappen Ressourcen oder spezifischen Genehmigun-

gen bzw. langwierigen Planungsverfahren abhängig.

C - Herstellung: „Fertigungs- und Produktions-

knowhow ist vorhanden.“

Großteile der für das Konzept benötigten Kompo-

nenten könnten innerhalb der Türkei produziert

werden.

D - Geografie: „Die geografischen Randbedingungen

wirken sich vorteilhaft auf das Konzept aus.“

Das Konzept besitzt durch die geografischen

Randbedingungen in der Türkei ein höheres Potential

angewandt zu werden als in Deutschland. Eine

Übertragung ist allein deshalb vorteilhaft.

14

2 Steckbrief Heizen mit gebäudenaher Umweltwärme Wärmepumpen stellen eine Kerntechnologie zur regenerativen Wärmeversorgung im Gebäude-

bereich dar. Das gebäudeintegrierte Konzept nutzt Umgebungsluft, das Erdreich oder Solar-

kollektoren als lokale Wärmequellen. Wärmepumpen werden mit elektrischer Energie ange-

trieben. Um als erneuerbar zu gelten, sind diese daher auf einen hohen erneuerbaren Stromanteil

im Netz angewiesen. Wärmepumpen sind für alle Leistungsklassen erhältlich. Es ist auf eine

möglichst effiziente Wärmeverteilung und auf ein niedriges Temperaturniveau im Verteilsystem

zu achten. Reversible Wärmepumpen können auch zum Kühlen genutzt werden. Durch die in der

Türkei vorliegenden Randbedingungen mit geringerem Heizenergiebedarf und hohen Kühllasten

sind diese Typen besonders geeignet.

Abbildung 5 Wärmepumpenanlage am GALAB-

Unternehmensstandort in Hamburg (©Bundesverband

Wärmepumpe (BWP) e. V.)

2.1 Funktionsweise

Kernkomponente der Wärmepumpe ist ein elektrisch

angetriebener Kompressor. Dieser ermöglicht es

Energie von einer Quelle niedriger Temperatur auf ein

hohes Temperaturniveau zu bringen. Es kann dadurch

Umweltwärme genutzt werden, z. B. aus dem Erdreich,

der Luft oder solarer Einstrahlung. Die Wärmepumpe

besteht aus zwei wesentlichen Bestandteilen: einem

Kompressormodul und einem Wärmekollektor zur

Aufnahme der Umweltwärme (siehe Abbildung 7).

2.1.1 Wärmepumpen

Im Wärmepumpenprozess wird ein Arbeitsmittel

(ein dampfförmiges bzw. flüssiges Medium) auf einem

Nieder- und einem Hochdruckniveau genutzt. Auf dem

Niederdruckniveau kann die Flüssigkeit Umweltwärme

bei niedrigen Temperaturen aufnehmen und ver-

dampft, auf dem Hochdruckniveau gibt der Dampf die

Wärme an den Heizkreis ab und verflüssigt dabei. Ein

elektrisch angetriebener Verdichter (Kompressor)

fördert das dampfförmige Arbeitsmittel vom Nieder-

druck zum Hochdruck. Wärmepumpen werden nach

der Umweltquelle und dem Heizkreisfluid unter-

schieden. Übliche Kategorien sind Luft-Wasser-,

Wasser-Wasser-, Sole-Wasser- und Luft-Luft-Wärme-

pumpen.

Abbildung 6 Gesamtbewertung für das Konzept „Heizen

mit gebäudenaher Umweltwärme“

Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe wird Außenluft

als Wärmequelle genutzt. Diese Wärme wird über den

internen Kreisprozess an den Wasserkreis auf hohem

Temperaturniveau abgegeben und kann zum Heizen

verwendet werden. Vom technischen Aufwand her ist

die Nutzung der Außenluft am einfachsten, weil sie

überall ausreichend verfügbar ist. Luft-Wasser-Wärme-

pumpen sind daher die im Neubau aktuell am meisten

genutzte Technologie. Nachteilig ist die Temperatur-

änderung der Außenluft im Jahresverlauf und die ggf.

störende Geräuschentwicklung.

15

Abbildung 7 Vereinfachte Darstellung der Energieflüsse bei der gebäudeintegrierten Wärmepumpe. Umweltwärme wird

durch die elektrisch angetriebene Wärmepumpe im Gebäude für Heizung und Trinkwarmwasser aufgewertet.

Bei sinkenden Außentemperaturen gehen Leistung

und Energieeffizienz der Wärmepumpe zurück,

gleichzeitig steigt der Wärmebedarf für die Gebäude-

heizung an. Bei Verdampfungstemperaturen unter 0 °C

bildet sich Eis am Luft- Wärmekollektor. Dieser muss

dann regelmäßig abgetaut werden, was zu zusätzlichen

Effizienzeinbußen führt.

In Luft-Luft-Wärmepumpen wird die Energie direkt

auf die Raumluft übertragen. Diese Geräte sind

entweder auf eine zentrale Lüftungsanlage angewiesen

oder sie werden nur dezentral zur Einzelraumkondi-

tionierung eingesetzt. Mit diesen Anlagen kann kein

Trinkwarmwasser bereitet werden. Derartige Anlagen

sind in Deutschland daher nicht verbreitet. Im Bereich

der Raumkühlung kommt der thermodynamische

Prozess allerdings in Form sogenannter Split-

Klimageräte zum Einsatz.

In Wasser-Wasser-Wärmepumpen wird Grundwasser

als Wärmequelle genutzt. Für die Nutzung von Grund-

wasser sind zwei Brunnen erforderlich, einer für die

Förderung und einer für die Wiedereinbringung des

Wassers. Grundwasser hat den Vorteil, dass ganzjährig

sehr konstante Temperaturen vorliegen. Die Effizienz

der Wärmepumpe ist folglich höher als bei Luft-

Wasser-Wärmepumpen. Berücksichtigt werden

müssen jedoch die Sekundärstromverbräuche für die

Förderpumpen.

Bei Sole-Wasser-Wärmepumpen wird das Erdreich als

Wärmequelle genutzt. Ein Wärmeträgermedium (die

Sole) wird durch eine Erdsonde oder durch Erdkol-

lektoren gepumpt und nimmt die Wärme des Erdreichs

auf. Die Temperaturen des Erdreichs sind ähnlich zum

Grundwasser, weshalb die Sole-Wasser-Wärme-

pumpen ebenfalls eine hohe Effizienz aufweisen. Eine

neuere Technologie sind Sole-Wasser-Wärmepumpen

mit im Erdreich verbauten oder mit integriertem

Eisspeicher und mit solarthermischen Kollektoren

(vertiefende Erklärung siehe Beispielanwendung).

2.1.2 Gebäudeintegrierte Stromerzeugung

Die elektrisch betriebenen Wärmepumpen können

sinnvoll mit Photovoltaik (PV)-Anlagen kombiniert

werden. Besonders in den Sommermonaten mit hoher

solarer Stromerzeugung kann der Strom z. B. für die

Warmwasserbereitung genutzt werden. In diesem Fall

kann der eigenerzeugte, günstigere PV-Strom

verwendet werden. Ein sinnvolles Regelungskonzept

sollte hier den aktuellen Stromüberschuss

berücksichtigen.

2.1.3 Weitere Systemkomponenten

Besondere Systemkomponenten sind nicht erfor-

derlich. Insbesondere bei Wärmepumpensystemen

beeinflusst das periphere Heizungsverteilsystem die

JAHRESARBEITSZAHL (JAZ)

Die Jahresarbeitszahl kennzeichnet die Effizienz eines

Wärmepumpensystems. Sie ist das Verhältnis von

erzeugter Wärme (Nutzen) zur eingesetzten elektrischen

Energie (Aufwand) in einem Jahr. Die Jahresarbeitszahl

wird stark durch die Quellentechnologie beeinflusst.

Mittlere JAZ von installierten Anlagen und deren Band-

breite wurden in Feldtests ermittelt (Miara & Günther,

2019):

3,0 (2,6...4,0) für Luft-Wasser-WP

3,7 (3,2…4,6) für Wasser-Wasser WP und Sole-Wasser

WP

Die Zahlen berücksichtigen den Aufwand für den

Verdichter, die Steuerung, den Wärmekollektor (Pumpe,

oder Ventilator) und die elektrische Nachheizung. Die

große Bandbreite zeigt, dass für einige Systeme noch

hohes Optimierungspotential besteht.

16

Effizienz entscheidend. Vorteilhaft sind

Heizungssysteme, welche die Wärme auf niedriger

Temperatur übertragen können. In Frage kommen

Fußboden- und Flächenheizungen, aber auch Konvek-

tor-Heizkörper mit Gebläseunterstützung. Wichtig ist,

die Heizkörper hydraulisch abzugleichen, so dass alle

Heizkörper möglichst niedrige Rücklauftemperaturen

liefern.

2.1.4 Betriebsgrenzen

Wärmepumpen im Gebäudebereich sind auf niedrige

Rücklauftemperaturen angewiesen. Daher ist gerade

im Neubau und bei sanierten Gebäuden eine

Verwendung sinnvoll, weil die Temperaturniveaus im

Heizungssystem oft geringer sind. Im unsanierten

Gebäudebestand mit sehr hohem Wärmebedarf und

hohen Vorlauftemperaturen ist ein Einsatz mit

sinnvoller Effizienz oft nur schwer zu realisieren. Feste

Betriebsgrenzen sind jedoch nicht vorhanden.

2.1.5 Alternative Verfahren

Als erneuerbare Alternative für gebäudeintegrierte

Konzepte ist auch eine Holzfeuerung mit Scheitholz-

oder Pelletkesseln möglich. Vorteilhaft ist in diesem

Fall, dass auch höhere Temperaturen im Wärmenetz

erreicht werden können. Hiermit sind dann eher

Bestandsgebäude mit hohen Vorlauftemperaturen

auszustatten. Nachteilig ist die Bevorratung des

Brennstoffs, der lokale Ausstoß an Feinstäuben und die

nicht vorhandene Kühlfunktionalität.

2.2 Nachhaltigkeit

Wärmepumpen sind eine nachhaltige Form für das

Heizen und Kühlen, wenn der Strom aus erneuerbaren

Quellen stammt. Sie könnten bis 2050 etwa 90 Prozent

der Niedertemperaturwärme in Gebäuden bereit-

stellen (Henning & Palzer, 2015). Hierbei ist insbeson-

dere auf den saisonalen Aspekt zu achten. Wird der

erneuerbare Anteil im Strommix hauptsächlich aus

solarer Energie gewonnen, ist eine Gleichzeitigkeit mit

dem Wärmebedarf nicht gegeben. Ein massiver Zubau

an Wärmepumpen müsste dann durch eine gesteigerte

Nutzung der anderen Stromquellen kompensiert

werden. In Deutschland ist erneuerbares Heizen mit

Wärmepumpen daher besonders auf das Potential der

(Offshore-)Windkraft, auf die saisonale Speicherung

solarer Energie (z. B. mittels Carnot-Batterien oder

großen Warmwasserspeichern) oder auf Abwärme

angewiesen.

Das Heizen mit Wärmepumpen ist vorteilhaft, wenn

der Ausstoß an Treibhausgasen geringer ist als der der

Referenztechnologie (z. B. Erdgaskessel). In Deutsch-

land liegt der auf die Energiemenge bezogene

Emissionsfaktor für CO2 im Mittel bei etwa 500 g CO2

für eine Kilowattstunde Strom (Icha, 2019). Mit einer

Wärmepumpe werden aus einer Energieeinheit Strom

etwa 3 bis 4 Einheiten Wärme. Für dieselbe Menge an

Wärme müssten mit Erdgas ohne Umwandlungs-

verluste mind. 600-800 g CO2 ausgestoßen werden. Die

Wärmepumpentechnologie ist mit 50 g CO2 bezüglich

ihres Treibhaus-Potentials bereits leicht im Vorteil und

wird diesen zukünftig durch einen höheren Anteil

erneuerbaren Stroms im Netz und durch effizientere

Wärmepumpen weiter ausbauen können.

Aktuell werden Wärmepumpen fast ausschließlich mit

fluorierten Kältemitteln (FKW, HFKW) betrieben, die ein

sehr hohes Treibhauspotential besitzen, wenn diese

durch Leckagen oder bei der Entsorgung in die Atmo-

sphäre gelangen. Neue Wärmepumpen können dieses

Risiko durch hermetisch abgeschlossene Verdichter

und geringere Füllmengen reduzieren. Alternativen zu

den fluorierten Kältemitteln sind natürliche Kältemittel,

wie Ammoniak, CO2 und die Kohlenwasserstoffe Pro-

pan, Propen und Isobutan. Diese sind weniger klima-

schädlich, sind jedoch mit technischen Herausforde-

rungen, wie Explosionsgefahr und hohen Drücken,

verbunden (Müller, Paatzsch, & Rölling, 2016). Einige

Hersteller arbeiten bereits mit natürlichen Kältemitteln,

jedoch eher bei Wärmepumpen größerer Leistungs-

klasse (z. B. Frigopol, Johnson Controls).

BIVALENZPUNKT

Wärmepumpen werden auf regional typische Tempera-

turbereiche (in Deutschland ca. -5 °C bis 5 °C Außen-

temperatur) ausgelegt. In diesem Bereich arbeiten sie

sehr effizient. An besonders kalten Wintertagen reicht die

Heizleistung dann jedoch nicht mehr aus. Die Außen-

temperatur, an dem die maximale Heizleistung der

Wärmepumpe erreicht wird, ist der sogenannte Bivalenz-

punkt. Unterhalb dieses Bivalenzpunktes muss ein zu-

sätzliches Heizsystem die restliche Heizlast decken. Oft

werden elektrische Heizstäbe, ein Kamin oder Heizkessel

genutzt.

17

2.3 Resilienz

Wärmepumpen erzeugen Wärme (und ggf. Kälte) für

vergleichsweise träge Anwendungen. Durch

Ausnutzung dieser Trägheit können Lasten zeitlich

verschoben werden. Einerseits können die Wärme-

pumpen ausgeschaltet werden, wenn zu einem

späteren Zeitpunkt mehr Erneuerbare im Netz

erwartet werden oder sie können eingeschaltet

werden, wenn dadurch das Zuschalten fossiler

Kraftwerke reduziert wird. Die Stabilität des Netzes

wird durch diesen Freiheitsgrad erhöht. Die

Ansteuerung erfolgt durch den Netzbetreiber.

Entsprechende Standards zur Ansteuerung der

Wärmepumpen sind entwickelt und bei einem Großteil

der Wärmepumpen implementiert. Netzdienliche

Wärmepumpen werden mit dem SG-Ready oder mit

VHPready oder EEBUS Label gekennzeichnet.

2.4 Wirtschaftlichkeit

Die Investitionskosten werden stark von den Erschlie-

ßungskosten der Quelle bestimmt: am teuersten sind

Erdsonden und Erdkollektoren, Luft ist am günstigsten

zu erschließen. Die Investitionskosten von Wärme-

pumpen sind höher als bei Erdgas-Kesseln (Brennwert-

Geräte) jedoch geringer als vergleichbare erneuerbare

Technologien. Im Neubau sind Luft-Wasser-Wärme-

pumpen mittlerweile die meistverbreitete Heiztech-

nologie.

Die Betriebskosten werden von der Effizienz bestimmt

und sind somit von den Temperaturniveaus von Quelle

und Senke beeinflusst. Wärmepumpen mit Erdsonden,

Erdkollektoren und Grundwasser weisen niedrigere

Betriebskosten auf, weil sie deutlich effizienter sind als

Wärmepumpen, die mit Luft als Wärmequelle arbeiten.

Eine detaillierte Planung, ordnungsgemäße Bau-

ausführung und ein nachgeliefertes Monitoring ist für

den effizienten Anlagenbetrieb wesentlich (Miara &

Günther, 2019). Der Planungsaufwand für die Anlagen-

technik unter üblichen Einsatzbedingungen ist mittler-

weile als gering einzustufen, weil die Planung software-

gestützt erfolgt. Auch der Wartungsbedarf der Anlagen-

technik ist als gering einzuschätzen, denn gegenüber

den Verbrennungstechnologien entfällt die regel-

mäßige Prüfung des Abgasstrangs.

Die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpen ist damit von

der Wärmepumpeneffizienz und der Quellenart

abhängig. Sie ist in einer detaillierten Planung zu

ermitteln. Nachteilig für den breiten Einsatz ist in

Deutschland aktuell der sehr hohe Preisunterschied

zwischen Erdgas und Strom. Bei einem Verhältnis der

Preise von 1:4 (5,5 ct/kWh für Gas zu 22 ct/kWh für

Strom im WP-Tarif) kann ein wirtschaftlicher Betrieb

Investitionskosten:

Betriebskosten:

Wartungskosten:

unterdurchschnittlich durchschnittlich überdurchschnittlich

SMART-GRID READY LABEL

Das Label kennzeichnet Wärmepumpen, die das Strom-

netz unterstützen können. Durch den Netzbetreiber

können vier Betriebszustände angesteuert werden:

1. Normalbetrieb mit Speicherladung,

2. optional verstärkter Betrieb,

3. verstärkter Betrieb und

4. Sperrbetrieb (max. 2 Stunden).

Mit Betriebszustand 2 und 3 können erneuerbare Strom-

überschüsse durch Lastanhebung genutzt werden, d.h.

erneuerbare Energien müssen nicht abgeregelt werden.

Betriebszustand 4 dient dazu die Last im Netz zu senken

und den Verbrauch fossiler Energieträger zu reduzieren.

Das Label wurde vom Bundesverband Wärmepumpe

(BWP) im Jahr 2013 in Deutschland eingeführt. Mittler-

weile sind über 1.100 Wärmepumpenmodelle von über 40 Herstellern vertreten.

18

erst mit einer Wärmepumpe mit einer Leistungszahl

größer 4 erreicht werden.

2.4.1 Gesetzgebung, Regulierung und Förder-

instrumente in Deutschland

Ein wichtiges Förderinstrument für den Markt der

Wärmepumpen ist momentan das Marktanreiz-

programm (MAP) der Bundesregierung. Das Förderp-

rogramm unterstützt damit die Reduzierung des

Investitionsunterschieds zwischen fossilen Wärme-

erzeugern und der Wärmepumpentechnologie. Die

Förderung ist an Mindestanforderungen zur Effizienz

geknüpft, die abhängig von der Wärmequelle definiert

sind. In gewissen Abständen werden diese Mindest-

anforderungen angepasst. U. a. sind für das Monitoring

ein Stromzähler und mind. ein Wärmemengenzähler

einzubauen. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) muss

rechnerisch anhand der VDI-Norm VDI 4650-1,

nachgewiesen werden und sollte mind. 3,8 betragen

(Luft-Wasser-Wärmepumpen liegen bei 3,5). Die

Heizkreise müssen hydraulisch abgeglichen und die

Heizkurve adäquat eingestellt sein.

2.5 Übertragbarkeit

Die Voraussetzungen für die Übertragung von

Wärmepumpen in den türkischen Raum werden als

sehr gut eingeschätzt. Von Vorteil für den Einsatz von

reversiblen Wärmepumpen ist der im Vergleich zu

Deutschland höhere Kältebedarf. Hier besteht eine

Vergleichbarkeit zu Luft-Luft-Klimageräten (Split-

Modulen), welche bereits eine hohe Verbreitung und

eine Heizfunktion aufweisen. Die Einschränkungen

beziehen sich eher auf die Heiztemperaturen, die in

der Türkei tendenziell geringer ausfallen.

2.6 Beispielanwendungen

2.6.1 Freibad Kiebitzberge

Im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative wurde

im Freibad Kiebitzberge südlich von Berlin eine

Wärmepumpenanlage errichtet. Im Umland von Berlin

sind sehr viele Einfamilienhäuser mit 25-30 Jahre alter

Heiztechnik vorhanden, bei denen eine Umrüstung

ansteht. Die Anlage ist mit einer Nennleistung von 7 kW

vergleichbar in einem größeren Einfamilienhaus

einsetzbar. Ziel des Projektes ist es, die Anlagen-

technik einem größeren Publikum nahezubringen und

für das Thema nachhaltiges Heizen zu sensibilisieren.

Mehrmals im Jahr werden dafür Führungen mit vielen

interessierten Teilnehmer*innen durchgeführt. Die

Anlagentechnik ist als offener „Showroom“ jederzeit

von den Gästen der Freizeitstätte einsehbar und wird

von den Besucher*innen sehr positiv angenommen.

Das Besondere an der Anlagentechnik ist die Integra-

tion eines kleinen Eisspeichers und von Solarkollek-

toren als Wärmequelle. Sie können einerseits wie

herkömmliche Modelle Solarwärme über einen

Absorber aufnehmen, aber andererseits auch mit

Außenluft durchströmt werden und diese als Wärme-

quelle nutzen. Auch Hybridkollektoren, die Photovol-

taik und Solarthermie vereinen, sogenannte PVT-

Kollektoren, könnten genutzt werden. Diese Techno-

logie würde es zusätzlich ermöglichen Strom bereitzu-

stellen. Bei hoher Einstrahlung wird die Wärme direkt

in den Pufferspeicher geleitet und für Heizung und

Trinkwarmwasserbereitung genutzt und der Strom

kann zum Betrieb der Anlagen oder im Gebäude

genutzt werden oder ins öffentliche Netz eingespeist

werden. Bei geringerer Einstrahlung kann die solare

Wärme immer noch als Energiequelle der Wärme-

pumpe genutzt werden. Ist keine solare Einstrahlung

vorhanden, dann wird der Luftstrom als Wärmequelle

genutzt. Ab Außentemperaturen unter dem

HERSTELLER

In Deutschland werden Wärmepumpen von allen

großen Herstellern im Heizungsmarkt angeboten. Eine

Übersicht über Hersteller findet sich beim

Bundesverband Wärmepumpe:

www.waermepumpe.de/verband/unsere-mitglieder

(Stand 12.03.2020)

Die Hersteller haben meist sowohl Luft-Wasser-,

Wasser-Wasser- und Sole-Wasser-WP im Sortiment. Zu

den großen Herstellern zählen u. a. Stiebel Eltron,

Viessmann und Bosch Thermotechnik.

VORTEILHAFTE

ANWENDUNGSGEBIETE

Im Neubau und im sanierten Bestand ist die Nutzung von

Wärmepumpen von Vorteil. Als dezentrale Technologie

ist sie für Ein- und Mehrfamilienhäuser gedacht. Größere

Wärmepumpen können auch in Nichtwohngebäuden und

Quartieren eingesetzt werden (siehe Steckbrief „Heizen

mit Ab- und Umweltwärme“). Für eine nachhaltige

Wirkung ist jedoch ein auf erneuerbaren Kraftwerken

beruhendes Stromnetz erforderlich.

http://www.waermepumpe.de/verband/unsere-mitglieder

19

Gefrierpunkt dient der Eisspeicher als Wärmequelle

und stellt die Energie durch das gefrierende Eis bereit.

Diese Technologie hat gegenüber herkömmlichen Sole-

Wasser-Wärme-pumpen den finanziellen Vorteil, dass

der hohe bauliche Aufwand für Erdkollektoren und

Erdsonden nicht anfällt. Der Vorteil gegenüber Luft-

Wasser-Wärmepumpen ist die höhere Effizienz und

Geräuschlosigkeit.

2.6.2 Weitere Beispiele

Europaweit sind mittlerweile sehr viele Wärmepum-

penanlagen in sehr vielen unterschiedlichen Leistungs-

klassen und Objekttypen installiert. Eine umfassende

Datenbank mit Praxisbeispielen ist beim Bundes-

verband Wärmepumpe e. V. verfügbar:

www.waermepumpe.de/presse/referenzobjekte/bwp-

datenbank

Abbildung 8 Heizzentrale mit Wärmepumpe und Pufferspeicher (rechts) und Hybridkollektoren an der Gebäude-fassade

(links) im Freibadkomplex Kiebitzberge (© Oliver Buchin)

2.7 Bewertungsmatrix

Tabelle 1 Bewertungsmatrix zum „Heizen mit gebäudenaher Umweltwärme“

A B C D

Nachhaltigkeit

CO2-Neutralität

(4/4)

Treibhausgase

(2/4)

Systemunabhängigkeit

(1/4)

Umweltverträglichkeit

(4/4)

Resilienz

Netzdienlichkeit

(4/4)

Netzunabhängigkeit

(0/4)

Einspeisung

(1/4)

Robustheit

(3/4)

Regionalität

Schadstoffreduktion

(4/4)

Akzeptanz

(3/4)

Wertschöpfung

(3/4)

Erzeugung

(3/4)

Wirtschaftlichkeit

Unabhängigkeit

(3/4)

Zukunftsfähigkeit

(4/4)

Investitionssicherheit

(4/4)

Nutzwert

(4/4)

Übertragbarkeit

Marktreife

(4/4)

Einsetzbarkeit

(3/4)

Herstellung

(4/4)

Geografie

(3/4)

http://www.waermepumpe.de/presse/referenzobjekte/bwp-datenbankhttp://www.waermepumpe.de/presse/referenzobjekte/bwp-datenbank

20

3 Steckbrief Heizen mit Ab- und Umweltwärme Das Heizen mit Nah- und Fernwärmenetzen ermöglicht es, Ab- und Umweltwärme aufzuwerten

und zentral einzubinden. Insbesondere Großwärmepumpen sind dafür geeignet. Hierbei können

Temperaturen bis ca. 95 °C erreicht werden. Als Großwärmepumpen werden üblicherweise

Wärmepumpen in einem Leistungsbereich von 100 kWth bis über 1.000 kWth bezeichnet. Noch

größere Wärmepumpen sind selten, es sind jedoch bereits Anlagen bis zu 45 MWth gebaut. Die

zurzeit existierenden Systeme zum Heizen von Quartieren bzw. Stadtvierteln liegen in der

Größenordnung von mind. 500 kWth (Bundesverband Wärmepumpe e. V., 2017).

Abbildung 9 Großwärmepumpe in Berlin-Lichtenberg (©

Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e. V.)

Abbildung 10 Gesamtbewertung für das Konzept

„Heizen mit Abwärme und Umweltwärme“

3.1 Funktionsweise

In der Industrie und in Kraftwerken liegen sehr oft

Abwärmeströme auf einem niedrigen Temperatur-

niveau vor, die an die Umwelt abgegeben werden.

Wärmepumpen können diese Energiemengen

aufwerten, um sie auf einem höheren Temperatur-

niveau zum Heizen zur Verfügung zu stellen. Als Groß-

wärmepumpen werden sie nach einem vergleichbaren

thermodynamischen Prinzip wie die gebäudenahe

Wärmepumpe betrieben: Ein Kältemittel nimmt die

Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau auf und

gibt diese nach einer Druckerhöhung bei höherer

Temperatur ab. Auch Umweltwärme kann erschlos-

sen werden. Typische Quellen für Umweltwärme, die

im größeren Maßstab genutzt werden können, sind

Flüsse und größere Seen oder Erdpfähle. Höhere

Temperaturen dieser Medien sind dabei als besser zu

bewerten, da mit ihnen die Effizienz der Wärme-

pumpen steigt.

3.1.1 Der interne Kreisprozess von

Wärmepumpen

Der Kreisprozess hat vier Komponenten und arbeitet

auf zwei Druckniveaus. Das interne Arbeitsmittel wird

bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck ver-

dampft. Anschließend wird der Dampf mittels eines

elektrisch angetriebenen Verdichters auf ein höheres

Druckniveau gebracht. Durch den hohen Druck im

Kondensator liegt ein höheres Temperaturniveau vor.

Im Kondensator wird der Dampf verflüssigt. Die bei der

Kondensation freiwerdende Wärme wird in einem

Wärmeübertrager auf das Transportmittel (Heizwasser)

übertragen. Durch eine Drossel wird das flüssige

Kältemittel wieder auf das niedrige Druckniveau

gebracht und kann bei geringen Temperaturen erneut

verdampft werden. Wärmepumpen können mit

unterschiedlichen Verdichtern gebaut werden. Bei

kleinen Wärmepumpen kommen typischer Weise

Scrollverdichter zur Anwendung während Großwärme-

pumpen Kolben- oder Turbokompressoren verwenden.

Dies sind Bauteile, welche von spezialisierten Firmen

(z. B. Bitzer, Bock) hergestellt werden.

21

Abbildung 11 Vereinfachte Darstellung der Energieflüsse bei der Großwärmepumpe

3.1.2 Regelung von Wärmepumpensystemen

Die Verdichter werden zur Leistungsanpassung

innerhalb einer minimalen und maximalen Drehzahl

variiert, d. h. sie werden modulierend betrieben.

Wärmepumpen können keine thermische Leistung

unterhalb des Modulationsbereiches bereitstellen.

Daher werden üblicherweise Wärmespeicher zur

Einbindung der Wärmepumpe in ein Wärmesystem

genutzt. Leistet die Wärmepumpe nur einen geringen

Beitrag zur gesamten Wärmeversorgung im Wärme-

netz, kann auf einen Pufferspeicher verzichtet werden.

In diesem Fall wird die benötigte Wärme durch eine

Regelung des primären Versorgungsaggregats

gesteuert. Bei Großwärmepumpen und Wärme-

pumpensystemen, bei denen mehrere Anlagen

zusammengeschaltet werden, kann das Netz als

Speicher dienen. Sind die Leistungsanforderungen des

Systems unterhalb der Modulationsgrenze, kann die

Wärmepumpe innerhalb eines effizienten Modulations-

bereichs arbeiten. In diesem Zeitraum wird der

Wärmespeicher (oder das Wärmenetz) durch

Erwärmung geladen. Ab einer bestimmten

Grenztemperatur wird die Wärmeenergie über die

Abkühlung der Speicher bereitgestellt.

Moderne Regelstrategien berücksichtigen voraus-

schauend (prädiktiv) die Laständerungen des Netzes,

indem z. B. Vorhersagen für Witterungs- und Nutzungs-

einflüsse berücksichtigt werden. Weiterhin können sie

auch Lastschwankungen im Stromnetz durch negative

Regelenergie ausgleichen.

3.1.3 Weitere Systemkomponenten

Weitere Netzkomponenten sind die Versorgungspum-

pen, die z. T. einen nicht unerheblichen Stromaufwand

verursachen. Zur Übergabe der Wärme in die versorg-

ten Objekte sind Übergabestationen vorzusehen. Diese

ermöglichen eine separate Regelung der nachgelager-

ten Heizkreise und sind zu Abrechnungszwecken (und

ggf. für ein Monitoring) mit einem Wärmemengen-

zähler ausgestattet.

3.1.4 Betriebsgrenzen

Interne Betriebsgrenzen der Wärmepumpen sind

durch das Arbeitsmittel gegeben. Dabei sind

verschiedene Eigenschaften des Arbeitsmittels zu

berücksichtigen. Das erreichbare Temperaturniveau

für den Vorlauf ist von der Siedetemperatur des

Arbeitsmittels und damit auch vom Druckniveau

abhängig.

Typische

Temperaturniveaus

Heizwasser 60 bis 95 °C

Quelltemperatur -5 bis 25 °C

Tabelle 2 Typische Temperaturniveaus von

Wärmepumpen

Ein häufig angewendetes Kältemittel ist R410a. Es ist

eine Mischung aus 50 Prozent R-32 (Difluormethan)

und 50 Prozent R125 (Pentafluorethan). Aufgrund des

hohen Dampfdruckes hat das Kältemittel eine hohe

volumetrische Leistung, womit die Komponenten

kleiner gebaut werden können. Die Verflüssigungs-

temperatur kann bis zu 50 °C erreichen. Sollen höhere

Temperaturen erreicht werden, wird häufig eine

Kombination mit dem Kältemittel R134a verwendet.

LEISTUNGSZAHL VON

WÄRMEPUMPEN

Um die Effektivität von Wärmepumpen zu beschreiben

ist die Leistungszahl, auch Coefficient of Performance

(COP), definiert. Diese beschreibt den Quotienten aus

Nutzen und Aufwand. Der Aufwand ist üblicherweise die

Antriebsenergie für den Elektromotor des Kompressors. Die Nutzleistung der Wärmepumpe wird am Konden-

sator abgenommen und als Heizleistung bezeichnet.

22

R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan) ist ein Fluorkohlen-

wasserstoff. Bei einem Druck von ca. 21 bar liegt die

Siedetemperatur bei 70 °C. Damit ist das Kältemittel für

die Anwendung in Hochtemperaturwärmepumpen

geeignet. Die Verdampfungsenthalpie ist in diesem

Zustand mit 120 kJ/kg gering.

Ammoniak (R717) wird aufgrund der guten thermo-

dynamischen Eigenschaften seit mehr als 100 Jahren

als Kältemittel genutzt. Es hat eine hohe Verdamp-

fungsenthalpie (ca. 1.200 kJ/kg bei 0 °C) und einen

guten Wärmeübergang. Bei einem Druck von ca. 56 bar

liegt die Siedetemperatur bei 95 °C.

3.1.5 Alternative Verfahren

Der Betrieb eines Niedertemperaturnetzes ist ebenfalls

auf dem Temperaturniveau des Abwärmestroms und

die Einbindung von Solarthermie möglich. Positive

Beispiele für die Einbindung von Solarthermie gibt es in

Dänemark, aber auch in Deutschland, z. B. in München.

Mit dezentralen Wärmepumpen kann dabei eine

gebäudeintegrierte Wärmeerzeugung (siehe Steckbrief

„Heizen mit gebäudenaher Umweltwärme“) erfolgen.

Bei lockeren Siedlungsstrukturen kann dieses Konzept

aufgrund der geringeren Netzverluste vorteilhaft sein.

Wärmepumpen können auch mit Wärme angetrieben

werden. Statt eines mechanischen Kompressors wird

dann ein Arbeitsstoffpaar, bestehend aus Kälte- und

Arbeitsmittel, genutzt. Bei Ammoniak-Wasser-Anlagen

ist Ammoniak das Kältemittel und Ammoniak-Wasser

das Arbeitsmittel. Auf niedrigem Druckniveau ab-

sorbiert Ammoniak-Wasser den Ammoniakdampf,

welcher auf hohem Druckniveau durch Zufuhr von

Wärme ausgetrieben wird.

In industriellen Prozessen kann Abwärme zum Teil

auch wieder in den Prozess integriert werden. Wärme-

transformatoren arbeiten mit Abwärme und einem

Kühlstrom, um Wärme in den Prozess zurückzuführen.

Das Ziel ist es z. B. Abwärme von unter 130 °C wieder

nutzbar zu machen. Dazu wird ein zusätzlicher Kühl-

strom genutzt, um das Kältemittel zu kondensieren

und es anschließend mit einem Teil der Abwärme zu

verdampfen. Dieser Anteil (maximal 50 Prozent) kann

auf ein höheres Temperaturniveau „transformiert“

werden (Cudok, Ziegler, & Kononenko, 2013).

3.2 Nachhaltigkeit

Elektrisch betriebene Großwärmepumpen sind

bezüglich ihrer Nachhaltigkeit abhängig vom Anteil

erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung. Ist

eine Stromversorgung aus ausschließlich regenerativen

Quellen möglich, kann eine CO2-freie Wärmeversor-

gung gewährleistet werden. Der Einsatz von Groß-

wärmepumpen ist daher unter zwei Einsatzszenarien

relevant: Bei neugebauten nachhaltigen Konzepten

kann direkt ein großer Anteil Umweltwärme genutzt

werden. Fossile Versorgungstechnologien, z. B.

Gaskessel oder Blockheizkraftwerke, müssen nicht

gebaut werden. Bei bestehenden, mit fossiler Wärme

gespeisten Netzen kann der fossile Anteil reduziert

werden. Großwärmepumpen können einen Beitrag

leisten, diese Wärmenetze erneuerbar zu betreiben.

Sie können die Wärmeversorgung aufrechterhalten,

wenn fossile Kraftwerksleistung z. B. durch erneuer-

baren Stromüberschuss reduziert werden muss.

Gleichzeitig wird der Gesamtausstoß des Systems an

CO2 reduziert. Abhängig von der Wärmequelle muss

der Strombedarf für Förderpumpen in die Gesamt-

bilanz miteinbezogenen werden. Zu diesem Zweck

kann z. B. eine JAZ für das gesamte System und nur für

die Wärmepumpe definiert werden.

Aus den Anlagen entweichendes Arbeitsmittel kann

schädlich für die Umwelt sein. Sehr hohes Treibhaus-

potential haben F-Gase. Das häufig verwendete

Tetrafluorethan (R134a) hat ein mehr als 1.000-fach

höheres Treibhauspotential als CO2. Natürliche

Kältemittel, deren Treibhauspotential vernachlässigbar

klein ist, sind bereits im Einsatz. Sie erfordern eine

technologisch anspruchsvolle Umsetzung, um

Nachteile auszugleichen (Ammoniak ist giftig;

Kohlenwasserstoffe brennbar; CO2 nur unter hohem

Druck verwendbar). Jedoch ist gerade der zentrale

Anlagenbau geeignet, um mit diesen komplexeren

Anlagen umzugehen.

23

3.3 Resilienz

Elektrische Lastspitzen können durch den Einsatz von

Wärmepumpen abgefangen werden, wenn für eine

Übergangszeit Pufferspeicher vorgesehen werden.

Zusätzlich kann das Abregeln erneuerbarer Kraftwerke

verhindert werden, wenn ein Stromüberschuss als

Wärme gespeichert werden kann. Die thermische

Trägheit von Netz, Gebäuden und ggf. Speichern

ermöglicht es die Wärmepumpen netzdienlich zu

betreiben.

Großwärmepumpen können auch als Grundlast-

Wärmeerzeuger in Nahwärmenetze einspeisen, um

Quartiere zu versorgen. In diesem Fall sind diese

Wärmenetze als autark zu betrachten, eine Einspeisung

in Fernwärmenetze findet nicht statt.

Größere Wärmepumpensysteme, wie sie in den

folgenden Beispielen genannt werden, müssen in

Bezug auf die Netzabhängigkeit im Einzelfall betrachtet

werden, da diese Systeme in den bisherigen Projekten

jeweils individuell geplant worden sind.

3.4 Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit von Großwärmepumpensys-

temen ist von verschiedenen Randbedingungen

abhängig. Die Stromgestehungskosten sind primär

für die Betriebskosten zu bewerten. Die Investitions-

kosten variieren mit dem Aufwand zur Erschließung

der verwendeten Quelle. Wird eine Quartierslösung

angestrebt, muss das Verlegen der Wärmenetze sowie

die Installation von Hausanschlüssen berücksichtigt

werden. Wärmepumpensysteme bringen Flexibilitäts-

optionen bei der Produktion von erneuerbarem Strom.

So können eventuell weniger effektive Wärmeproduk-

tionssysteme abgeschaltet werden. Bei Anschluss an

bestehende Abwärmeströme ist von geringen Betriebs-

kosten auszugehen.

3.4.1 Gesetzgebung, Regulierung und

Förderinstrumente in Deutschland

Das BAFA fördert seit 2017 mit dem Programm

„Wärmenetzsysteme 4.0“ Wärmepumpen und

Wärmenetze. Die Systeme sollen sich durch einen

hohen Anteil erneuerbarer Energien, die Nutzung von

Abwärme und geringere Netztemperaturen von

üblichen Wärmenetzsystemen unterscheiden. Geför-

dert werden zunächst Machbarkeitsstudien mit bis zu

60 Prozent der förderfähigen Kosten (Fördermodul I)

sowie in einem zweiten Schritt die Realisierung eines

Wärmenetzsystems 4.0 mit bis zu 50 Prozent der

förderfähigen Vorhabenkosten (Fördermodul II). Die

Höhe der Förderung beträgt dabei bis zu 600.000 Euro

für Machbarkeitsstudien und bis zu 15 Mio. Euro für

die Realisierung eines Wärmenetzsystems 4.0.

3.5 Übertragbarkeit

In der Türkei sind viele Großkraftwerke vorhanden.

Eine Nutzung der Abwärme durch Wärmenetze ist

jedoch nur in Gebieten mit hohem Heizwärmebedarf

sinnvoll. In Gegenden mit geringen Wärmebedarf sind

Wärmenetze und damit auch Großwärmepumpen eher

nicht vorteilhaft.

Investitionskosten:

Betriebskosten:

Wartungskosten:

unterdurchschnittlich durchschnittlich überdurchschnittlich

HERSTELLER

Viessmann, Ochsner (alle Deutschland)

CTA-AG (Schweiz), Heliotherm (Österreich)

24

3.6 Beispielanwendungen

3.6.1 Großwärmepumpe Wien Simmering

Als Wärmequelle wird bei der Großwärmepumpe in

Simmering das Kühlwasser der Kraftwerksanlagen

genutzt, in welche die nicht mehr nutzbare Wärme aus

den Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen abgeleitet wird.

Zusätzlich kann auch die Umgebungswärme des in

unmittelbarer Nähe liegenden Donaukanals als

Wärmequelle verwendet werden.

Die Großwärmepumpe besteht aus zwei baugleichen

Wärmepumpen mit jeweils einem in sich geschlos-

senen Kältemittelkreislauf. Dieses Kältemittel nimmt

die Abwärme über einen Wärmetauscher auf und wird

durch einen mit Strom betriebenen Kompressor

verdichtet und erwärmt. Schließlich wird das Kälte-

mittel wieder verflüssigt und die dabei entstehende

Abwärme an das Fernwärmewasser abgegeben.

Der Modulationsbereich für die thermische Leistung

liegt zwischen 27,2 und 40 MW. Die Investitionssumme

lag in einer Größenordnung von 15 Mio. Euro. Die

Wiener Stadtwerke geben die Reduktion von CO2 durch

die Großwärmepumpe in diesem Energiewandlungs-

system mit ca. 40.000 t jährlich an. Über eine

Lebensdauer von 25 Jahre kalkuliert, beläuft sich die

Investition damit auf 15 Euro je vermiedener Tonne

CO2. Insgesamt werden ca. 25.000 Haushalte mittels

der Wärmepumpe versorgt.

Abbildung 12 Komponenten der Großwärmepumpe in der

Kraftwerksanlage Wien Simmering (© Wien Energie /

Zinner)

VORTEILHAFTE

ANWENDUNGSGEBIETE

Großwärmepumpen in hohen Leistungsbreichen werden

bei vorteilhaften Bedingungen auf der Quellseite, der

Nutzenseite und der Antriebsseite eingesetzt. Auf der

Quellseite muss ein Reservoir vorhanden sein, z. B. ein Fluss, großer See oder Erdwärme. Auf der Nutzenseite ist

eine konstante Grundlast von Vorteil. Diese kann z. B. auch im Sommer in Siedlungsgebieten mit industrieller

Nutzung (z. B. mit Trocknungsprozessen) oder Schwimm-bädern der Fall sein. Die Reduktion von CO2-Emissionen

verringert sich deutlich bei der Verwendung von regene-

rativen Stromquellen. Idealer Weise fallen diese konstant

an, wie bei Wasser- oder Pumpspeicherkraftwerken.

INTELLIGENTES VERTEILSYSTEM FÜR

OPTIMALEN FERNWÄRMEEINSATZ

Die in der hochkomplexen Anlage verbaute Technik

ermöglicht, dass Wärme bereits aus sehr geringen

Temperaturen gewonnen werden kann. Ab Temperaturen

von 6 °C kann mit Hilfe der Wärmepumpe Wärme von

95 °C erzeugt werden. Weil auch das für die Wiener

Fernwärme-Hauptleitungen (durchschnittlich 100 bis

150 °C) noch eine eher geringe Temperatur ist, sorgt ein

intelligentes Verteilsystem dafür, dass das Wasser

optimal im Fernwärmenetz genutzt werden kann und

dort eingesetzt wird, wo die erforderlichen Temperaturen

niedriger sind. (Wien Energie)

25

3.6.2 Weitere Beispiele

Drammen, Norwegen, Drammen Fjernvarme KS,

installierte Leistung: 45 MW

Dollnstein, Bayern, Kommunalunternehmen Energie

Dollstein AdÖR, installierte Leistung: 1 MW

Frankfurt am Main, Hessen, Quartier am Henninger

Turm GmbH & Co. KG, installierte Leistung: 1,4 MW

3.7 Bewertungsmatrix

Tabelle 3 Bewertungsmatrix zum „Heizen mit Abwärme und Umweltwärme“

A B C D

Nachhaltigkeit

CO2-Neutralität

(3/4)

Treibhausgase

(3/4)

Systemunabhängigkeit

(2/4)

Umweltverträglichkeit

(4/4)

Resilienz

Netzdienlichkeit

(4/4)

Netzunabhängigkeit

(2/4)

Einspeisung

(4/4)

Robustheit

(4/4)

Regionalität

Schadstoffreduktion

(4/4)

Akzeptanz

(4/4)

Wertschöpfung

(3/4)

Erzeugung

(4/4)

Wirtschaftlichkeit

Unabhängigkeit

(2/4)

Zukunftsfähigkeit

(3/4)

Investitionssicherheit

(3/4)

Nutzwert

(3/4)

Übertragbarkeit

Marktreife

(3/4)

Einsetzbarkeit

(3/4)

Herstellung

(1/4)

Geografie

(2/4)

26

4 Steckbrief Heizen mit Biomasse und Solarthermie Für die Wärmewende in dörflichen Siedlungsstrukturen sind Lösungen auf Basis von Biomasse

möglich. In der Kombination mit großen Solarthermieanlagen kann der Substratbedarf (z. B. Holz)

insbesondere in den Sommermonaten reduziert werden. Notwendig werden bei großen Anlagen

Nahwärmenetze. Biomasse lässt sich auch gebäudeintegriert mit Biomassekesseln, z. B. Hack-

schnitzelkesseln, zum Heizen nutzen. Bei großen Leistungen können auch Heizkraftwerke errich-

tet werden. Grundsätzlich lässt sich diese Strategie auch in anderen Siedlungsräumen realisieren,

nur muss dann die Biomasse dorthin transportiert werden.

Abbildung 13 Hackschnitzel-Verbrennung (Hintergrund) und Hackschnitzel Lager (Vordergrund)

Abbildung 14 Gesamtbewertung für das Konzept „Heizen

mit Biomasse und Solarthermie“

4.1 Funktionsweise

Die Wärmeversorgung wird mittels zweier

Erzeugerkomponenten realisiert. Die Heizlast wird im

Wesentlichen durch die Verbrennung von Hack-

schnitzeln oder anderen festen Biomassen in einem

Feststoffkessel gedeckt. Die wetterabhängige,

solarthermische Wärmeeinspeisung wird zur Deckung

der Grundlast in den Sommermonaten verwendet.

Zusätzlich können Wärmeüberschüsse in Agrar-

betrieben genutzt werden, z. B. in Mastbetrieben.

4.1.1 Biomasse

Unter Biomasse werden Stoffe organischer Herkunft, in

der Natur lebende oder wachsende Materie und

Abfallstoffe von lebenden und toten Lebewesen

verstanden. Fossile Energieträger, die durch Umwand-

lungsprozesse auch aus Biomasse entstanden sind,

werden im Allgemeinen nicht als Biomasse bezeichnet

(Quaschning, 2019).

Für die energetische Nutzung wird Biomasse meistens

aufbereitet. Typischerweise werden Energiepflanzen

(Forstwirtschaft, Mais) zu Biogas, Brennholz, Hack-

schnitzeln und/oder Pellets verarbeitet. Diese Biomas-

seenergieträger können, vergleichbar zu fossilen

Primärenergieträgern, in thermische und in Kraft-

werken in elektrische Energie und schlussendlich auch

mittels Motoren in kinetische Energie gewandelt

werden.

27

Abbildung 15 Vereinfachte Darstellung der Energieflüsse beim Heizen mit Biomasse und Solarthermie

Zur Nutzung von Holz als Biomasse werden Bäume in

Holzscheite oder Hackschnitzel verarbeitet. Scheit-

hölzer sind gespaltenene Holzstämme in definierter

Länge. Scheitholzkessel können voll- oder halbauto-

matisch bestückt werden. Bei Halbautomatik sind die

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