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Samstag, 17. Februar 2018

Heizung

„Die Installation ist entscheidend“

Von Fabian Kurmann | 25. Januar 2018 | Ausgabe 04

Bei Marek Miara vom Fraunhofer ISE laufen die Fäden zur Forschung bei Wärmepumpen zusammen. Die Installation ist immer noch ein Sorgenkind.

+ Interview BU
Foto: Marek Miara

Marek Miara meint, dass durch verbesserte Installationen aktuell deutlich mehr Effizienzgewinne möglich sind als durch die Anlagenentwicklung.

VDI nachrichten: Die Energiewende steht bevor und Wärmepumpen gelten als einer der Faktoren, um sie zu bewältigen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, ISE, forscht an verschiedenen Aspekten – sei es Material- und Komponentenentwicklung oder Ansätze auf Ebene des Energiesystems in Deutschland. Wo gibt es bei der Wärmepumpe Entwicklungspotenzial?

Miara: Bei der Materialentwicklung für Gaswärmepumpen versuchen wir die Sorptionseigenschaften zu verbessern und entwickeln dafür neue Adsorbentien. Hier geht es um die thermophysikalischen Eigenschaften der Materialien sowie deren Einbringung in Wärmeübertrager, um Wärme- und Stofftransport zu optimieren. Bei der Komponentenentwicklung forschen wir an einzelnen Elementen im Kältekreis, wie dem Verdampfer oder dem Kältemittelverteiler. Und wir entwickeln neue Komponenten, etwa um die Menge des Kältemittels im System zu reduzieren.

Marek Miara

… weil Kältemittel teuer ist?

Das ist ein Aspekt, der Hauptgrund ist aber, dass wir daran glauben, dass natürliche Kältemittel wie CO2, Propan oder Propen in Zukunft eine wichtige Rolle spielen, weil sie geringeres Treibhauspotenzial besitzen. R290 – oder auch Propan – besitzt weniger als ein Tausendstel an Klimawirksamkeit als das heute noch weit verbreitete R404A.

Propan ist aber brennbar. Damit würde das Gefahrenpotenzial von Wärmepumpen steigen.

Nicht in kritischem Maß, wenn wir etwa Sicherheitsmechanismen entwickeln. Unsere Laborausrüstung ist bereits auf brennbare Kältemittel ausgelegt. Wir erforschen, wie man die Menge von Propan im Kreislauf reduzieren kann, damit das System besser handhabbar wird. Neue Komponenten könnten sogar das gesamte Kältemittel aus dem Kreislauf nehmen und kapseln, sobald Verdacht auf ein Leck besteht.

Mehr Komponenten bedeuten aber auch mehr Kosten.

Sicher, es kommt eben darauf an, welche Prioritäten man setzt.

Welche Prioritäten sehen Sie auf dem Vormarsch?

Umweltaspekte werden immer wichtiger.

Und die Effizienz?

Propan ist ein sehr gutes Kältemittel, auch von der Effizienz her.

Welche Effizienz können aktuelle Geräte denn erreichen?

Im Feld laufen die besten Wärmepumpenanlagen mit Jahresarbeitszahlen (JAZ) von fünf und höher. Es wird im Jahr also fünfmal mehr Wärme bereitgestellt, als Strom verbraucht wird. Das sind Erdwärmesysteme. Für Luftwärmepumpen sind JAZ von über vier realisierbar, so wie bei mir zu Hause. Die Systeme in unseren Studien kümmern sich dabei immer sowohl um Warmwasser als auch um Heizung.

Technisch ist es also kein Problem, hocheffiziente Wärmepumpen zu bauen, aber die sind teuer.

Das ist die Herausforderung. Wir versuchen neue Entwicklungen aus den Top-Produkten günstiger zu machen, denn das langfristige Ziel muss sein, die Effizienz im Schnitt über alle Geräteklassen nach oben zu treiben.

Wie ist hier der aktuelle Stand?

Unsere Feldtests zeigen, dass sich die Effizienz in den vergangenen Jahren nach oben bewegt hat. In einer Studie konnten wir 2017 nachweisen, dass Wärmepumpen im Schnitt um gut 15 % effizienter sind als bei unserer Vergleichsstudie vor zehn Jahren.

Welche Ansätze gibt es, um Spitzentechnologie für Wärmepumpen günstiger zu machen?

Indem man Materialien und Produkte entwickelt, die auch für andere, ähnliche Märkte interessant sind. Beispiele wären hier Kühlschränke oder Kältetechnik für Klimaanlagen. Die Stückzahlen sind dort wesentlich größer als bei den Wärmepumpen mit rund 70 000 Geräten pro Jahr.

Das ist für diese Zulieferer zu wenig, um überhaupt einzusteigen. Dort gibt es hochstandardisierte Produkte, die millionenfach produziert werden, was den Einzelpreis natürlich günstiger macht. Im Moment haben wir in Deutschland aber 15 Wärmepumpenhersteller, die ihre Produkte noch sehr individuell zusammenbauen. Der größte verkauft hier vielleicht 15 000 Stück.

Sie haben vorhin von Entwicklungen auf Systemebene gesprochen. Welche sind das?

Wir haben gesehen, dass die Installation von Wärmepumpen entscheidend ist. Denn die Effizienz der Maschine bestimmen die Hersteller, aber die Arbeitszahlen am Ende bestimmen die Installateure. Eine gut geplante und gut installierte Mittelklassemaschine kann effizienter laufen als eine schlecht installierte Top-Maschine. Hier gilt: lieber eine robuste, relativ einfache Anlage wählen und diese gut installieren als komplizierte ausgeklügelte Technik mit zehn Umwälzpumpen, die sich am Ende nicht mal verstehen.

Wie stehen die Entwicklungssparten im Vergleich zueinander?

Auf Seite der Komponenten und des Kältemittelkreises kämpfen wir in der Effizienz um einzelne Prozente. Beim System ist viel mehr Musik drin. Wenn es die Hersteller schaffen, die Wärmepumpen so robust zu gestalten, dass die Installateure diese gar nicht falsch installieren können, dann reden wir über 10 % bis sogar 50 % Verbesserung der Effizienz. Je kompakter die Anlagen sind, je mehr Komponenten integriert sind und je weniger vom Installateur abhängt, umso besser.

Was tut sich hier?

Wir haben in unseren Feldtests all diese Keller besucht und können Hersteller auf Probleme hinweisen und gemeinsam überlegen, wie man etwas besser gestalten kann. Installateure bekommen z. B. häufig Komplettlösungen. Es ist also wichtig, dass die Komponenten aufeinander abgestimmt sind.

Wie sehen die Probleme aus?

Wir haben zwei identische Wärmepumpen gesehen, die eine mit einem Kombi-Wärmespeicher, die andere mit zwei getrennten Wärmespeichern für Heizung und Trinkwasser. Das System mit zwei Speichern hatte eine JAZ von 4,2, das mit dem Kombispeicher eine von 3,1. Die Vorlauftemperaturen waren ähnlich, aber die Wärmepumpe ist nicht mit dem Speicher zurechtgekommen. Sie hat 51 % der Wärme auf dem Temperaturlevel für Warmwasser bereitgestellt, obwohl das nur für eine zehnköpfige Familie nötig gewesen wäre. Hier könnte man überlegen, wie sich die beiden Systeme besser verständigen können, ohne dass der Installateur großartig etwas einstellen muss.

Der Installateur könnte doch auch einfach nachregeln.

Theoretisch schon, in der Praxis bleiben die Werkeinstellungen in den meisten Fällen auch die Einstellungen für die nächsten 20 Jahre. Die sind natürlich per se nicht optimal für genau dieses Haus.

Stichwort Sektorkopplung von Strom und Wärme: Was erwarten Sie hier von der Wärmepumpe?

Ich denke, dass es in Zukunft Unternehmen geben wird, die virtuelle Netze bauen werden. Sie fassen 1000 Wärmepumpen in einem Pool zusammen, die sie nach Bedarf steuern können. Dann verkaufen sie Regelleistung an die Netzbetreiber, die ein Interesse daran haben, kurzfristig große Leistungen abzurufen. Das können die Wärmepumpen leisten, indem sie Wärmespeicher wie das Haus oder den Heißwassertank genau dann auffüllen. Ich vermute sogar, dass in Zukunft bei einer Neuanschaffung der Wert der Maschine weniger ausschlaggebend ist als die Einsatzmöglichkeiten.

Beim Handy mussten wir früher jede Minute zahlen, jetzt gibt es Flatrates. Möglich wäre, dass man die Wärmepumpe günstig oder kostenlos bekommt, wenn mit der Wärmepumpe in einem gewissen Umfang gespielt werden darf. Das kann heißen, dass nicht immer fest 21 °C in der Wohnung herrschen, sondern vielleicht zwischen 19 °C und 23 °C, je nach Stromangebot. Eventuell können die Heizkosten sogar komplett entfallen, weil mit der Regelleistung genügend Geld verdient werden kann.

Anders als Akkus liefern Wärmepumpen keinen Strom ins Netz.

Aber sie sind gezielt steuerbare Senken. Ich kann bestimmen, wann die Wärmepumpe laufen soll und wann nicht. Wenn man das weiter denkt, könnte man tagsüber sein Auto auf der Arbeit vollladen und nachts aus dieser Batterie die Wärmepumpe betreiben, so dass noch genügend Strom für den Arbeitsweg übrig ist.

Würden Sie so etwas machen?

Ich habe vor zwei Jahren ein Haus gebaut mit einer Wärmepumpe und einer Photovoltaikanlage für Strom. In der Jahresbilanz produziere ich 3000 kWh an Strom mehr als das, was das gesamte Haus an Strom verbraucht, inklusive Heizung. Diese Energiemenge reicht in einem E-Golf etwa für 20 000 km. Das heißt, wenn ich noch eine Batterie und einen E-Golf kaufen würde, hätte ich mit dem Haus ein Null-Energie-System inklusive Mobilität. Das würde natürlich auch die Belastung für das System senken.

Laut Ihrem Institut muss die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe über 1,8 liegen, um effizienter als eine Wärmepumpe zu sein, kann das stimmen?

Primärenergetisch auf jeden Fall. Beim CO2, also ökologisch gesehen, ist die Betrachtung etwas komplexer. Hier kommt es darauf an, wie grün der Strom ist, den die Wärmepumpe nutzt. Wenn man mit statischen und keinen dynamischen CO2-Äquivalenten rechnet, reicht es, wenn die erzeugte Wärmemenge der Geräte über zweimal so groß ist wie die des verbrauchten Stroms. Dann sind Wärmepumpen primärenergetisch und ökologisch besser als die fossilen Energieträger.

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