Großwärmepumpen - Eine Schlüsseltechnologie in der nachhaltigen zentralen Wärmeversorgung

​veröffentlicht am 02. Juni 2020

Der Einsatz von Großwärmepumpen weist vor allem in der kommunalen Infrastruktur, der Industrie sowie großen Wohn-, Wirtschafts-, und Geschäftsgebäuden enorme Potenziale auf. Obwohl die Wärmepumpe in privaten Wohnhäusern oder Gewerben bereits vielerorts den Standard für die Wärmeversorgung setzt, entwickelt sich eine breite Markteinführung von Groß- und Industrieanlagen mit Leistungen von 100 kW bis zu mehreren MW – trotz einer Vielzahl an vielversprechenden Einsatzmöglichkeiten – momentan noch eher langsam.¹ Vor dem Hintergrund der beschlossenen Klimaziele für die kommenden Jahre und den damit verbundenen Pflichten zur Emissionssenkung insbesondere im Wärmesektor werden Großwärmepumpen allerdings als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung des Wärmesektors eine entscheidende Rolle für das Erreichen dieser Ziele spielen. 

DAS TECHNISCHE PRINZIP
Im Grunde lässt sich das Funktionsprinzip einer (Groß-) Wärmepumpe mit dem eines Kühlschranks vergleichen – Wärme wird von einem Ort zum anderen transportiert – nur dass dieser Prozess zur Wärmeerzeugung in einer Wärmepumpe in entgegengesetzter Richtung abläuft. Es wird Wärme aus einer Quelle – beispielsweise dem Erdreich (Geothermie), Grund-, Fluss-, oder Abwasser sowie (Ab-)Luft – entnommen und auf ein sogenanntes Kältemittel übertragen, das dadurch aufgrund der niedrigen Siedetemperatur verdampft. Anschließend wird dieses verdichtet, bevor es im nächsten Schritt die Wärme über einen Wärmetauscher an ein Trägermedium wie Wasser auf höherem Temperaturniveau abgibt, das dann wiederum für die Wärmebereitstellung verwendet wird. Durch die Temperaturabgabe verflüssigt sich das Kältemittel wieder und wird entspannt, bevor der Prozess erneut beginnt.²

Abbildung 1: Bundesverband Wärmepumpe e. V. „Funktionsprinzip Wärmepumpe”

In diesem Kreislauf wird größtenteils nur für das Verdichten und Entspannen zusätzliche Energie in Form von Elektrizität (idealerweise aus erneuerbaren Quellen) benötigt, die restliche Energie wird aus den jeweiligen Wärmequellen (z. B. Erdreich, geothermales Fluid, Fluss oder Abwasser bzw. aus Kühlwasser (Industrie)) gewonnen. Um die Effizienz einer Wärmepumpe darzustellen, wird der benötigte Anteil Strom ins Verhältnis zur gewonnenen Wärmeenergie gestellt. In der sogenannten Jahresarbeitszahl (JAZ) wird eben dieses Verhältnis über das ganze Jahr gesehen in einer Kennzahl abgebildet. Je nach Wärmequelle und -pumpe kann diese über dem Wert 5 liegen. Konkret bedeutet diese Zahl, dass durch den Einsatz von 1 kWh Strom 5 kWh Wärme erzeugt werden können. Ein weiterer geläufiger Effizienzmesser ist die Leistungszahl (COP). Diese wird im Regelfall allerdings unter Laborbedingungen in einem bestimmten Betriebszustand ermittelt und sollte daher genau hinterfragt werden.³

Zusätzlich besteht bei manchen (Groß-)Wärmepumpen neben der Wärmeerzeugung auch die Möglichkeit der Kühlung. Hierfür wird der Kreislauf automatisch umgekehrt – die Wärme wird aus dem Objekt entzogen und auf das Kältemittel übertragen, um dann mithilfe eines Wärmetauschers an die ursprüngliche Wärmequelle (z. B. Grund-, Fluss- oder Abwasser sowie das Erdreich) abgegeben zu werden – vom Grundprinzip wie bei einem Kühlschrank.⁴ Bei beidseitigem Betrieb können für diese Anlagen insgesamt weitaus höhere JAZ und COP erreicht werden, was sie durchaus sehr interessant macht, da so nicht nur signifikante Energieeinsparungen und damit Kosteneinsparungen erzielt werden, sondern auch Heiz- und Kühlvorgänge in einer Anlage ablaufen können.

TECHNOLOGIEN
Bei Großwärmepumpen wird zwischen 3 verschiedenen gebräuchlichen Technologien unterschieden: „Luft- Wasser”, „Sole-Wasser” und „Wasser-Wasser”.⁵ Der vorangestellte Begriff gibt hierbei einen Hinweis auf die Wärmequelle, wobei es sich bei „Sole“ um ein Trägermedium handelt, das bei Erdwärme zum Einsatz kommt, der zweite Begriff macht erkenntlich, auf welches Medium die Wärme übertragen wird. 

KÄLTEMITTEL
Das bereits erwähnte Kältemittel spielt für die Effizienz und damit die Kosten einer Anlage eine große Rolle. Für das optimale Kältemittel müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllt werden, die zudem je nach Anwendungsfall variieren. Maßgebliche Parameter sind neben den grundsätzlichen thermodynamischen Eigenschaften z. B.

• die Siedetemperatur 
• die Brennbarkeit
• die Wirtschaftlichkeit
• die Verfügbarkeit
• der Umwelteinfluss bzw. das Treibhauspotenzial

Alle aktuell auf dem Markt verfügbaren Kältemittel müssen in mindestens einem dieser Bereiche Abstriche machen. Man unterteilt diese in 3 verschiedene Gruppen. Fluorkohlen(wasser)stoffe ((H) FKW), Hydrofluorolefine (HFO) und natürliche Kältemittel. Bislang werden in den meisten Großwärmepumpen HFKW verwendet, da diese fast alle Anforderungen erfüllen. Allerdings weisen sie ein hohes „Global Warming Potenzial” (GWP) mit Werten von bis über 2000 (diese Zahl gibt den Faktor an, um den das Treibhauspotenzial höher ist als das von CO₂) auf. Deshalb wurde das sukzessive Einschränken der Verwendung von (H)FKWKältemitteln politisch festgelegt. Aus den damit verbundenen Beschlüssen der Verordnung (EU) Nr. 517/2014⁶ ergeben sich einige Beschränkungen. Unter anderem soll bis 2036 der Einsatz im Vergleich zu 2016 in den Industrieländern weltweit um 85 Prozent gesenkt werden. Des Weiteren benötigen mit (H)FKW betriebene Neuanlagen eine Betriebsgenehmigung, die nur erteilt wird, wenn sich keine klimafreundlichere Alternative technisch und wirtschaftlich realisieren lässt. Auch ist die Verwendung von Mitteln mit GWP-Werten von > 2500 für die Wartung oder Instandhaltung von Bestandsanlagen untersagt.⁷ Weitere Verbote für Bestandsanlagen sind bisher nicht vorgesehen. 

Die zweite Gruppe der Kältemittel, „HFO” weisen zwar einige Vorteile, wie z. B. niedrige GWP-Werte von 4-6, schwere Brennbarkeit und einen schnellen Verfall in der Atmosphäre auf, allerdings ist der Betrieb in Wärmepumpen aufgrund der ätzenden Flusssäuren, die sich beim Verbrennen bilden, und den hohen Siedetemperaturen eingeschränkt.

Daher geht der Trend immer mehr in Richtung der drittgenannten „natürlichen Kältemittel” wie z. B. Propan (R290), Proben (R1270), Gemische oder CO₂ (R744). Neben dem offensichtlichen Vorteil für das Klima mit GWP Werten von 0-4 können Kohlenwasserstoffe (R290, R1270) beispielsweise relativ einfach für den Austausch von (H)FKW-Mitteln in Bestandsanlagen verwendet werden. Des Weiteren sind diese mit fast allen Materialien verträglich, kostengünstig, verfügbar und weisen geeignete thermodynamische Eigenschaften auf. Allerdings müssen durch die leichte Brennbarkeit höhere Sicherheitsstandards erfüllt werden. CO₂ ermöglicht hohe Vorlauftemperaturen, zählt mit der Sicherheitsstufe A1 (geringe Giftigkeit, keine Flammenausbreitung) zu den sichersten Kältemitteln und hat neben der sehr guten Verfügbarkeit geringere Betriebskosten als andere natürliche Kältemittel. Natürlich gibt es für die Verwendung diese Gases Nachteile. Der Betrieb von Anlagen mit CO₂ erfordert höhere Drücke und damit einen größeren Reglungsaufwand, auch ist der Einsatz für Niedertemperaturwärme ineffizient.⁸ Je nach Einsatzgebiet der Wärmepumpen eignen sich die Gase also unterschiedlich gut und sollten daher mit Bedacht gewählt werden.

ANWENDUNGSBEISPIELE
Großwärmepumpen sind sehr vielseitig einsetzbar. Neben dem Einsatz in Hallen- und Freibädern zur Abluftwärmenutzung sowie Wärmerückgewinnung des Schwall- und Duschwassers, in Krankenhäusern zur Nutzung der Abluft aus Kältemaschinen sowie zur Abwassernutzung und Abwärmenutzung aus Kompressoranlagen oder in Büroimmobilien zur Klimatisierung und Abwärmenutzung der Serverräume lassen sich noch eine Vielzahl weiterer attraktiver Verwendungsbeispiele nennen. Ob in Büroimmobilien, in Gewächshäusern, in Gastronomie- oder Hotelbetrieben, in der Landwirtschaft, in Wäschereien oder auch im Lebensmittelhandel können Großanlagen dazu beitragen, beachtliche Energiemengen und damit Kosten einzusparen sowie die Wärme- und Kältebereitstellung stark zu entkarbonisieren,⁹ insofern die Wärmepumpen mit erneuerbarem Strom betrieben werden. Dieser erneuerbare Strom kann nach Möglichkeit sogar kostengünstig auf dem eigenen Gelände über Photovoltaik-Anlagen erzeugt werden. 

Vor allem für Kommunen ist der Einsatz von Großwärmepumpen in Nah- und Fernwärmenetzen in der Regel sehr lohnenswert. Hier können zum einen Großwärme- oder Kälteverbraucher – die durch Abluft und -wärme sowie Ab- und Kühlwasser über ein hohes Potenzial zur Wärmerückgewinnung verfügen – zum anderen auch die bereits erwähnten natürlichen Wärmequellen wie Erdwärme sowie Grund- und Thermalwasser oder auch Flusswasser (über Sommermonate) einbezogen werden. Die Wärmegewinnung aus Flüssen birgt für Kommunen in der Nähe von fließenden Gewäsern beachtenswerte Möglichkeiten. Kombiniert mit einem Langzeitspeicher kann die Wärme – aus den im Sommer aufgeheizten Gewässern – auch im Winter verwendet werden. Untersuchungen zu dieser Möglichkeit am Beispiel Main haben ergeben, dass die Wassertemperatur des Flusses 2 Drittel des Jahres für den Betrieb einer Großwärmepumpe ausreicht, wodurch trotz Einschränkungen durch den Schiffsverkehr eine Wärmemenge von ca. 21.000 MWh pro Jahr gewonnen werden könnte. Eine Beschränkung ergibt sich durch die Gewässertemperaturen, obgleich eine mögliche lokale Abkühlung positiv gesehen wird, um der Erwärmung in heißen Sommern entgegenzuwirken. 

Weitere Anwendungsfälle sind die Verwendung eines Langzeitspeichers, beispielsweise in Kombination mit Solarthermie, aus dem dann wieder in Verwendung von Wärmepumpen die Wärme in der Heizperiode genutzt werden kann. 

Gerade die Kombination aus Wärmepumpen, Solarthermie und Langzeitwärmespeichern für Wärmenetze wird in Dänemark bereits seit einigen Jahren erfolgreich beispielsweise in Braedstrup, Marstal oder Dronninglung umgesetzt.

Auch in Finnland werden Großwärmepumpen bereits vermehrt eingesetzt. Aus einer finnischen Studie – die u. a. die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen in Wärmenetzen untersucht – geht hervor, dass – abhängig des von der Wärmepumpe bereitgestellten Wärmeanteils im Wärmenetz – Internal Rates of Returns (IRR) bis zu 15,9 Prozent erreicht werden können.¹⁰ Die Wärmegestehungskosten wurden – ebenfalls je nach Wärmeanteil der Wärmepumpe – auf 50 bis 120 €/MWh festgelegt, wobei die Anlagen laut der Studie bei steigendem Wärmeanteil der Wärmepumpe teurer und weniger wirtschaftlich sind. 

MARKTÜBERBLICK
Derzeit gibt es bereits einige Unternehmen, die Großwärmepumpen produzieren und vertreiben. Neben deutschen Unternehmen wie „AGO AG Energie + Anlagen”, „Viessmann Werke GmbH & Co. KG” und „ENGIE Refrigeration GmbH” gibt es auch ausländische Firmen – beispielsweise in Österreich – wie „HELIOTHERM Wärmepumpentechnik Ges.m.b.H” und „OCHSNER Energie Technik GmbH” wobei es sich bei letzterem um ein Tochterunternehmen der „OCHSNER Wärmepumpen GmbH” handelt, das eigens für den Vertrieb von Großwärmepumpen gegründet wurde. 

Es gibt zwar Serienanlagen, die in den meisten Fällen für den Betrieb in Gebäuden ausreichend sind und Leistungen um bis etwa 1 bis 2 MWth aufbringen können, für größere Projekte wie beispielsweise ein Wärmenetz werden die Anlagen allerdings meistens individuell auf das Vorhaben angepasst und verfügen dementsprechend über deutlich höhere Leistungen im Bereich von > 10 MWth. Die Kosten sind somit ebenfalls sehr projektspezifisch und es lohnt sich, ein konkretes Projekt mit diversen Anbietern zu diskutieren.

FINANZIERUNG UND FÖRDERUNG
Aufgrund des hohen Potenzials von Wärmepumpen zur Energieeinsparung und der Schlüsselrolle in der Dekarbonisierung des Wärmesektors, gibt es attraktive Fördermodelle zur Finanzierung von Großwärmepumpen. 

Zum einen das u. a. für Großwämepumpen > 100kWth ausgelegte Förderprogramm „271” der KfW „Erneuerbare Energien Premium”, das Kommunen, Unternehmen und Privatpersonen zu Darlehen mit günstigen Konditionen berechtigt, die vor der Anschaffung einer Großwärmepumpe (ausgeschlossen sind Luft-Wasser und Luft-Luft-Wärmepumpen) mit einer Jahresarbeitszahl von mindestens 3,8 stehen. Die KfW finanziert bis zu 25 Mio. Euro pro Vorhaben, zusätzlich umfasst das Programm einen Tilgungszuschuss in Höhe von 80 €/kW Wärmeleistung im Auslegungspunkt. Mindestens aber 10.000 Euro, höchstens 100.000 Euro je Einzelanlage. Wenn die geförderte Wärmepumpe einen ineffizienten fossilen Wärmeerzeuger ersetzt, wird der Förderbetrag um 20 Prozent aufgestockt. Des Weiteren gibt es Tilgungszuschüsse für förderfähige Erdsonden, die bis zu einer Tiefe von 400 m mit 4 €/m und ab 400 m mit 6 €/m dotiert sind.¹¹

Zum anderen das Förderprogramm des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) für Wärmenetze 4.0. Im Rahmen dieses Angebots werden sog. „Wärmenetze 4.0” gefördert. Das sind Netze, die spezielle Anforderungen u. a. in den Bereichen Energieeffizienz, Innovation und Erneuerbare Energien erfüllen. Großwärmepumpen sind in der Regel ein wichtiger Faktor beim Erfüllen dieser Anforderungen und somit im Rahmen eines solchen Vorhabens förderfähig. 

Gefördert werden Unternehmen, kommunale Betriebe und Zweckverbände sowohl bei der Planung und Vorbereitung als auch bei der Entwicklung und Realisierung von Projekten, die unter „Modellvorhaben Wärmenetze 4.0” fallen.

Eine vorgeschriebene Machbarkeitsstudie wird mit bis zu 60 Prozent der Kosten (max. 600.000 Euro) unterstützt. Die tatsächliche Durchführung wird mit bis zu 15 Mio. Euro gefördert, wobei die Grundförderung von 30 Prozent der förderfähigen Kosten durch eine Nachhaltigkeits- und Kosteneffizienzprämie sowie für industrielle Forschung auf 50 Prozent erhöht werden kann.¹² 

FAZIT
Besonders attraktiv für Stadtwerke wird der Einsatz von Großwärmepumpen im Zusammenhang mit einem Wärmenetz 4.0. Neben der Förderung von bis zu 50 Prozent der Kosten kann so schon heute die Grundlage für eine emissionsfreie und effiziente Zukunft gelegt werden.

Aktuelle Investitionsentscheidungen im Bereich Fern- und Nahwärme betreffen den Betrieb auf 2 Jahrzehnte. Hier sollte somit stets eine Analyse der lokalen Möglichkeiten erfolgen, um ggfs. nicht von Standardlösungen mit Einsatz von fossiler Energie abhängig zu sein. Hierbei spielt es neben dem Kostenfaktor CO₂ eben auch eine Rolle, für seine Kunden ein attraktives, langfristig preisstabiles Wärmeprodukt zu schaffen. Mit einer zentralen Versorgungsstruktur unter Einsatz von Wärmepumpen ist dies sehr wohl möglich, auch wenn es eben ein gewisses Umdenken voraussetzt. 

Zusätzlich zu der bei Ökostrombezug schon emissionsfreien Wärmeerzeugung kann durch den zunehmenden Einsatz von natürlichen Kältemitteln auch das Treibhauspotenzial (GWP) von Wärmepumpen entscheidend gesenkt werden. Vor dem Hintergrund der beschlossenen Klimaziele und den damit verbundenen Pflichten sowohl für Kommunen als auch für Unternehmen, sollten die Einsatzmöglichkeiten von Großwärmepumpen auf jeden Fall eher früher als später geprüft werden.¹² 

Bei den teilweise durchaus komplexen Vorgängen in der Planung und der Durchführung von Vorhaben in Zusammenhang mit Wärmepumpen stehen wir von Rödl & Partner Ihnen selbstverständlich mit kompetenter Beratung zur Seite und übernehmen, falls gewünscht, auch die komplette Durchführung Ihres Projektes.

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¹ Energie-Experten: „Einsatz von Industrie- und Großwärmepumpen”.
² BWP: „Wie funktioniert die Wärmepumpe?”.

⁸ Christian Vering et. al.: „Potentielle Kältemittel für Wärmepumpen”.

⁹ Energie-Experten: „Einsatz von Industrie- und Großwärmepumpen”.
¹⁰ Kaisa Kontu et. al: „Individual ground source heat pumps: Can district heating compete with real estate owners’ return expectations?”.

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