Technologische Entwicklungen im Bereich der Wärmepumpe

Je wichtiger Wärmepumpen für den Erfolg der Wärmewende werden, desto mehr wird unternommen, um sie technisch zu verbessern. Ähnlich wie die Nachfrage nach diesen Geräten steigt, wird auch die Forschung im Bereich der Wärmepumpen intensiviert. Die Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg erklärt, dass Wärmepumpensysteme in neuen Ein- oder Zweifamilienhäusern bereits gut entwickelt und erprobt sind.

Jetzt liegt der Fokus darauf, die Flexibilität und Leistungsfähigkeit dieser Wärmepumpen zu steigern, damit sie auch in größeren Wohngebäuden oder renovierten älteren Gebäuden eingesetzt werden können. Außerdem wird weiterhin an der Umweltverträglichkeit von elektrisch betriebenen Heizsystemen gearbeitet. Obwohl die Wärmepumpentechnologie in den letzten Jahren bereits enorme Fortschritte gemacht hat, gibt es immer noch viele wichtige Punkte, die erforscht werden müssen.

Drei Forschungsprojekte zeigen beispielhaft woran Wissenschaftler derzeit arbeiten.

Inhaltsverzeichnis

Kalorische Wärmepumpen

Elektrokalorische Wärmepumpen nutzen ein alternatives Kältemittel-Prinzip. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmepumpen, die flüssige Kältemittel verwenden, werden bei elektrokalorischen Wärmepumpen feste Substanzen als Energieüberträger eingesetzt.

Geeignete Materialien dafür sind beispielsweise keramische Bariumtitanat-Verbindungen, deren innere Struktur es ermöglicht, sich zu erwärmen, wenn sie einer elektrischen Spannung oder einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Diese festen Materialien können Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen und durch Anlegen einer elektrischen Spannung weiter erhitzen. Dadurch können sie, ähnlich wie flüssige Kältemittel, einen Teil dieser Wärme an den Heizkreislauf abgeben.

Der Vorteil von elektrokalorischen Wärmepumpen liegt darin, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen, die mit einem Kompressor arbeiten, fast keine beweglichen Teile benötigen. Dies reduziert einerseits den Geräuschpegel und den Verschleiß der Geräte und steigert andererseits ihre Effizienz. Durch ein spezielles Verfahren zur Wärmeabfuhr aus dem elektrokalorischen Arbeitsmedium an das Heizsystem, das von Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM entwickelt wurde, kann die Heizleistung weiter gesteigert werden. Die Forscher hoffen, dass ihre Systeme am Ende deutlich bessere Wirkungsgrade erzielen können als herkömmliche Wärmepumpen.

Bisher ist dieser neue Ansatz jedoch noch nicht in der Lage ist, herkömmlichen Wärmepumpen Konkurrenz zu machen. Die elektrokalorischen Testelemente, die bisher entwickelt wurden, können nur eine geringe Erwärmung von 1 Grad Celsius erreichen.

Erste Demonstrator-Anlagen sind bereits geplant um zu beweisen, dass durch das Zusammenschalten mehrerer solcher Einheiten ein erheblich größerer Temperaturunterschied erzeugt werden kann. Damit wäre das Konzept auch für Wärmepumpen geeignet.

Das Verfahren ist vielversprechend und erste Prototypen von Getränkekühlschränken mit magneto-kalorischen Kältesystemen sind bereits in Entwicklung.

Jedoch wird es voraussichtlich noch etwa zehn Jahre dauern bis die Technologie marktreif ist.

Propan als Kältemittel

Bei Wärmepumpen spielt die Wahl des Kältemittels eine entscheidende Rolle. Grundlegend funktionieren Wärmepumpen ähnlich wie Kühlschränke, nur in umgekehrter Richtung. Statt Wärme von innen nach außen abzuführen, nehmen sie Wärmeenergie aus der Umwelt auf und heizen damit Innenräume. Im Normalfall dient ein flüssiges Kältemittel als Arbeitsmedium.

Je nach System nimmt es Energie aus dem Boden, Grundwasser oder der Umgebungsluft auf. Erhitzt sich dabei und geht in einen gasförmigen Zustand über. Um die Temperatur weiter zu erhöhen, wird das Gas komprimiert und der erhitzte Dampf gibt die Wärme in einem Verflüssiger an den Heizwasserkreislauf des Gebäudes ab, kondensiert und durchläuft den Kreislauf erneut.

Dazu wird Strom verbraucht. Wärmepumpen sind in der Lage 3-5 mal so viel Heizenergie zu erzeugen wie sie an elektrischer verbrauchen und gelten deshalb als besonders effizient.

Das Problem besteht daher nicht in der Ineffizienz sondern darin, dass viele synthetische Flüssigkeiten, die sich aufgrund ihrer hohen Wärmeaufnahmefähigkeit oder niedrigen Verdampfungstemperatur als Kältemittel anbieten, äußerst umweltschädlich sind. Häufig handelt es sich um fluorierte Treibhausgase, die einen bis zu 2500-fachen stärkeren Treibhauseffekt verursachen als Kohlendioxid. Die EU hat bereits vor drei Jahren Maßnahmen ergriffen, um den Einsatz solcher Kältemittel zu begrenzen und plant weitere Verschärfungen.

In diesem Zusammenhang hat die Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, in Zusammenarbeit mit neun europäischen Wärmepumpenherstellern nach Alternativen geforscht. Propan erwies sich als vielversprechende Option, da es umweltfreundlich, weit verbreitet, kostengünstig und ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie herkömmliche Kältemittel aufweist. Allerdings ist Propan leicht entzündlich und brennbar. Bei Wärmepumpen die in Innenräumen betrieben werden könnte dies ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Das Forschungsteam hat daher Sicherheitsmaßnahmen entwickelt, um die Menge an Propan in den Wärmepumpen zu minimieren und so das Risiko von Störfällen zu reduzieren. Dies ermöglichte es, die Füllmenge auf maximal 150 Gramm zu begrenzen und dennoch eine beeindruckende Heizleistung von fast 13 Kilowatt zu erzielen. Im Vergleich dazu enthalten Kühlschränke im Schnitt 80 - 100 Gramm Isobutan, was ähnlich entzündlich ist wie Propan.

Obwohl aus dieser Forschung noch kein konkretes Produkt hervorgegangen ist, kann das gewonnene Wissen als Basis genutzt werden um neue und sicherere Geräte zu entwickeln.

Propanbasierte Wärmepumpensysteme sind bereits auf dem Markt, insbesondere für den Einsatz außerhalb von Gebäuden, wo das Risiko bei Leckagen geringer ist. Die ersten Hersteller planen bereits die ersten Anlagen mit einem 150-Gramm-Propan Limit in den Handel zu bringen. Diese wären auch für den Betrieb in Innenräumen geeignet. In den nächsten zwei bis fünf Jahren wird erwartet, dass dieses Konzept weiter an Bedeutung gewinnt und vermehrt in den Handel gelangt.

Ultrahochleistungsbeton als Energiequelle

Ein weitere Stellschraube zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpen ist die Optimierung der Wärmequelle.

Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat mit mehreren Unternehmen spezielle Fassadenelemente entwickelt, die in der Lage sind, Energie für Wärmepumpen zu erzeugen. Diese Bauteile sind besonders geeignet für Mehrfamilienhäuser oder Bürotürme mit ausgedehnten Fassadenflächen.

Die Platten bestehen aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC) und sind von einem fein verzweigten Netzwerk von Röhren durchzogen. Durch diese Röhren fließt eine Solarflüssigkeit, in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Glykol. Wenn Sonnenlicht auf die Fassade trifft, erhitzt sich diese Flüssigkeit und kann sogar bei bedecktem Himmel Wärme aus der Luft aufnehmen.

Die erhitzte Flüssigkeit wird zur Wärmepumpe im Keller des Gebäudes transportiert, wo es seine Energie an den Heizkreislauf abgibt. Die Fassadenelemente sollen sich problemlos mit handelsüblichen Wärmepumpen kombinieren lassen.

Das Forschungsteam hat bereits Ausstellungsmuster auf der Baumesse BAU in München vorgestellt und erhielt positive Rückmeldungen von Architekten und Baufirmen. Derzeit wird daran gearbeitet, die Produktionstechniken zu optimieren um auch größere Fassadensegmente mit hoher Qualität herstellen zu können. Ein Praxisversuch in einem sanierten Zweifamilienhaus in Kassel ist Anfang 2024 geplant. Der Praxistest soll die Eignung der solarthermischen Fassaden als alleinige Energiequelle für Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern belegen.

Dieses Konzept bietet nicht nur einen ökologischen Vorteil, sondern auch gestalterische Möglichkeiten, da die Betonsegmente in verschiedenen Farben und Mustern gestaltet werden können. Es sind sogar Verzierungen mit Terracotta oder Keramik möglich. Es wird erwartet, dass dieses Konzept mit der Zeit in der Baubranche an Bedeutung gewinnt, da es sowohl ästhetisch ansprechend als auch energetisch effizient ist.

Weiterentwicklungen mit Zukunftspotenzial

Wärmepumpen sind und bleiben insbesondere für Einfamilien- als auch Mehrfamilienhäuser eine effiziente und umweltfreundliche Heizoption. Die stetige Weiterentwicklung und vielversprechende Konzepte lassen darauf schließen, dass Wärmepumpen auch in Zukunft eine bedeutende Rolle im Heizungsbereich und der Energiewende einnehmen werden.