Großwärmepumpen
Stand: Juni 2023
Großwärmepumpen erschließen für die Fernwärme eine Reihe neuer Wärmequellen, die bislang aufgrund ihrer niedrigen Temperaturen nicht oder nur zum Teil in Wärmenetze eingespeist werden konnten. Dazu zählen beispielsweise Umweltwärme aus Gewässern sowie Abwärme aus Abwasser oder industriellen Prozessen. Die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit (und damit die Bezahlbarkeit und Akzeptanz) von Wärmepumpensystemen hängt von der Differenz des Temperaturniveaus der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur des Wärmenetzes ab, dem sogenannten Temperaturhub.
In den letzten Jahren geht der Trend zu Nahwärmenetzen auf geringerem Temperaturniveau, was die Attraktivität von Wärmepumpenanwendungen steigert. Besondere Relevanz kommt Projekten zu, die aufgrund von Flächenheizungen und dezentraler Warmwasserversorgung über Frischwasserstationen nur eine Vorlauftemperatur von 50 °C im Wärmenetz benötigen. Dies ist für Bestandsquartiere aufgrund der bestehenden Hausinstallationen schwierig umzusetzen, für Neubauquartiere allerdings einfach zu realisieren und letztendlich nur eine Frage der frühzeitigen städtebaulichen Festlegungen zu Beginn der Quartiersentwicklung.
Ein weiterer wichtiger Aspekt: In Zuge des Ausbaus der erneuerbaren Stromerzeugung werden die Schwankungen im Stromnetz und damit die Bedeutung der Sektorenkopplung stark zunehmen. Produzieren Erneuerbare Energien zeitweise mehr Strom als verbraucht wird, entsteht der Überschussstrom. Über Wärmepumpen könnte der (kostengünstige) Überschussstrom als Wärme ins Wärmenetz eingespeist werden.
Verschiedene Arten von Wärmequellen
Neben den klassischen Wärmequellen Erdreich, Grundwasser und Luft gibt es – wie eingangs erwähnt – auch andere Wärmequellen, zum Beispiel Abwasser, die Abwärme von Industriebetrieben oder auch Rechenzentren. So werden am südwestlichen Rand des Frankfurter Gallusviertels künftig 1.300 Neubauwohnungen sowie Gewerbeeinheiten des neuen Wohnquartiers „Franky“ zu mindestens 60 Prozent aus der Abwärme eines benachbarten Rechenzentrums versorgt. Zwei Großwärmepumpen mit je 320 kWth heben die Abwärme von 30°C auf rund 70 °C an. Der restliche Wärmebardarf wird mit Fernwärme aus den Heizkraftwerken des Frankfurter Energieversorgers Mainova AG gedeckt.
Auch Flusswasser eignet sich als Wärmequelle. Beispiel dafür ist ein Projekt der Stadtwerke Rosenheim. Dort wurden drei Großwärmepumpen mit einer Leistung von jeweils 1,5 MWth in die Fernwärmeerzeugung des kommunalen Müllheizkraftwerks integriert. Genutzt wird dabei die Temperatur des benachbarten Mühlbachs. Es handelt sich um eine von fünf Anlagen, die im Rahmen des Förderformats Reallabor der Energiewende „Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen“ an Fernwärmenetze angebunden wurden.
In den vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Reallaboren der Energiewende werden innovative Technologien in der praktischen Anwendung unter realen Bedingungen und im industriellen Maßstab getestet.
Dass auch Seen als Wärmequelle genutzt werden können, zeigen zahlreiche Beispiele in Schweden. Insgesamt sind die skandinavischen Länder beim Thema Großwärmepumpen weit voraus. Das beweist auch das Projekt mit einer 50 MW-Großwärmepumpe, die künftig 100.000 Haushalte in der dänische Stadt Esbjerg mittels Wärme aus der Nordsee anstelle eines Kohlekraftwerks versorgen wird. Der benötigte Strom kommt aus einem Offshore-Windpark.
Kombination mit anderen Technologien sinnvoll
Es gibt nicht nur eine Vielzahl an denkbaren Wärmequellen, auch die Kombinationsmöglichkeiten mit anderen Systemen sind vielfältig und vor allem auch zielführend. Denn Wärmenetze allein mit Wärmepumpen zu betreiben, ist in den meisten Fällen nicht sinnvoll. Zwar kann durch eine Kaskadierung – in der Regel durch zwei in Reihe geschaltete Kreisläufe – und durch den Einsatz des natürlichen Kältemittels CO2 ein vergleichsweise großer Temperaturhub erreicht werden. Doch die Frage nach der Wirtschaftlichkeit stellt sich schnell bei Projekten, die rein auf der Wärmepumpen-Technik basieren.
Deshalb kommen häufig bi- oder multivalente Lösungen zum Einsatz. So bietet sich die Kombination mit einem BHKW oder einer Solarthermieanlage an. Denkbar ist auch eine Ergänzung durch Systeme, die auf Biomasse basieren. Die Investitionskosten für einen Hackschnitzelkessel beispielsweise sind vergleichsweise niedrig. Dabei wird die Grundlast mit Hilfe der Wärmepumpe, die Spitzenlast mit der Hackschnitzelanlage abgedeckt. Bei multivalenten Lösungen empfiehlt es sich auf jeden Fall, Simulationen durchzuführen, um am Ende die verschiedenen Wärmeerzeuger, die eingebunden werden, richtig zu dimensionieren.
Insgesamt sind die Anforderungen an Großwärmepumpen und die Einsatzbedingungen sehr unterschiedlich. Das stellt die Hersteller zwar vor Herausforderungen, aber in der Regel vor keine unlösbaren Aufgaben. Neben großen Unternehmen gibt es einige kleinere Hersteller, die sehr individuelle Lösungen anbieten können.
Weitere Informationen zum Thema Großwärmepumpen
- Agentur für Erneuerbare Energien: Großwärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende
- Agora: Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland (PDF / 8 MB)
- Energiewendebauen: Mit Großwärmepumpen CO2 einsparen
- Energiewendebauen: Großwärmepumpen in deutschen Fernwärmenetzen
- haustec.de: Großwärmepumpen - Nachfrage nach großen Leistungen steigt
Mehr zum Reallabor der Energiewende „Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen“
- AGFW: Reallabor der Energiewende - Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen
- Energiewendebauen: Mit Großwärmepumpen CO2 einsparen
- Fraunhofer ISE: Reallabor Großwärmepumpen – Reallabore der Energiewende
- Fraunhofer ISE: Fraunhofer-Studie: Großwärmepumpen sind ein Schlüssel zur Dekarbonisierung der Fernwärme
Literaturbeispiele zu Wärmepumpen in Quartieren
Für eine möglichst CO2-neutrale Wärmeversorgung bieten Quartiersansätze gegenüber Einzelprojekten oft die effizienteren Versorgungslösungen. Wärmepumpen als Teil von kalten oder warmen Wärmenetzen gehören in zahlreichen Neubauquartieren schon zum Standard, bieten aber auch in Bestandsquartieren vielfältige Optionen. Für den Einsatz von Wärmepumpen lassen sich bei einem größeren Vorhaben mehr Wärmequellen anzapfen, die bei einer Einzelversorgung schlicht unmöglich oder unrentabel sind.
Das Gebäudeforum stellt vier ausführliche Praxisbeispiele vor, in denen unterschiedliche Wärmequellen wie Abwasserkanäle, Grubenwasser oder Industrieabwärme meist für kalte Nahwärmenetze genutzt werden. Darüber hinaus werden Nahwärmenetze mit zentraler Großwärmepumpe vorgestellt.
Interessant sind auch die Ergebnisse eines Forschungsprojekts, bei dem zwei Wärmepumpenquartiere untersucht wurden, deren Stromversorgung weitgehend über PV oder Windkraft abgedeckt wird. Der Bericht soll Planungs- und Umsetzungshilfen von regenerativ betriebenen Wärmepumpenquartieren geben.
