Zunehmend werden von unserer Gesellschaft nachhaltige Alternativen zur Energieversorgung gesucht. Populär ist in der Wärmeversorgung aktuell vor allem die Wärmepumpe. Doch wie genau funktioniert die Wärmepumpe, was hat sie mit nuklearer Energie zu tun und für wen lohnt sie sich?
Grundlegende Funktionsweise einer Wärmepumpe
Wärmepumpen nutzen Energie aus der Umgebung, also aus der Luft, dem Boden, dem Wasser oder Abwasser. Diese Energie wandeln sie in nutzbare Wärme für Wohnräume um [1]. Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich in vier grundlegende Schritte unterteilen: Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion [2].
1. Verdampfung
Ein flüssiges Kältemittel, das bei niedrigen Temperaturen und Drücken siedet, zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Es nimmt Wärme aus der Umgebung auf und verdampft.
2. Kompression
Der Dampf wird dann zu einem Kompressor geleitet, wo er verdichtet wird. Durch die Verdichtung erhöht sich die Temperatur des Dampfes.
3. Kondensation
Der heiße Dampf wird durch einen Kondensator geleitet, wo er seine Wärme an das Heizsystem des Gebäudes abgibt und kondensiert. Dabei wird er wieder flüssig.
4. Expansion
Das flüssige Kältemittel wird schließlich durch ein Expansionsventil geleitet, wo es entspannt wird und der Kreislauf von vorne beginnt [2].
Durch diesen Prozess wird Energie aus der Umgebung effizient genutzt, um Gebäude zu heizen. Werden die Prozessschritte in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt, kann ein Gebäude mit einer Wärmepumpe auch gekühlt werden.
Wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet, wird umgangssprachlich gelegentlich mit einem Wirkungsgrad von über 100 % angegeben. Hierbei ist eigentlich die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) gemeint, die sich üblicherweise zwischen 2,5 und 5,0 bewegt. Der COP beschreibt das Verhältnis der erzeugten Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung. Ein COP von 4,0 bedeutet beispielsweise, dass bei einer Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 15 kW, 3,75 kW als elektrische Energie und 11,25 kW Energie aus der Umgebung an das Heizsystem des Gebäudes abgegeben werden [3][4].
Arten von Wärmepumpen und deren Vor- und Nachteile
Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich hauptsächlich durch die Quelle der Wärmeenergie unterscheiden: Luft, Wasser und Erde.
Luft-Wärmepumpen
- Luft-Luft-Wärmepumpen nutzen die Umgebungsluft als Wärmequelle. Sie sind relativ einfach zu installieren und kostengünstig in der Anschaffung. Allerdings sind sie weniger effizient bei sehr niedrigen Außentemperaturen [5].
- Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen ebenfalls Wärme aus der Umgebungsluft, nutzen diese aber zur Erwärmung von Wasser für Heizkörper oder Fußbodenheizungen. Sie sind vielseitig einsetzbar, aber ihre Effizienz nimmt bei kalten Außentemperaturen ebenfalls ab [6].
Wasser-Wärmepumpen
- Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser als Wärmequelle. Sie bieten eine hohe Effizienz, da die Temperatur des Grundwassers relativ konstant ist. Jedoch sind die Anschaffungs- und Installationskosten höher als bei Luft-Wärmepumpen und es ist eine Genehmigung der Wasserbehörde erforderlich [7].
Erdwärme-Wärmepumpen
- Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen die im Boden gespeicherte Wärme. Sie sind sehr effizient und abhängig vom eingesetzten Kältemittel im Kollektor umweltfreundlich. Unterschiedliche Kollektor-Bauweisen erfordern allerdings eine aufwendige Installation und hohe Investitionskosten [7]. Erdwärme-Wärmepumpen können mit Flächenkollektoren, Grabenkollektoren, Spiralkollektoren, Erdwärmekörben oder Erdsonden betrieben werden. Die Wahl des richtigen Kollektors hängt von den örtlichen Gegebenheiten, der Verfügbarkeit von Platz und vom Budget ab [8].
Vorteile
- Effizienz: Wärmepumpen nutzen die vorhandene Wärme aus der Umgebung und wandeln sie in nutzbare Wärme um [3].
- Nachhaltigkeit: Wärmepumpen sind selbst beim aktuellen Strommix emissionsärmer als konventionelle Heizungen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Durch die voranschreitende Dekarbonisierung im Energiesektor verstärkt sich dieser Effekt immer weiter [9].
- Kosteneinsparungen: Die Nutzung von Energie aus eigener Solarstromproduktion kann die Heizkosten reduzieren.
- Flexibilität: Wärmepumpen können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden.
Nachteile
- Investitionskosten: Die Anschaffungs- und Installationskosten für Wärmepumpen können je nach Anlagenkonfiguration hoch sein [7].
- Abhängigkeit von der Wärmequelle: Die Effizienz von Wärmepumpen kann bei extremen Außentemperaturen abnehmen [5].
- Wärmedämmung: Um die Investitionskosten für eine Wärmepumpe gering zu halten, ist eine geeignete Wärmedämmung empfehlenswert. Denn je weniger Energie ein Gebäude durch eine schlecht gedämmte Fassade oder undichte Fenster abgibt, desto weniger Energie muss die Wärmepumpe zum Heizen bereitstellen.
- Genehmigung: Bei Wasser-Wärmepumpen ist eine Genehmigung erforderlich [7].
Zusammenfassend bieten Wärmepumpen eine effiziente und umweltfreundliche Möglichkeit zum Heizen von Gebäuden, wobei die Wahl des Wärmepumpentyps von den lokalen Gegebenheiten und den spezifischen Anforderungen des Gebäudes abhängt.
Eine Wärmepumpe kann sinnvoll mit einer Photovoltaikanlage kombiniert werden, um die Stromkosten zu reduzieren und die Unabhängigkeit von externen Energieversorgern zu steigern. Ein intelligentes Energiemanagement-System kann die Leistung der Wärmepumpe an die aktuellen Photovoltaik-Stromüberschüsse anpassen [10].
Woher kommt die Energie für die Wärmepumpe?
Bisher wurde nur beschrieben, wie eine Wärmepumpe funktioniert und dass sie den Großteil der Heizenergie aus der Umgebung bezieht. Doch woher kommt die Energie, die der Umgebung entzogen wird?
Die Sonnenenergie spielt eine wesentliche Rolle, da sie die Erdoberfläche erwärmt und diese Wärme im Boden gespeichert wird. Die gespeicherte Sonnenenergie wird dann von der Wärmepumpe genutzt. Zusätzlich ist im Boden geothermische Energie verfügbar. Etwa 44.000 Milliarden Watt Wärme strahlt die Erde permanent in die Kälte des Weltraums ab. Die Hälfte davon stammt aus radioaktiven Kernprozessen, die vor allem in der Erdkruste und in dem bis zu 2900 Kilometer tiefen Mantel stattfinden [11]. Wasser- oder Erdwärme-Wärmepumpen nutzen also – wie Geothermiekraftwerke – zum Teil Kernkraft als Energiequelle. Die Wärme wird hier allerdings nur oberflächlich abgeschöpft. Auch bei tiefer Geothermie, bei der Thermalwasser aus mehreren Kilometern Tiefe gefördert wird, besteht keinerlei Gefahr einer radioaktiven Kontamination [12].
Energietipp
Vor dem Kauf einer Wärmepumpe für Ihr Zuhause sollten Sie die verschiedenen Typen und Modelle sorgfältig vergleichen, um die beste Option für Ihre Bedürfnisse zu finden. Berücksichtigen Sie dabei die Effizienz, Kosten und Umweltverträglichkeit der verschiedenen Modelle, um langfristige Einsparungen bei den Heizkosten zu erzielen und gleichzeitig einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten.
Quellen
[1] Bundesverband Wärmepumpe e.V., “Wie funktioniert die Wärmepumpe?”, https://www.waermepumpe.de/waermepumpe/funktion-waermequellen/, Zugriff: 31.02.2024
[2] Dohmann, J. (2016). Kaltdampfverfahren. In: §Thermodynamik der Kälteanlagen und Wärmepumpen§. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-49110-2_5.
[3] Bundesverband Geothermie e.V., “COP-Wert”, https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/c/cop-wert, Zugriff: 31.03.2024
[4] Fraunhofer IEG, “Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland”, https://www.ieg.fraunhofer.de/content/dam/ieg/deutsch/dokumente/ver%C3%B6ffentlichungen/Rollout_Grosswaermepumpen_Angora_Fraunhofer%20IEG.pdf, Zugriff: 31.03.2024
[5] verivox, “Luft-Luft-Wärmepumpe”, https://www.verivox.de/heizstrom/themen/luft-luft-waermepumpe/, Zugriff: 31.03.2024
[6] DAA GmbH, “Vor- und Nachteile einer Luft-Wasser-Wärmepumpe”, https://www.heizungsfinder.de/waermepumpe/luftwaermepumpe/nachteile, Zugriff: 31.04.2024
[7] Anna Vöpel, “Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Funktion, Kosten, Nachteile”, https://gruenes.haus/wasser-wasser-waermepumpe/, Zugriff: 31.03.2024
[8] Viessmann Climate Solutions SE, “Flächenkollektoren für die Wärmepumpe”, https://www.heizung.de/waermepumpe/wissen/flaechenkollektoren-fuer-die-waermepumpe.html, Zugriff: 01.04.2024
[9] IEA (2022), “The Future of Heat Pumps”, IEA, Paris, https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps, Zugriff: 01.04.2024
[10] Wärmepumpen-Initiative Niedersachsen, “Wärmepumpe und Photovoltaik in
Einfamilienhäusern”, https://www.klimaschutz-niedersachsen.de/_downloads/FaktenpapiereLeitfaeden/2022-09-29_WIN_Fakt_WP-PV-EFH.pdf, Zugriff: 01.04.2024
[11] Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V., “Radioaktivität liefert Hälfte der Erdwärme”, https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/nachrichten/2011/radioaktivitaet-liefert-haelfte-der-erdwaerme/, Zugriff: 01.04.2024
[12] Bundesverband Geothermie e.V., “Geothermie – Erneuerbare Energie aus der Tiefe der Erde”, https://www.geothermie.de/fileadmin/user_upload/Geothermie/Einstieg_in_die_Geothermie/GEO_SCHUL_B_Lernheft_4_FD_150dpi_Web.pdf, Zugriff: 01.04.2024
