Wärmepumpen gelten als Schlüsseltechnologie für die Energiewende im Wärmesektor. Sie nutzen Umweltwärme und wandeln sie mit Hilfe von Strom in nutzbare Heizenergie um. Aufgrund ihrer hohen Effizienz und Flexibilität spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der CO2-Emissionen.
Raumheizung und Warmwasserbereitung machen etwa die Hälfte des weltweiten Energieverbrauchs in Gebäuden aus. Fast zwei Drittel der Heizenergie stammen aus fossilen Brennstoffen. Im Jahr 2022 emittierte die Heizung und Warmwasserbereitung direkt und indirekt rund 4,2 Gigatonnen CO2, was mehr als 80 Prozent der CO2-Emissionen des Gebäudesektors entspricht.
„Die Pariser Klimaziele erfordern einen sehr bewussten Umgang mit den verfügbaren Ressourcen. Für die Wärmeversorgung bedeutet das, so viel wie möglich der vorhandenen Energie zu nutzen und bei Bedarf zu ergänzen“, erklärt Dr. Dietrich Schmidt vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE.
Wärmepumpen nutzen die vorhandene Umweltwärme und heben sie mit Hilfe von Strom auf ein höheres Temperaturniveau. Da der benötigte Strom in der All Electric Society CO2-frei erzeugt werden soll, sind Wärmepumpen ein wichtiger Bestandteil zur Dekarbonisierung des Heizsystems.
Der globale Markt für Wärmepumpen wird voraussichtlich mit einer jährlichen Wachstumsrate von 11,8 Prozent wachsen, von 90,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 157,8 Milliarden US-Dollar bis 2029.
(Quelle: MarketsAndMarkets)
Unterstützung des Stromnetzes
Zusätzlich tragen Wärmepumpen zur Stabilisierung des Energiesystems bei und können das Stromnetz unterstützen. Da Wärme einfacher zu speichern ist als Strom, können diese Systeme mit einem Wasserspeicher kombiniert werden, um vorzuwärmen, wenn ausreichend Strom im Netz verfügbar ist und besonders günstig ist.
„Wärmepumpen passen gut in ein klimaneutrales Energiesystem, da sie auf das Stromangebot reagieren können. Durch eine zentrale netzfreundliche Steuerung können sie sich einschalten, wenn Solar- und Windenergie ausreichend Strom liefern. Dies trägt zur Glättung von Nachfragespitzen und Angebot im Stromnetz bei. Diese Flexibilität ist ein Schlüsselbaustein für ein zukünftiges Energiesystem“, sagt Dr. Dietrich Schmidt.
Effizienzsteigerung
Das Hauptziel bei der Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnologie ist die Effizienzsteigerung. Ein Schlüsselfaktor dabei ist die Antriebstechnik: Durch die Verbesserung der Leistungselektronik der Wechselrichter, die den Kompressor und je nach Typ den Lüfter steuern, kann die Gesamtwirkungsgrad einer Wärmepumpe gesteigert werden. Der Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern in den Antriebswechselrichtern kann die Verluste im gesamten Antriebssystem um bis zu 15 Prozent reduzieren. Verschiedene Hersteller bieten außerdem integrierte Leistungsmodulen an, die den Energiefluss zu den Wechselrichtern steuern. Diese Module umfassen Leistungshalbleiter sowie viele passive diskrete Komponenten – ein typisches Leistungsmodul ersetzt zwischen 45 und 100 diskrete Komponenten. Der Vorteil dieser Lösung ist ein kleinerer Platzbedarf und deutlich kürzere Entwicklungszeiten.
Kompression durch Rotation
Neben „klassischen“ Kompressor-Wärmepumpen werden auch Alternativen entwickelt: Konventionelle Wärmepumpen nutzen den zweiphasigen Rankine-Zyklus. Die Wärmepumpen des Wiener Start-ups Ecop hingegen nutzen den Joule-Zyklus, bei dem das Arbeitsmedium keinen Phasenwechsel durchläuft und im gasförmigen Zustand bleibt. Die Kompression erfolgt durch Zentrifugalkraft: Das Arbeitsgas der Wärmepumpe zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf, der sich um eine Achse dreht. Diese rotierende Wärmepumpe erreicht eine deutlich höhere Effizienz als herkömmliche Wärmepumpen mit einer Temperaturerhöhung von bis zu 100 Kelvin und Ausgangstemperaturen von 200 Grad Celsius. Die Wärmepumpen des österreichischen Start-ups sind jedoch (bislang) wahre Giganten – acht Meter lang und 16 Tonnen schwer. Aufgrund ihrer hohen Ausgangstemperatur werden sie hauptsächlich in industriellen Prozessen eingesetzt.
Das elektrokalorische Prinzip
Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute verfolgen einen anderen Ansatz: Sie entwickeln eine „elektrokalorische Wärmepumpe“, die ohne Kompressor auskommt. In diesem Prozess wird eine elektrische Spannung an ein elektrokalorisches Material aus speziellen Keramiken oder Polymeren angelegt, wodurch es sich erwärmt. Sobald die Spannung entfernt wird, kühlt das Material wieder ab. Mit Hilfe der Leistungselektronik werden die elektrokalorischen Kondensatoren mehrmals pro Sekunde aufgeladen und entladen, wobei in jedem Zyklus Wärme gepumpt wird. Die Forscher haben eine hocheffiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler auf Basis von GaN-Transistoren entwickelt und eine elektrische Effizienz von 99,74 Prozent im elektrischen Leistungsbereich erreicht.
„Um einen hohen Leistungskoeffizienten in elektrokalorischen Wärmepumpen zu erreichen, sind eine sehr hohe Effizienz bei Materialien, Elektronik und Wärmeübertragung erforderlich“, sagt Dr. Kilian Bartholomé, Projektleiter und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. „Wenn wir all das beherrschen, hat die Elektrokalorik ein enormes Potenzial.“
