15. Oktober 2021

Effizienz – Bauarten – Leistungsspektrum – Einbindung

Vor dem Hintergrund des Klimawandels gilt es, Wärme und warmes Trinkwasser möglichst ressourcen- und klimaschonend bereitzustellen. Ist ausreichend grüner Strom im Netz und sind Gebäude durch bauliche Maßnahmen mit einem niedrigen Energieverbrauch gekennzeichnet, können elektrische Wärmepumpen einen Großteil des Heizwärmebedarfs umweltschonend bereitstellen. Sind aber lokale Stromnetze bereits am Limit oder gibt es seitens der Bausubstanz einen Bedarf an höheren Temperaturen im Heizungsvorlauf, dann bieten sich andere Lösungen an.

Der umfangreiche Sanierungsstau im deutschen Gebäudesektor bedingt, dass auch in 30 Jahren noch viele veraltete Gebäude im Bestand sein werden und Lösungen zur Beheizung auch für diese existieren müssen. Hier kommen gasförmige Energieträger ins Spiel. Die heute in der Installation dominierenden Heizgeräte sind Gasbrennwertthermen, die mit Wirkungsgraden knapp über 100 % durch Nutzung der Kondensationswärme das Ende der entwicklungstechnischen Fahnenstange erreicht haben. In Hybridanlagen mit Wärmepumpen oder als Spitzenlastkessel in Quartiersnetzen werden sie langfristig weiter ihren Einsatz finden.

Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen, Mikrogasturbinen) erreichen zwar nicht einen Gesamtwirkungsgrad von 100 %, aber sie bieten durch ihre gleichzeitige Stromerzeugung mehrere Vorteile: Sie entlasten die Stromnetze, stützen in dunklen und windstillen Zeiten die Erneuerbaren Energien und schaffen problemlos auch höhere Vorlauftemperaturen.

Gaswärmepumpen gemeinsam mit den Erneuerbaren

Anders als die vorgenannten Geräte produzieren Gaswärmepumpen keinen Strom, sondern sie nutzen die mechanische Kraft eines Motors, um einen Verdichter anzutreiben. Mit diesem wird wie bei allen Wärmepumpen ein Kältemittel komprimiert, wobei es sich auf zum Heizen nutzbares Niveau aufheizt.

Mit der Einbindung der Umweltwärme aus Umgebungsluft, Raumluft, Abwärme, Geothermie, Grundwasser etc. erschließen auch Gaswärmepumpen einen großen Teil Erneuerbarer Energie für die Versorgung eines Gebäudes. Anders als die anderen KWK-Anlagen kommen Gaswärmepumpen dadurch in den Genuss der BEG-Förderung. Im Rahmen von Einzelmaßnahmen sind sie mit bis zu 45 % ihrer Investitions- und Planungskosten förderfähig.

Importierte Effizienztechnik

Die am Markt verfügbaren Geräte erreichen zusammen mit dem eingesetzten Gas Wirkungsgrade von bis zu 180 %. Technologisch durchgesetzt haben sich Gasmotorwärmepumpen, die vor allem von japanischen Herstellern auf den deutschen Markt gebracht wurden. Die Anlagen werden in Fernost vormontiert, nach Deutschland verschifft, von heimischen Anlagenbauern (sogenannten Packagern) an den deutschen Markt angepasst und anschlussfertig ausgerüstet. Die Leistungen beginnen bei ca. 40 kW_th, was z. B. für ein Mehrfamilienhaus oder die TGA kleinerer, produzierender Unternehmen ausreicht. Die größten Geräte liefern mehrere 100 kW_th. Grundsätzlich können Einzelgeräte aber auch kaskadiert angeschlossen werden um größere Leistungen bis in den Megawattbereich zu erreichen.

Eine neuartige Technologie aus französischer Entwicklung geht einen anderen Weg. In ihr kommt kein Gasmotor mehr zum Einsatz, vielmehr wird ein dem Sterlingmotor ähnlicher Kolben erhitzt. Dieser entwickelt daraus eine rotierende Bewegung und komprimiert ein Kältemittel. Zur Glättung der Bewegungen sind in einem Gerät gleich drei dieser Kolben installiert. Als Kältemittel kommt das in diesem Fall umweltfreundliche Kohlenstoffdioxid (GWP-Wert = 1) zum Einsatz. Mit nur 20 kW_th, aber einem Wirkungsgrad von mehr als 180 % stellt diese vom Hersteller als thermodynamische Gaswärmepumpe bezeichnete Entwicklung eine Option für Ein- oder Zweifamilienhäuser mit höherem Wärmebedarf dar.

Thermodynamisch bzw. stoffchemisch spannend wird es dann bei Gasabsorptionswärmepumpen. Diese Technologie nutzt ebenfalls keinen Gasmotor, aber sie bindet noch sogenannte innere Energie (Enthalpie) ein, die beim Mischen und Trennen bestimmter Stoffpaarungen frei wird. Am deutschen Markt ist bei mehreren Lieferanten eine aus Italien importierte Lösung verfügbar, die sich der Mischung von Wasser und Ammoniak (NH₃, GWP = 0!) bedient. Auch hier wird mit einem Gasbrenner Energie zugeführt und das Kältemittel im Anschluss zum Heizen genutzt. Im Vorlauf dieses Brenners befinden sich zum einen der übliche Verdampfer, der Umweltwärme einbindet, zum anderen aber auch ein Gefäß, in dem Lösungs- und Kältemittel vermischt werden. Dabei wird die oben beschriebene Mischungsenthalpie als zusätzliche Wärme frei. Diese speziellen Gaswärmepumpen sind ab einer Leistung von 18 kW_th verfügbar. Eine größere, bis in den Megawattbereich kaskadierbare Version, weist eine Leistung von je 45 kW_th auf.

Installateure profitieren von standardisierten Schnittstellen

Allen bis hierhin vorgestellten Typen von Gaswärmepumpen ist gemein, dass sie bei Auslieferung anschlusstechnisch an die deutschen Normen angepasst sind. Für den Installateur bedeutet das, dass über die Definition von Aufstellmaßen und Schnittstellen sämtliche Planungsarbeiten relativ einfach abgeschlossen werden können. Es müssen dann lediglich die Vor- und Rücklaufleitungen zum Heizungssystem bzw. zum Trinkwassersystem sowie ein Gasanschluss und ein Abgaszug verlegt werden. Im Fall der Gasabsorptionswärmepumpen kommt zusätzlich eine Abblasleitung für das als Gefahrstoff zu betrachtende, stark riechende Ammoniak hinzu.

Für komplexere Installationen, z. B. die Integration in die TGA von Bürogebäuden oder in kleinen und mittleren Unternehmen, gelten die gleichen Regeln wie für alle anderen Heizungs- und Kälteanlagen. Insbesondere die Lieferanten von Gasmotorwärmepumpen bieten dafür spezielle Anschlusssysteme an, die z. B. ein leichtes Umschalten zwischen Heiz- und Kühlbetrieb ermöglichen. Ebenso sind hier teilweise schlüsselfertige Systeme, die in einem Komplettpaket Gaswärmepumpen, Lüftungstechnik und z. B. VRF-Einheiten aus einer Hand enthalten, verfügbar.

Gaswärmepumpen stellen insbesondere für Mehrfamilienhäuser, Quartiersnetze und kleine Unternehmen eine gute Alternative zur rein elektrischen Wärmeund Kälteerzeugung dar. Mit der Option, langfristig über das Brenngas vollständig klimaneutral betrieben zu werden, bieten sie schon heute die Einbindung eines großen Anteils Erneuerbarer Energie aus der Umgebung oder dem Untergrund.

Autor: Thomas Wencker, Referent Effiziente Energiesysteme und Erneuerbare Gase bei der ASUE – Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V.

Tipp der Redaktion:

Eine Übersicht aller technischen Parameter und die Lieferanten erhalten Sie in der ASUE-Marktübersicht Gaswärmepumpen 2020. Kurzlink: bit.ly/3B0WEn0

Nachgefragt

IKZ-HAUSTECHNIK: Wie viele Gas-Wärmepumpen werden in Deutschland jährlich verbaut und welche Technik hat die Nase vorn?

Thomas Wencker: Marktführend sind derzeit die Gasmotorwärmepumpen vor den Gasabsorptionsgeräten und der thermodynamischen Wärmepumpe. Über genaue Stückzahlen schweigen sich die Marktteilnehmer leider mehrheitlich aus.

IKZ-HAUSTECHNIK: Es gibt aktuell nur einen Anbieter, der ein Gerät mit kleiner Wärmeleistung für Ein- und Zweifamilienhäuser zur Verfügung stellt. Warum bieten nicht mehr Hersteller kleinere Leistungen an?

Thomas Wencker: Es sind eher technische Gründe, die gegen allzu kleine Anlagen sprechen. In GWP muss verschiedenes, teilweise umfangreiches Equipment verbaut sein, das wesentlich komplexer als eine Brennwerttherme ist. Erst bei größeren Geräten wird der Betrieb wirtschaftlich. Kleiner Exkurs: Vaillant und Viessmann hatten lange Jahre eine kleine Gasadsorptionswärmepumpe für EFH auf dem Markt, der Verkauf wurde aber wegen der hohen Fertigungskosten und der geringen Nachfrage wieder eingestellt. In Kälteanlagen werden deren technische Prinzipien aber weiterhin erfolgreich genutzt.

IKZ-HAUSTECHNIK: Welche Vorlauftemperaturen lassen sich mit Gas-Wärmepumpen unter Beibehaltung einer hohen Jahresarbeitszahl realisieren?

Thomas Wencker: Für Gas-Wärmepumpe gilt hier dasselbe wie für Elektro-Wärmepumpen: Je niedriger die Vorlauftemperatur, umso höher der Wirkungsgrad. Ein paar Hersteller versprechen mehr, aber um auf Nummer sicher zu gehen, können 55 °C als mit hoher Effizienz erreichbare Temperatur angegeben werden.

IKZ-HAUSTECHNIK: Was gilt es bei der Planung und Ausführung von Gas-Wärmepumpen zu beachten? Macht es Sinn, die Hersteller mit ins Boot zu holen?

Thomas Wencker: Das kommt auf den Kunden an. Die Boostheat-Anlage ist dadurch an private Kunden angepasst, dass sie als „BlackBox“ funktioniert. Dagegen entfalten die größeren Anlagen insbesondere dann ihr volles Potenzial, wenn sie z. B. bidirektional eingebunden werden oder größere Volumenströme händeln. Hierfür sind dann tieferes gebäudetechnisches Know-how und ebenso eine gewissenhafte Betriebsführung wünschenswert.

IKZ-HAUSTECHNIK: Funktionieren die Geräte grundsätzlich auch mit Flüssiggas? Wie steht es um künftige regenerative und synthetische Gase?

Thomas Wencker: Die Anlagen von Boostheat, Aisin und Panansonic können auch mit Flüssiggas betrieben werden. Weitgehend klimaneutrales Biomethan steht für alle verfügbaren Gas-Wärmepumpen bereit und zumindest die Gasmotoren sind stand heute für mindestens 20 % Wasserstoff freigegeben. Die Versuche zur Zertifizierung für 100 % Wasserstofflaufen. Grundsätzlich können die Gasgeräte an die meisten gasförmigen Kraftstoffe, also auch klimaneutrale PtX-Produkte, angepasst werden.