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Attraktive Perspektiven für Gaswärmepumpen

Für den Ein- und Zweifamilienhausbereich wird die Gaswärmepumpe als eine wichtige Ergänzungstechnologie zu den heute als technischer Standard betrachteten Gasbrennwertheizungen gesehen. Besonders vor dem Hintergrund kommender Anforderungen an die Heizungstechnik hinsichtlich der Erhöhung des Anteils Erneuerbarer Energie und steigender Primärenergieeffizienz werden Gaswärmepumpen ebenso wie die Kombination von Gaskesseln mit solarer Energieeinkopplung sowie Geräte, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) arbeiten, dem Hausbesitzer unterschiedlich Erdgastechnologien als Alternativen bieten.

Funktionsprinzip der DAWP von Bosch Thermotechnik.

Adsorptions- und Desorptionsphase des Vaillant-Zeolith-Heizgerätes.

CO2-Emissionen eines Gasklimagerätes im Vergleich.

 

Das Funktionsprinzip von Gaswärmepumpen im kleinen Leistungsbereich basiert auf der Kombination von Erdgas als Antriebsenergie und Regenerativer Umgebungswärme, die im Erdboden, in der Luft oder in der Solarstrahlung vorhanden ist und entsprechend über Sonden, Kollektoren oder Wärmeübertrager in das System eingekoppelt wird. Momentan gibt es verschiedene Entwicklungen von Gaswärmepumpen im kleinen Leistungsbereich, die sich hinsichtlich Entwicklungsstand und technischem Funktionsprinzip unterscheiden.
Bosch Thermotechnik arbeitet beispielsweise an einer Wärmepumpe, die nach dem Diffusions-Adsorptionsprinzip mit Ammoniak, Wasser und Helium als Arbeitsmedien arbeitet. Der Prozess beruht auf Dichte- und Konzentrationsunterschieden, die durch die von einem Erdgasbrenner erzeugte Wärme initiiert werden. Zunächst wird durch die Wärme eine Ammoniak-Wasser-Lösung zum Sieden gebracht, wobei das Ammoniak verdampft, anschließend einem Kondensator zugeführt und dort wieder verflüssigt wird. Die abgegebene Kondensationswärme wird an den Heizkreislauf übertragen. Das flüssige Ammoniak wird in einem Verdampfer mittels Diffusion in Helium wieder verdampft, wobei die notwendige Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird. Das Ammoniak-Helium-Gemisch wird einem Absorber zugeführt, wo das Ammoniak verflüssigt wird. Die dabei abgegebene Wärme wird ebenfalls an den Heizkreislauf übertragen. Den Absorber verlässt eine wässrige Lösung, die dann wieder zum Sieden gebracht wird, womit der Kreisprozess geschlossen ist.

FELDTESTPHASE SOLL ALLTAGSTAUGLICHKEIT ÜBERPRÜFEN
Das Gerät befindet sich nach erfolgter Erprobung im Labor nun aktuell in der Feldtestphase, um die Alltagstauglichkeit in der realen Anwendung zu überprüfen. Vorteile der DAWP liegen darin, dass keine mechanischen Bauteile wie Pumpen oder Kompressoren benötigt werden, da der Prozess im freien Umlauf erfolgt. Während des Prozesses wird keiner der eingesetzten Stoffe verbraucht oder verändert. Somit ist ein geräusch- und wartungsarmer Betrieb zu erwarten. Nachteilig ist die für den freien Umlauf erforderliche Höhendifferenz von fast 2 m, die die Bauhöhe des Gerätes festlegt. Gedacht ist das Aggregat, das eine Leistung von 4-10 kW haben wird, sowie Vorlauftemperaturen bis 75°C ermöglichen soll, sowohl für den Modernisierungsmarkt, als auch für den Neubaubereich.

Heizleistung bei niedrigen Außentemperaturen.

Aufheizzeiten im Vergleich.

Bei Stromklimageräten wird Heizleistung und Zeit zum Abtauen der Verdampferlamellen benötigt.

Viessmann und Vaillant setzen bei ihren Wärmepumpenentwicklungen auf ein Adsorptionsprinzip, welches Zeolith als Adsorbtionsmaterial nutzt. Der Prozess erfolgt ebenfalls in einem hermetisch abgeschlossenen Modul, weswegen auch bei diesen Entwicklungen ein wartungsarmer Betrieb zu erwarten ist. Der Wärmepumpenprozess besteht aus einer Adsorptions- und einer Desorptionsphase. In der Adsoprtionsphase wird Wasser mittels Umgebungswärme verdampft. Dieser Wasserdampf wird vom Zeolith aufgenommen und gebunden. Die dabei am Zeolith frei werdende Adsorptionswärme wird an den Heizkreislauf abgegeben. In der Desorptionsphase wird der mit Wasser gesättigte Zeolith durch Gasverbrennung erhitzt, wodurch das Wasser in dampfförmiger Phase abgegeben wird. Der Wasserdampf kondensiert im Kondensator und wird wieder dem Verdampfer zugeführt. Die im Kondensator frei werdende Kondensationswärme wird ebenfalls an den Heizkreislauf abgegeben.
Das Zeolith-Gas-Heizgerät von Vaillant ist mit 10 kW Heizleistung prädestiniert für den Einsatz im Ein- und Zweifamilienhausbereich, wobei sowohl der Neubau wie auch der energetisch sanierte Bestand als Einsatzort möglich sein werden. Das Zeolith-Kompaktgerät von Viessmann wird momentan unter Praxisbedingungen im Labor getestet, eine Feldtestphase wird sich daran anschließen.

ABSORPTIONSWÄRMEPUMPE MIT INTEGRIERTEM ERDGASBRENNWERTGERÄT
Eine weitere interessante Entwicklung stellt die Absorptionswärmepumpe eines japanischen Unternehmens dar, die als Prototyp im Rahmen der ISH 2007 präsentiert worden ist. Bei dieser Entwicklung handelt es sich um eine erdgasbefeuerte Absorptionswärmepumpe mit integriertem Erdgasbrennwertgerät. Die Wärmepumpe mit einer Heizleistung von bis zu 4,8 kW ist für die Abdeckung der thermischen Grundlast geeignet, während das Brennwertgerät bis zu 19 kW zusätzlich an Heizleistung zur Verfügung stellen kann, bei Vorlauftemperaturen zwischen 20 und 55°C. Als einzige Entwicklung momentan bietet dieses Gerät eine Kühloption für ein bis zwei Räume mit einer Kühlleistung von 0,5 bis 2,0 kW. Feldtests mit dem Prototyp haben zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Das Gerät wird weiterentwickelt, um die speziellen Anforderungen des europäischen Marktes zu erfüllen.
Der größte Vorteil von Gaswärmepumpen liegt in ihrem deutlich höheren "Wirkungsgrad" von bis zu 135%, welcher im Vergleich zu Brennwertgeräten CO2-Einsparungen von bis zu 25% ermöglicht. Bei einer durchschnittlichen Leistung von bis zu 10 kW modulierend eignen sich Gaswärmepumpen sowohl für den Einsatz im Neubau als auch bei der Modernisierung von Altbauten. Erste Gasabsorptions-Wärmepumpen des Herstellers Robur sind bereits für das Mehrfamilienhaus verfügbar. Die breite Markteinführung der nächsten Generation effektiver Gasabsorptions- und Zeolith-Wärmepumpen, die für Ein- und Zweifamilienhäuser geeignet sind, ist nicht vor Ende 2010 zu erwarten.

Autor: Dr. Jochen Arthkamp, Geschäftsführer der ASUE, Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.

www.asue.de

 


MARKTÜBERSICHT GASWÄRMEPUMPEN 2010
Die Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE e.V.) hat eine aktualisierte Fassung der Marktübersicht Gaswärmepumpen veröffentlicht. Die Publikation listet die gängigen der am deutschen Markt verfügbaren Geräte sowie die zugehörigen Vertriebsunternehmen auf. Zudem sind in der Broschüre zu allen aufgeführten Geräten die wichtigsten technischen Daten wie Kälte- und Wärmeleistungsbereich, Kälte- und Heizleistungszahl sowie das erreichbare Temperaturniveau bei Wärme und Kälte aufgelistet. Inhaltlich ist die Marktübersicht in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil widmet sich den gasmotorisch angetriebenen Wärmepumpen, die auch unter dem Namen Gasklimageräte bekannt sind. Der zweite Teil listet Gaswärmepumpen auf, die nach dem Absorptionsprinzip arbeiten, sowie Absorbern. Absorber nutzen Abwärme, um daraus nutzbare Wärme oder Kälte zu erzeugen und werden häufig in Kombination mit Blockheizkraftwerken eingesetzt, um deren Laufzeiten zu verlängern.

 


Die Marktübersicht Gaswärmepumpen 2010 umfasst 20 Seiten und kann als Einzelexemplar bei der ASUE kostenfrei angefordert werden (E-Mail: info@asue.de). Zudem lässt sich die Publikation als PDF-Datei unter www.asue.de aus der Rubrik Themen → Gaswärmepumpe/Kälte → Veröffentlichungen herunter laden.

 


 

NACHGEFRAGT
IKZ-HAUSTECHNIK: Im größeren Leistungsbereich hat sich die Technik der Gaswärmepumpe inzwischen etabliert. Offenbar gibt es im kleinen Leistungsbereich, also für den Bereich der Ein- und Zweifamilienhäuser, weiterhin Probleme. Wieso funktioniert es dort nicht?
Dr. Jochen Arthkamp: Es funktioniert auch dort. Allerdings wurden zuerst Gaswärmepumpen für den größeren und mittleren Leistungsbereich entwickelt, da hier die absoluten Ersparnisse am größten waren. Derzeit entwickeln und testen mehrere Hersteller unterschiedliche Gaswärmepumpen im kleinen Leistungsbereich, die zukünftig auch im Einfamilienhaus eingesetzt werden.

IKZ-HAUSTECHNIK: Einige Hersteller forschen und entwickeln schon seit vielen Jahren an der Zeolith-Wärmepumpe. Bisher ist man über den Stand der Laborentwicklung noch nicht hinaus gekommen. Macht es da überhaupt Sinn, weiter in diese Technik zu investieren? Wäre nicht die Gasmotorenwärmepumpe eine bessere Alternative, in die es lohnt zu investieren?
Dr. Jochen Arthkamp: Gasmotorwärmepumpen sind eher für den mittleren und größeren Leistungsbereich, ab etwa 20 kW, geeignet. Absorptions- und Adsorptionstechniken - dazu gehören auch die Zeolithtechniken - sind aus unserer Sicht eher geeignet für den kleinen Leistungsbereich. Ich denke auch, dass die zwischenzeitlich niedrigen Energiepreise nicht die Nachfrage nach besonders effizienten Beheizungssystemen beim Kunden gefördert haben. Erst mit steigenden Energiepreisen und zunehmendem Bewusstsein für den Klimaschutz bekommen Entwickler hier wieder bessere Perspektiven.

IKZ-HAUSTECHNIK: Wir schreiben das Jahr 2010. Wann erwarten Sie die breite Markteinführung von Gaswärmepumpen für den kleinen Leistungsbereich?
Dr. Jochen Arthkamp: Aus unserer Sicht wird es nicht mehr ein breites Massenprodukt geben, wie wir das in der Vergangenheit etwa beim Kessel hatten. Stromerzeugende Heizungen und Solar-Brennwert-Systeme beispielsweise stehen im sportlichen Wettbewerb mit Gaswärmepumpen. Auf der ISH 2011 werden wir sehen, welche Systeme dann verfügbar sind.

IKZ-HAUSTECHNIK: Welches sind - auf den Punkt gebracht - die wesentlichen Vorteile von Gaswärmepumpen gegenüber den strombetriebenen Pendanten?
Dr. Jochen Arthkamp: Punkt 1: Nutzung der Primärenergie Erdgas, Vermeidung von Kraftwerksumwandlungsverlusten.
Punkt 2: In den zunehmend besser isolierten Gebäuden wird die Trinkwassererwärmung zunehmend bedeutender. Hier sind Temperaturen erforderlich, die Wärmepumpen allgemein nicht mehr so effizient erreichen können. Und zum erforderlichen Nachheizen ist ein Brennstoff wesentlich sinnvoller als der unter Umwandlungsverlusten erzeugte elektrische Strom.
Punkt 3: Für Gaswärmepumpen müssen keine Kraftwerkskapazitäten vorgehalten werden. Kleine Energieumwandlungseinheiten erreichen in der Bevölkerung eine höhere Akzeptanz als große.

IKZ-HAUSTECHNIK: Primärenergetisch hat die Gaswärmepumpe offenkundig deutliche Vorteile. Wie sieht es auf der Kostenseite aus, wenn Anschaffung, Jahresnutzungsgrad und Wartung mit einfließen?
Dr. Jochen Arthkamp: Gaswärmepumpen werden unter der Prämisse eines wettbewerbsfähigen Produkts entwickelt. Bei den Vollkosten werden Sie mit anderen Systemen mithalten können.

IKZ-HAUSTECHNIK: Hat die Gaswärmepumpe das Potenzial, mittelfristig die Brennwerttechnik zu verdrängen oder werden Techniken wie Mikro-KWK das Rennen im Heizungskeller gewinnen?
Dr. Jochen Arthkamp: Das Rennen wird ständig spannend bleiben. Das motiviert alle, noch besser zu werden. Auch Kombinationen sind denkbar: So ist die Brennwerttechnik in Gaswärmepumpen und stromerzeugenden Heizungen eine gängige Technik. Aber auch Solar-Brennwert-Kombinationen erreichen eine hohe Effizienz. Der Wettbewerb wird zu immer effizienteren Systemen führen, die auch bezahlbar bleiben.

Dr. Jochen Arthkamp: "Gaswärmepumpen werden unter der Prämisse eines wettbewerbsfähigen Produkts entwickelt."

 


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