Wärmepumpen gelten bekanntlich als Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Die Erforschung wird daher vom offiziellen Österreich seit langem gefördert. Nachfolgend bieten wir eine Zusammenfassung der spannendsten aktuellen Forschungsprojekte.
Der Sektor Wärme ist derzeit für etwa die Hälfte des Energieverbrauchs in Österreich verantwortlich. Der Großteil der Energie stammt jedoch immer noch aus fossilen Quellen wie Heizöl oder Erdgas. Damit tragen die Wärmeerzeugung und der Gebäudesektor maßgeblich zu den Treibhausgasemissionen bei. Um diese zu reduzieren und die gesetzten Klimaziele zu erreichen, muss die Versorgung mit Wärme und die Klimatisierung von Gebäuden nachhaltiger und effizienter erfolgen. In diesem Kontext gewinnen Wärmepumpen zunehmend an Bedeutung. Österreichweit sind aktuell rund 537.000 Wärmepumpenanlagen im Einsatz, die 1,26 Millionen Tonnen CO2 (netto) einsparen.
Hochtemperatur-WP für industrielle Prozesse
Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTWP) spielen eine wichtige Rolle für die Dekarbonisierung der Industrie und die Reduktion von CO2-Emissionen.
Sie können im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen deutlich höhere Temperaturen erzeugen. Im Projekt „High Temperature Heat Pump for Industry“ werden neuartige Hochtemperatur-Wärmepumpen auf Kolbenkompressor-Basis entwickelt.
Die Komponenten dieser neuen HTWPs werden so optimiert, dass sie Leistungen von bis zu acht Megawatt erreichen und zuverlässig Wärme bis 150°C liefern.
Langfristig ist geplant, dass sie sogar Temperaturen von bis zu 200°C erreichen. Die Wärmepumpen werden in Prüfständen in Jenbach in Tirol installiert und erprobt. Anschließend wird eine Wärmepumpe als Demo-Anlage in ein Energiesystem eingebunden. Sie soll den Standort mit Wärme versorgen und die Abwärme in das lokale Fernwärmenetz einspeisen. Im Projekt werden außerdem digitale Lösungen wie innovative Steuerungssysteme und ein digitaler Zwilling entwickelt.
Doch nicht nur auf nationaler Ebene wird an Hochtemperatur-Wärmepumpen in der Industrie geforscht, auch internationale Teams beschäftigen sich mit dieser Technologie. Österreich kooperiert beispielsweise im Rahmen des Projektes „IEA HPT Annex 68“ mit Dänemark, um den Einsatz und die Verbreitung industrieller Hochtemperaturwärmepumpen zu fördern. Dazu werden Informationen zu Herstellern, Produkten, Projekten systematisch erfasst sowie Trends analysiert. Anschließend werden diese Informationen in eine bestehende, internationale und frei zugängliche Online-Datenbank eingepflegt. Zusätzlich werden Empfehlungen für sektorspezifische Lösungen formuliert.
Dampferzeugende Wärmepumpen
In der Produktion von Arzneimitteln wird Energie zur Kühlung von Rohstoffen, Zwischenprodukten und Medikamenten verbraucht. Zudem sind Wärme und Dampf notwendig, um chemische und biologische Prozesse zu starten oder sterile Bedingungen in der Produktion zu schaffen.
In der Arzneimittelherstellung wird der Großteil dieses Prozesswärmebedarfs primär durch Erdgas gedeckt. Im Zuge des Projekts „Ahead“ wird nun erstmals eine dampferzeugende Wärmepumpe in industrielle Prozesse integriert, und zwar am Standort des Biopharma-Unternehmens Takeda in Wien. Durch den Einsatz von erdgasfreier Dampferzeugung sollen die CO2-Emissionen im Produktionsprozess um bis zu 90 Prozent reduziert werden. Das entspricht einer Reduktion von ungefähr 1.900 Tonnen CO2 pro Jahr am Standort.
Die dampferzeugende Wärmepumpe wird ausschließlich mit natürlichen Kältemitteln wie Ammoniak, Butan und Wasser betrieben. In Kombination mit Dampfverdichtern kann sie höhere Prozesstemperaturen erreichen als bisher möglich. Dafür wird zuerst das Heizungswasser von 65 °C auf ungefähr 130 °C erwärmt, sodass es verdampft. Der Dampf wird anschließend auf 11 bar verdichtet, wodurch er auf über 184 °C erhitzt wird. Das Ahead-System kann zudem für Temperaturen von 200°C bis 260 °C erweitert werden. Durch die Zentralisierung der Kühlung kann auch die Abwärme der Kälteanlage zurückgewonnen werden. Sie wird von einer Wärmepumpe auf 65 bis 70°C erwärmt und für das Heizungswasser genutzt. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird das Potenzial der Lösung auch in anderen Bereichen mit hohem Energieaufwand untersucht, wie beispielsweise in der Papier-, Chemie- oder Lebensmittelindustrie.
Weitere Industrieanwendungen
In der Industrie entsteht oftmals Abwärme, die aufgrund ihrer geringen Temperatur nicht für Prozesse genutzt werden kann.
Es werden zwar immer häufiger Wärmetauscher eingesetzt, diese können die Wärme jedoch nur übertragen und nicht aufheizen. Da die Abwärme nicht genutzt werden kann, wird sie an die Umgebung abgegeben, meist in Gewässer. Dadurch wird nicht nur viel Energie verbraucht, sondern auch die Umwelt erheblich belastet. Für die Industrie wurden daher Hochtemperatur-Wärmepumpen entwickelt. Aufgrund von mangelndem Wissen über die Prozessintegration werden sie allerdings nur selten eingesetzt.
Im Projekt „Prozess-Wärmepumpen“ wurde anhand von Fallstudien in österreichischen Industriebetrieben aufgezeigt, wie Wärmepumpen in der Prozessindustrie Anwendung finden können. Diese Wärmepumpen können heutzutage thermische Energie mit einer Temperatur von bis zu 160°C bereitstellen. Im Projekt wurden zunächst Industriebetriebe analysiert, um die vielversprechendsten Prozesse für den Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen zu ermitteln. Diese Prozesse wurden folglich genauer analysiert und bewertet, um die Systemauslegung sowie die ökonomischen und ökologischen Auswirkungen zu bestimmen. Außerdem wurden bestehenden Hürden und Chancen ermittelt sowie Handlungsempfehlungen erarbeitet.
Wärmepumpen können darüber hinaus in Trocknungsprozessen für die Industrie, Gewerbe sowie im Haushalt eingesetzt werden. Diese sind jedoch mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Im internationalen Projekt „IEA HPT Annex 59“ mit Deutschland und China wird untersucht, wie viel Energie bei Trocknungsprozessen in diesen Bereichen durch den Einsatz von Wärmepumpen eingespart werden kann. Ziel ist es, das erarbeitete Wissen an Hersteller, Planer und Betreiber zu vermitteln, den Einsatz von Wärmepumpen in den genannten Bereichen voranzutreiben und bestehende Hemmnisse abzubauen.
Energiewende im Quartier
Im Projekt „CarbonZero4IMS“, wird eine nachhaltige Energieversorgung in der Inge-Morath-Siedlung in Graz angestrebt. Das Quartier umfasst 108 Wohneinheiten und 51 Einzelgebäude, die in den frühen 2000er-Jahren errichtet wurden. In den Wohneinheiten wird die Wärme derzeit zentral über Gasheizungen und das Warmwasser dezentral elektrisch bereitgestellt. Das bedeutet, dass sie über ein Niedertemperaturnetz verteilt wird. In den Einzelgebäuden sorgen einzelne Gasthermen für Wärme und Warmwasser. Die derzeitige Gasversorgung soll im Laufe des Projekts auf eine erneuerbare, CO2-freie Wärmeversorgung umgestellt werden. Wärmepumpen eigenen sich für dieses Quartier, da die Wärme schon über Niedertemperatur verteilt wird. Um die Wärme und Kälte zu den Wärmepumpen zu transportieren, sollen eine kombinierte Photovoltaik-Solarthermie-Anlage sowie Erdsondenfelder errichtet und über ein Anergienetz verbunden werden. Über das Anergienetz kann auch Energie zu einzelnen Wärmepumpen in den Einzelgebäuden geleitet werden.
Während sich „CarbonZero4IMS“ auf ein bestimmtes Quartier konzentriert, untersucht das Projekt „UrbanHP“ allgemein, wie Wärmepumpen in bestehende städtische Quartiere eingebunden und betrieben werden können. In Gebäuden kann durch vernetzte Heiz- und Kühlsysteme viel Energie eingespart werden. Allerdings bringt der Einsatz von Wärmepumpen auch diverse Herausforderungen mit sich, wie zum Beispiel begrenzter Platz oder Lärm.
Zugleich werden durch den zunehmenden Stromverbrauch aus der E-Mobilität die Netze belastet und PV- sowie Windstrom verursachen Schwankungen. Wärmepumpen in Kombination mit Wärmespeichern können die Lasten flexibel verschieben und helfen so, erneuerbare Energien besser zu integrieren. Im Projekt „UrbanHP“ wird dazu eine strukturierte Analyse durchgeführt, welche unter anderem auf einer teilweise digitalen Umsetzung in einer realen Case Study basiert. Zusätzlich zur nationalen Ebene gibt es auch auf internationaler Ebene Projekte zum Thema „Wärmepumpen im Quartier“. Im Rahmen des Projekts „IEA HPT Annex 61“ wird gemeinsam mit Deutschland, Schweiz, Japan und USA der Einsatz von Wärmepumpen in Plusenergiequartieren untersucht. Es soll ermittelt werden, wie effizient Wärmepumpen elektrische und thermische Energie nutzen und wie sie zu einer positiven Energiebilanz beitragen können. Dazu werden Wärmepumpenkonzepte für Einzelgebäude und Quartiere entwickelt und bewertet.
Neben dem Einsatz von Wärmepumpen auf Quartiersebene spielt auch die Optimierung von einzelnen Gebäuden eine wichtige Rolle. Um die Sanierungsrate von aktuell unter einem Prozent wieder zu erhöhen, braucht es neue minimalinvasive und skalierbare Sanierungsverfahren.
Im Projekt „PhaseOut“ wurden innovative, minimalinvasive Sanierungslösungen mit Wärmepumpen und Photovoltaik im mehrgeschossigen Wohnbau konzipiert, optimiert, demonstriert und bewertet. Ein Fokus lag dabei auf seriellen bzw. industrialisierten Ansätzen. Dazu wurden verschiedene technische Sanierungsvarianten (von zentralen über teilweise zentrale hin zu dezentralen Wärmepumpensystemen) anhand von sieben Gebäuden miteinander verglichen und bewertet. Neben der Wärmepumpentechnologie wurden auch modulare, vorgefertigte Fassadenelemente mit integrierter Technik eingesetzt. Gemeinsam mit Italien und Großbritannien zielt das Projekt „IEA HPT Annex 60“ darauf ab, Barrieren beim Einsatz von Wärmepumpen bei der Sanierung von großen Nichtwohnungsgebäuden abzubauen. Zu diesen Gebäuden zählen Krankenhäuser, Einkaufszentren, Industriegebäude, Bildungseinrichtungen und Museen. Im Projekt werden Daten aus realen Gebäuden gesammelt und anschließend Empfehlungen zur besseren Planung von Wärmepumpen in Nichtwohnungsgebäuden erstellt.
Intelligente Regelung zur Stromnetzentlastung
Um die Flexibilität von Gebäuden, Wärmepumpen und Wärmespeichern nutzen zu können, sind intelligente Regelungssysteme notwendig. Im Projekt „FlexHP“ wird ein neues Energiemanagementsystem entwickelt, mit dem Wärmepumpen dynamisch und flexibel in einem dezentralen Energiesystem betrieben werden können. Sämtliche Akteure im Energiesystem werden zunächst in einem Modell abgebildet. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung eines belastbaren Wärmepumpenmodells, welches dazu dient, den Leistungsverbrauch und das thermische Verhalten des Gebäudes vorherzusagen. Ein KI-gestützter Algorithmus regelt den Stromverbrauch so, dass das Netz entlastet wird. Schließlich werden die Modelle und der Algorithmus in einem Living-Lab mit realen Komponenten getestet.
Neben dem Einsatz von KI zur Flexibilitätsoptimierung von Wärmepumpen werden auch andere digitale Services wie fortschrittliche Modellierung, Big-Data-Methoden und Augmented Reality in Zusammenhang mit Wärmepumpen erforscht. Im internationalen Projekt „IEA HPT Annex 67“ wird gemeinsam mit Belgien und Schweden untersucht, wie diese Dienste über den gesamten Lebenszyklus der Wärmepumpe hinweg genutzt werden können. Zu diesem Zweck werden Daten aus der Forschung sowie aus der Praxis in einer internationalen Datenbank zusammengetragen.
Schallemissionen und Sicherheit
Wärmepumpen bieten viele Vorteile, jedoch sind bei ihrem Einsatz – wie bei jeder Technologie – gewisse Faktoren zu berücksichtigen. Dazu gehören unter anderem Schallemissionen, da sich die von der Wärmepumpe erzeugten Geräusche auf die Wohnqualität sowie die Akzeptanz der Systeme auswirken können. Lärmemissionen können somit die weite Verbreitung dieser Technologie, insbesondere im städtischen Raum, einschränken.
Ein Beispiel für die Untersuchung von Schallemissionen findet sich im Projekt „AIrFoil“, welches sich der Effizienzsteigerung und Lärmminderung von Luftwärmepumpen widmet. Dazu wird ein Verfahren zur Konstruktion von Luftwärmepumpen entwickelt, das bislang wenig genutzt wurde. Im Gegensatz zur herkömmlichen Bauweise, bei der die Luft mittels eines Ventilators durch den Wärmetauscher gesaugt wird, wird nun die Luftrichtung umgekehrt. Das bedeutet, der Ventilator drückt die Luft durch einen Kanal an den Wärmetauscher. Dieses Verfahren erzeugt zwar weniger Lärm, aber ohne weitere Maßnahmen führt es zu einer geringeren Leistung. Das Projekt zielt darauf ab, diese Verluste durch einen feststehenden Gleichrichter auszugleichen. Dieser optimiert die Luftströmung und sorgt für eine effiziente Wärmeübertragung.
Auf internationaler Ebene arbeitet Österreich zusammen mit Deutschland an dem Projekt „IEA HPT Annex 63“, das sich mit den Auswirkungen der Platzierung von Wärmepumpen auf die Schallemissionen beschäftigt. Dazu werden zunächst die Schallemissionen in Gebäuden und in Nachbarschaften analysiert und bewertet. Außerdem wird untersucht, wie Menschen die Geräusche von Wärmepumpen wahrnehmen. Schließlich werden bestehende Tools, die bei der optimalen Platzierung von Wärmepumpen unterstützen, weiterentwickelt. Das Projekt soll zum Abbau der Marktbarrieren, die aufgrund von Schallemissionen entstehen, beitragen.
In Zusammenhang mit Wärmepumpentechnologien müssen zudem verschiedene Sicherheitsaspekte beachtet werden, wie zum Beispiel die Verwendung von brennbaren Kältemitteln. Dabei kann es potenziell zu Leckagen kommen, durch die brennbares Kältemittel aus dem Kältekreislauf austreten kann. Im Projekt „Wise“ werden Sicherheitskonzepte von Wärmepumpen mit brennbarem Kältemittel für den Gasthermenersatz erweitert. Das Ziel dieser Konzepte besteht darin, die Sicherheit bei der Installation von Wärmepumpen im Wohnbereich zu erhöhen, und zwar über die derzeit gültige Sicherheitsnorm hinaus. Mittels Simulationen werden Methoden zur Erkennung von Leckagen und Tests verbessert.
Die Ergebnisse des nationalen Projekts fließen in das internationale Projekt „IEA HPT Annex 64“ ein, welches sich auch mit den Sicherheitsmaßnahmen für brennbare Kältemittel beschäftigt. Ziel ist es, neues Wissen über den sicheren Einsatz von brennbaren Kältemitteln in Wärmepumpen und Kälteanlagen bis 50 kW zu erarbeiten. Das Wissen soll sowohl die Risiken als auch die technischen Lösungsmöglichkeiten für eine sichere Verwendung von Wärmepumpen aufzeigen. Neben Österreich beteiligen sich Deutschland, Schweden und Südkorea an dieser Kooperation.
Autoren: Anna-Lena Oberhofer und Ludwig Fliesser, Green Energy Lab (im Auftrag des BMIMI)
