Die Wärmepumpe der Zukunft

1. Statistik: Wärmepumpen sind sehr beliebt und der Markt wird wachsen

Verschiedene Institutionen beschäftigen sich mit dem Markt für Wärmepumpen und versuchen abzuschätzen wie sich dieser in Zukunft wohl entwickeln wird, beispielsweise der Bundesverband Erneuerbare Energien (BEE), das Bundesumweltministerium (BMU) und der Bundesverband Wärmepumpe (BWP).

In einem Punkt ist man sich schon mal einig: Wärmepumpen sind aufgrund Ihrer Vielseitigkeit und Wirtschaftlichkeit sehr beliebt und daher werden die Absatzzahlen steigen.

• In den vergangenen 7 bis 8 Jahren wurden in Deutschland jährlich ungefähr 50.000 neue Wärmepumpen installiert - mal mehr, mal weniger.
• Die letzten 3 Jahre wiesen aber einen eindeutigen Trend nach oben aus.
• Die Experten gehen für das Jahr 2020 mit einem Jahresabsatz von 185.000 Anlagen pro Jahr aus.
• Schon heute wird jeder dritte Neubau mit einer Wärmepumpe ausgestattet.

1.1. Zukunft der Luftwärmepumpen

Im Bereich der Sanierung werden wahrscheinlich auch immer mehr Hausbesitzer auf die beliebten Wärmepumpen setzen. Die einzelnen Wärmepumpen-Kategorien haben sicherlich ihre Vor- und Nachteile. Der Trend in den letzten Jahren ging aber eindeutig in Richtung Luftwärmepumpe. Daher wird auch davon ausgegangen, dass 2020 über 50% der installierten Wärmepumpen Luftwärmepumpen sein werden. 

Innerhalb der Kategorie der Luftwärmepumpe stechen ganz besonders die Split-Wärmepumpen heraus. Bei diesen gibt es eine Außen- und eine Inneneinheit. Dies bietet verschiedene Vorteile und so steigen hier die Absatzzahlen derzeit stark.

1.2. Zukunft der Grundwasserwärmepumpen

Grundwasserwärmepumpen werden laut den Prognosen ein Nischenmarkt bleiben. Der Anteil liegt heute bei rund 5%, welcher wahrscheinlich auch in den kommenden Jahren kaum steigen wird.

1.3. Zukunft der Erdwärmepumpen

Erdwärmepumpen sind äußerst effizient und wären wahrscheinlich beliebter, wenn die teilweise komplizierten Genehmigungsverfahren nicht wären. Durch die teuren Bohrungen werden sie aber sowieso immer teurer als Luftwärmepumpen bleiben.

1.4. Zukunft der Brauchwasserwärmepumpen

Des Weiteren gibt es noch Brauchwasserwärmepumpen, welche ausschließlich zur Erwärmung von Wasser und nicht für die Heizung, verwendet werden. Diese können zum Beispiel als Ersatz für Solarthermie-Kollektoren dienen, wenn bereits Photovoltaikmodule vorhanden sind. Brauchwasserwärmepumpen sind günstig in der Anschaffung und weisen ein starkes Absatz-Wachstum auf.

2. Forschungsbeispiele bei Wärmepumpen-Systemen

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme - abgekürzt ISE - nutzt schon seit mehreren Jahren eine Adsorptionswärmepumpe mit Solarthermie und setzt das Gesamtsystem für die Kühlung der Kantine des ISE in Freiburg ein. Der Aufbau der Anlage hat den großen Vorteil, dass Sonnenenergie, die es in der warmen Jahreszeit zur Genüge gibt, zum Kühlen genutzt wird.

• Im konkreten Beispiel werden Solarkollektor und -speicher besser ausgelastet, die Adsorptionskältemaschine läuft mit bis zu 80 % weniger Strom.
• Ein weiterer umweltfreundlicher Aspekt ergibt sich aus der Tatsache, dass anstelle umweltschädigender Kältemittel normales Wasser zum Einsatz kommt. Die überschüssige Abwärme leiten die Forscher des Fraunhofer-Instituts via Erdsonden ins Erdreich, speichern sie dort und setzen sie im Winterbetrieb zur Gebäudeheizung ein.

Das ISE begann den Betrieb Ende 2010, veröffentlichte die Forschungsergebnisse und fand Nachahmer: ähnliche Anlagen kühlen inzwischen Betriebskantinen, Verkaufsräume und Büros in ganz Europa. Auch die intelligente Steuerung von Kühltruhen in Supermärkten hat in den letzten Jahren zu Fortschritten bei der Wärmepumpentechnologie geführt.

Inzwischen hat man es geschafft, die Wärmekapazität von Lebensmitteln in den Kühlvorgang einzubeziehen. In der Nacht kühlen die Anlagen die Lebensmittel wegen der günstigeren klimatischen Bedingungen (niedrigere Außentemperatur) und des billigeren Nachtstroms etwas weiter herunter als nötig, tagsüber reduziert die Anlage die Kühlleistung, doch die kälteren Lebensmittel erwärmen sich nicht zu sehr.

Die dänische Stadt Viborg wiederum kühlt und heizt gleichzeitig ihr Rathaus mit einer Adsorptions-Kältemaschine, die Energie aus dem Grundwasser bezieht und als hybride Anlage gleichzeitig Fernwärme nutzt. Eine Bauteilaktivierung als Systemkomponente leistet den Grundanteil der Temperierung, Spitzenlasten fangen Radiatoren auf. Das Transportmedium ist grundsätzlich Wasser. Die Grundwassertemperatur in Viborg von rund 10 °C reicht für die Kühlung und Heizung gleichermaßen, lediglich bei gefrorenem Erdreich müsste die Anlage auf eine konventionelle Heizung umgestellt werden.

3. Zukunftsweisende technische Entwicklungen bei der Wärmepumpe

Wärmepumpen werden in unterschiedliche Richtungen weiterentwickelt, auch ihre Einsatzspektren erweitern sich.

Forscher versprechen sich viel für die Verbesserung der Erdwärmesondenleistung mithilfe einer "Regenschirmsonde". Bei dieser Sonde gruppieren sich um ein zentrales Rücklaufrohr radial acht bis zwölf Vorlaufrohre, was die Wärmeentzugsleistung um rund ein Drittel steigern kann. Die Sondenkosten steigen lediglich um knapp zehn Prozent.

Eine weitere technische Entwicklung zielt auf die Direktverdampfung in Erdwärmesonden, allerdings ist das aktuell (Anfang 2015) wirklich noch Zukunftsmusik. Die Erdsonden müssen hierzu exakt auf das Nichtunterschreiten einer Quellentemperatur von 5 °C dimensioniert werden. Das bewirkt zweierlei:

1. Die Jahresarbeitszahl erhöht sich signifikant.
2. Außerdem ermöglicht dieses System einen Kreislauf ohne Frostschutzmittel.

Das ist wesentlich umweltverträglicher und kostengünstiger.

Schon in der Anwendung befinden sich Wärmepumpensysteme, die in Kombination mit dem Lüftungssystem eines Niedrigenergiehauses funktionieren. Das System entzieht der Abluft die Wärme und nutzt sie zur Frischlufterwärmung. Die Leistung der Wärmepumpe kann unter 4 kW liegen und ermöglicht dadurch ein sehr wirtschaftliches Klimatisieren des Hauses.

Die Niederländer entwickeln derweil eine Installationsmethode für Erdwärmesonden, bei der nicht mehr gebohrt, sondern die Sonden in den Boden gepresst werden. Das klappt bei sehr weichen Böden, wie sie für Holland typisch sind, und nur bis zu Tiefen von maximal 50 m, befördert aber dennoch den Einsatz von Wärmepumpen.

Weitere Forschungen befassen sich mit dem Thema, ob Erdwärmesonden-Speicher auch als Hochtemperaturspeicher im Bereich von 40 - 70 °C geeignet sind. Erste Ergebnisse lassen einen Speichernutzungsgrad zwischen 50 - 70 Prozent vermuten. Wenn sich das bestätigt, kämen Wärmepumpen mit sehr geringem elektrischen Energiebedarf zur Wärmerückgewinnung zum Einsatz, während die Beladung der Energiespeicher durch Solarsysteme oder industrielle Abwärme erfolgt.

3.1. Politische Förderung der Wärmepumpensysteme

Die Bundesrepublik und andere Staaten stehen der Wärmepumpentechnologie auch aus ökologischen Gründen sehr aufgeschlossen gegenüber, denn die Schadstoffemissionen werden durch die Anlagen drastisch reduziert. Das schlägt sich auch in der deutschen Energieeinsparverordnung (EnEV) nieder, die als Ziel den Ersatz alter, ineffizienter Heizungsanlagen unter anderem durch Wärmepumpen nennt. Dementsprechend wird die Technologie großzügig gefördert, auch in die Forschung fließt viel Geld.

4. Wo kann man etwas studieren, was mit der Wärmepumpen-Technik zu tun hat?

Wenn man über Zukunft spricht, muss man auch an die zukünftigen Forscher denken. An vielen Universitäten und Fachhochschulen kann man themenverwandte Studiengänge belegen. Wer sich für Wärmepumpen, Geothermie, Versorgungs-, Energie- und Heiztechnik, sowie verwandte Themengebiete interessiert, wird hier in unserer Übersicht fündig.