Die Referenten der 27. WP-Tagung: (v.li.) David Zogg, Guillaume Cuvillier, Enrico Da Riva, Stephan Renz, Rita Kobler, Carina Alles, Carsten Wemhöner, Beat Wellig. (Bilder: zVg)

Die meisten nationalen Wärmepumpenmärkte wuchsen in den letzten 10 Jahren kontinuierlich, der gesamte EU-Markt wuchs zwischen 2015 und 2019 sogar zweistellig.

Durch die Integration von Wärmepumpen in industrielle Prozesse können deren Effizienz weiter gesteigert und die Betriebskosten reduziert werden.

Wärmepumpentechnik – ein Weg für eine klimafreundliche Zukunft

Mit über 220 Teilnehmern stiess die Schweizer Wärmepumpentagung 2021 in Burgdorf wiederum auf grosses Interesse. Die vom Forschungsprogramm Wärmepumpen und Kälte des Bundesamts für Energie (BFE) organisierte virtuelle Tagung zeigte die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Wärmepumpen in Areal-Überbauungen, über digitale Revolution bis hin zur industriellen Nutzung.

Die Tagung startete mit einem Blick in die Zukunft, wo der Kühlbedarf auch in unseren Breiten eine zunehmende Bedeutung erhalten wird. Wärmepumpen sind nicht mehr wegzudenken und immer häufiger wird die Energie aus Umgebungsluft, Erdreich, Grundwasser oder Abwärme zum Heizen und Kühlen von Gebäuden verwendet. Der spannende Tag über das Reich der WP zeigte auf eindrückliche Weise, dass diese Technologie noch lange nicht ausgereizt ist. Wie jedes Jahr führten Carina Alles und Stephan Renz gekonnt durch den wichtigen Anlass.

Reversible CO2 Wärmepumpe für Grossgebäude

Die Unternehmen der Migros-Gruppe reduzieren kontinuierlich ihren Stromverbrauch und den Ausstoss von Treibhausgasen. Dadurch wurde die bestehende Öl-Heizung und Klimatisierung vom Einkaufszentrum Surseepark wurden durch zwei reversible Luft/Wasser CO2-Wärmepumpen (Nenn-Heizleistung von 1100 kW und Kühlleistung von 1260 kW) zu ersetzen. Markus Rütti, Migros Luzern und Jonas Schönenberger, Frigo-Consulting, schilderten Details zur Anlage. Das von der Bauherrschaft gewählte Konzept mit einer reversiblen Luft/Wasser CO2-Wärmepumpe, ist das nachhaltigste aller verglichenen Konzepte. Im Winter 2020/21, in den Monaten Oktober bis März, haben die reversiblen Luft/Wasser CO2-Wärmepumpen 3,27 GWh Heizenergie auf das Temperaturniveau +30°C/+45°C aufbereitet und weisen dabei im Heizbetrieb eine Arbeitszahl von 3,23 auf.

Die mittlere Leistung der zwei Wärmepumpen beläuft sich auf rund 1/3 gegenüber der Heizkurve, welche bei der Konzeptevaluation hinterlegt wurde. Die Tendenz zur mittleren Leistung deckt sich mit dem hohen Anteil an Standby-Betrieb der Wärmepumpen. Im mittleren Temperatur-Bereich passen die gemessenen COP-Werte zu den prognostizierten Werten. Im unteren und oberen Temperatur-Bereich lässt sich Verbesserungspotential vom Modell erkennen. Es ist davon auszugehen, dass insbesondere die Berücksichtigung der Rücklauftemperatur wie auch die Teillast resp. das Takten der Wärmepumpen die Prognose-Genauigkeit vom Modell verbessern.

Eine relevante Rolle in Grossgebäuden

Der Ausblick zu einem Folgeprojekt lässt erahnen, dass geringfügige Anpassungen in der Systemauslegung und im Betrieb eine Steigerung vom COP gegenüber dem Modell von rund +8% bewirken. Dieser Trend in die richtige Richtung stimmt Markus Rütti und Jonas Schönenberger zuversichtlich, dass reversible Luft/Wasser CO2 Wärmepumpen in Zukunft eine relevante Rolle bei der Beheizung und Klimatisierung von modernisierten Grossgebäuden spielen werden.

Digitale Revolution

Neue Geschäftsmodelle für Wärmepumpen stellte Thomas Nowak, European Heat Pump Association EHPA, den Teilnehmern vor. Der Nutzen von Wärmepumpentechnologien für ein nachhaltiges Energiesystem ist gegeben. Die meisten nationalen Wärmepumpenmärkte wuchsen in den letzten 10 Jahren kontinuierlich, der gesamte EU-Markt wuchs zwischen 2015 und 2019 sogar zweistellig. Im Jahr 2020 wurden insgesamt 1,6 Mio. Heizungs- und Warmwasser-Wärmepumpen verkauft, was zu einem Installationsbestand von 14,6 Mio. Einheiten führte. «Und doch reicht dieses Tempo des Wandels nicht aus», gab sich Nowak überzeugt.

Energieeffizienz zuerst

Die Europäische Kommission gibt in ihrer Strategie zur Integration des Energiesystems an, dass 40% aller Wohngebäude und 65% aller gewerblichen Gebäude mit Strom beheizt werden müssen. Da der Grundsatz «Energieeffizienz zuerst» die EU-Politik bestimmt, ist das nur eine andere Art zu sagen: «Alle diese Gebäude müssen effizient mit Strom beheizt werden - das heisst mit Wärmepumpen». In Einheiten umgerechnet, handelt es sich um 42 bis 57 Millionen Wärmepumpen – eine Steigerung um den Faktor vier. Es wird argumentiert, dass eine schnellere Abkehr von fossilen Öl- und Gasheizungen durch vergleichsweise höhere Investitionen von Wärmepumpen-Lösungen begrenzt wird. Infolgedessen würde kostengünstigeres Angebot zu höheren Verkaufszahlen führen, gab sich Nowak überzeugt. Zwar werden Skaleneffekte letztlich zu niedrigeren Produktionskosten führen (EHPA schätzt -36% bis 2030), doch reichen diese Auswirkungen nicht aus, um die Differenz zwischen den Kosten für einen durchschnittlichen fossilen Heizgerätersatz und den Kosten einer Wärmepumpenlösung zu schliessen.

Aus Sicht der Industrie werden ein Ausstieg aus fossilen Subventionen, die Neuausrichtung der Energiebesteuerung und die Einführung eines CO2-Preises zu einem wettbewerbsfähigeren Markt für Wärmelösungen beitragen. Die dafür notwendige Änderung der Politik beginnt in der EU erst jetzt. In der Zwischenzeit steht die Industrie nicht still, und eine Reihe von Akteuren entwickeln neue Geschäftsmodelle, um den Einsatz von Wärmepumpen zu beschleunigen. Eine Frage ist jedoch, ob man sich vom klassischen Modell «eigene Heizungsanlage und selber betreiben» lösen und mit «Wärme als Dienstleistung» Wärmepumpen attraktiver machen kann? Und ist die Industrie «digital» genug, um diesen Wandel kosteneffizient zu unterstützen?

Integration von Wärmepumpen in Prozesse

Beat Wellig und Raphael Agner von der Hochschule Luzern, befassten sich mit ihrem Referat mit der Integration von Wärmpumpen und Speichern zur Effizienzsteigerung nicht-kontinuierlicher Prozesse. Dazu wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, der sich nahtlos in die Pinch-Methodik einführt. Die Prozesswärme steht im Fokus verschiedener Bemühungen, da sie mehr als die Hälfte des gesamten Energiebedarfs der Industrie ausmacht (56% im Jahr 2019. Klassische Ansätze der Energie-Optimierung konzentrieren sich meistens darauf, die Effizienz einzelner Apparate zu verbessern. Die Erfahrungen zeigen jedoch, dass die optimale Verknüpfung von Energieströmen im Gesamtsystem wesentlich grössere Effizienzsteigerungen bringen als die oft kostspielige Optimierung einzelner Systemteile. Durch die Integration von Wärmepumpen in industrielle Prozesse kann deren Effizienz weiter gesteigert und die Betriebskosten reduziert werden. Der Einbau von Wärmespeichern erschliesst zusätzliches Einsparpotenzial. Mittels Pinch-Analyse kann bestimmt werden, ob eine Energiespeicherung technisch und wirtschaftlich möglich ist, welche Wärmequellen und -senken berücksichtigt und wie die Speicherkapazitäten und -temperaturen gewählt werden sollen.

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