Wärmepumpen - Energiewende Ebersberg

Wärmepumpen
Technologieoptionen, Einsatzfelder und Potentiale
Welche Wärmequellen kommen für eine Nutzung in Frage?
Kühlung im Sommer?
Arno Poehlmann, Mitglied des Vorstands BWP
9. Nov 2015, Ebersberg
Energieeinsparverordnung
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Quelle Fraunhofer IBP
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Anteile Erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch Strom Wärme Kraftstoff
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
CO2-Emission und Primärenergiefaktor
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
3
2,6
2,5
2
1,8
1,5
1,1
1,1
Erdgas
Heizöl
1
0,5
0
Strom nach ENEV 2009 Strom nach ENEV2014
4
CO2-Emission Gramm je kWh Brennstoff
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Strom: EE-Anteil steigt
CO2-Emission sinkt
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Strom
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Erdgas
Heizöl
Quelle UBA
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Der Wärmetransformator
•
•
•
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Der Stromtransformator
Ein Stromtransformator wandelt Spannung
und Strom für den erforderlichen Zweck um
Beispiel: 220V Netzstrom auf 12V Strom für
LED-Beleuchtung
•
•
•
Der Wärmetransformator
Eine Wärmepumpe transformiert die
Temperatur einer Wärmequelle auf eine für
Heizzwecke nutzbare höhere Temperatur
Beispiel: Grundwasser mit 10°C auf
Warmwasser mit 60°C
Funktionsweise Wärmepumpe
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Der Umweltwärme-Transformator
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
 Der zum Antrieb benötigte Strom
kann ganz oder teilweise
 aus Erneuerbaren
Energien und/oder
Nachwachsenden
Rohstoffen erzeugt
worden sein und
 vom eigenen Dach
und/oder vom Versorger
geliefert werden
 Und enthält damit kein
oder nur wenig CO2
Bild: Alpha-Innotec
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
CO2-Emission Gramm je kWh Wärme
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
WP (JAZ5)
WP (JAZ4)
WP (JAZ3)
WP (JAZ2)
Erdgas
Heizöl
Bei steigendem EE-Anteil im Strom werden Wärmepumpen immer umweltfreundlicher.
Das gilt auch für bestehende ältere Wärmepumpen!!
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Die Wärmepumpe hilft, CO2-Emissionen
und Primärenergie zu reduzieren
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Ziel der Bundesregierung ist ein EE-Anteil bei der Stromversorgung von ca.
50% bis 2030. Heute sind es etwa 27%.
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Effizienz der Wärmepumpe
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Leistungszahl Wärmepumpe
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Leistungszahl Wärmepumpe
𝑇𝑊𝑎𝑟𝑚
𝐶𝑂𝑃 = 𝜂𝑊𝑃 ∗
𝑇𝑊𝑎𝑟𝑚 − 𝑇𝐾𝑎𝑙𝑡
𝜂𝑊𝑃 Wirkungsgrad Wärmepumpe ca. 0,4 bis 0,6 z.B. 0,5
Wärmequelle: z.B. Grundwasser 283°K (10°C)
Wärmesenke: z.B. Heizungsvorlauf 308°K (35°C)
𝐶𝑂𝑃 = 0,5 ∗
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308
=
308 −283
6,2
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Leistungszahl Wärmepumpe
Leistungszahl
Beispiel: 90° C werden benötigt
20,0
18,0
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
9,1
2,6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperaturdifferenz Quelle-Senke
Je grösser die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke,
desto kleiner ist die Leistungszahl
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Jahresarbeitszahl Wärmepumpe
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
𝑄𝑊ä𝑟𝑚𝑒
𝐽𝐴𝑍 =
𝑄𝑆𝑡𝑟𝑜𝑚
Je nach Temperaturdifferenz werden Werte zwischen 2 und 6 erreicht.
Stammt der zugeführte Strom aus Erneuerbaren Energien, dann werden CO2Emissionen zu 100% vermieden.
In Verbindung mit Eigenstromerzeugung können Wärmepumpenheizungen
erheblich CO2 und Primärenergie einsparen.
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Wärmequellen
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•
Erdsonde
•
Flächenkollektor
•
Grundwasser
•
Luft
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Weitere Wärmequellen
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•
Eisspeicher
•
Kühlanlagen
•
Rechenzentren
•
Heizkraftwerke und Wärmenetze
Wärmepumpen nur im Neubau?
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
Bild: mein.bau.com


Bild: energieeffizient-sanieren.org
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Die Energie-Einsparverordnung (ENEV) hat den
Wärmeverbrauch von Neubauten gewaltig reduziert.
Deswegen reichen schon geringe Heizleistungen und
geringe Temperaturen (Flächenheizungen) für ein
Wohlfühlklima
Jeder 3. Neubau im EFH-Bereich wird mit einer
Wärmepumpe ausgestattet
Seit etwa 1975 wurden schon viele Gebäude mit
Flächenheizsystemen ausgestattet. Diese eigenen sich
hervorragend für eine Umrüstung auf die
Wärmepumpe
Im Lauf der Zeit wurden bei Altbauten bereits
Modernisierungen getätigt (Neue Fenster,
Dachisolierung…). Deshalb sind vorhandene
Heizkörper überdimensioniert und eignen sich für den
Betrieb mit niedrigen Temperaturen
Wärmepumpen und Erneuerbare Energie
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Behauptung:
Wärmepumpen können nicht mit Strom aus
Erneuerbaren Energien betrieben werden, weil
Angebot und Nachfrage nicht überein stimmen



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In Bezug auf PV und Solarthermie stimmt das: Wenn die
Sonne scheint, benötigt man weniger Wärme und die
Sonne scheint nur am Tag, aber…
Tagsüber erzeugter Strom kann mittels Wärmepumpe in
Wärme umgewandelt und für die Nacht gespeichert
werden
Die Winderstromzeugung in Deutschland ist in der kalten
Jahreszeit erheblich grösser als im Sommer
Wärmepumpen und Photovoltaik
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Kaskadenschaltung von Zählern
Z1
Z2
ZE
Wärmepumpe
Haushalt
PV
Stromnetz

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Die Kaskadenschaltung von Zählern ermöglicht die Nutzung der
Eigenerzeugung für Haushalt und Wärmepumpe trotz
unterschiedlicher Tarife für Haushalt und Wärmepumpe
Wärmepumpen und Fossile Brennstoffe
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg

Moderne Hybridanlagen (Kombination
Wärmepumpe mit Brennwertkessel)
nutzen zwar noch fossile Brennstoffe,
aber äußerst sparsam und sie können
den Netzbetrieb unterstützen

Der Einsatz von fossilen Brennstoffen
kann um 85 bis 90% reduziert werden

Die Steuerung kümmert sich
automatisch um den wirtschaftlichsten
Betrieb
Wärmepumpen in Nahwärmenetzen




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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
helfen, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Die Vorlauftemperatur
wird nicht dem „schwächstem Glied“ angepasst. Wärmepumpen
heizen vor Ort nach
– Reduzierung der Übertragungsverluste
– Reduzierung der Investitionskosten
– Reduzierung der Betriebskosten (Pumpstrom)
Warmwasserbereitung in Mehrfamilienhäuser mittels
Wärmepumpen
Erhöhung der Übertragungskapazität durch Rücklaufabsenkung
Auch Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau kann genutzt
werden
Beispiel: Abwärme aus Biogasanlagen
im EFH-Neubaugebiet





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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Satelliten-BHKW mittels Gasleitung möglichst nahe an
Neubaugebiet rücken
Wirtschaftslichkeitsbetrachtung
Invest/Wärmeverluste/Betriebskosten anstellen
Erhöhung der Übertragungskapazität durch Rücklaufabsenkung
Auch Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau kann mit
hohem COP genutzt werden
Betrieb der WP im Baugebiet mittels Contracting (eigener
Strom aus BHKW) kann genutzt werden
Hochtemperatur-Wärmepumpen
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Einstufige Hochtemperaturwärmepumpen



6098°C
3555°C
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
Die Wärmequelltemperaturen von 35°C bis
55°C ermöglichen die Erzeugung von 98°C
hohen Vorlauftemperaturen mit hohen
Leistungszahlen (COP)
Einsatz von Rohrbündelwärmetauschern als
Verdampfer und Kondensator
Leistungsbereich: 60 bis 640 kW
Diese Wärmepumpen stellen gleichzeitig Heizund Kühlenergie zur Verfügung
(COPHeiz= 5, COPKühl= 3 bei 40/85º C)
Hochtemperatur-Wärmepumpen
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Abwärmenutzung
 Durch die Nutzung der kostenlosen
Abwärme der Kälteanlage, wird die
benötigte Wärmevernichtungsanlage
entlastet (Kühlturm, Luftrückkühler, etc.)
 Kosteneinsparung
 Gleichzeitig wird praktisch kostenlos
Heißwasser bis 95°C bereitet, welches
meist in großen Mengen benötigt wird
 Energiekosteneinsparung
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Hochtemperatur-Wärmepumpen
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Bessere Brennstoffausnutzung
 Dem Rauchgas kann weitere Energie
entzogen werden, in dem es auf 30 bis
40° C abgekühlt wird
 Leistungssteigerung
 Effizienzerhöhung
Quelle: Ochsner
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Hochtemperatur-Wärmepumpen
Kapazitätserhöhung
im Wärmenetz
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Kühlung von Gebäuden

28
Dieses Haus benötigt pro Jahr
– 25.000 kWh Wärme
– 35.000 kWh Kälte
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9. Nov 2015, Ebersberg
Reversibler-Wärmepumpenbetrieb Kühlung
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Passive Kühlung
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Passive Kühlung
Erzeugung:
80.000 kWh/Jahr
Verbrauch für Licht, Kraft und Wärme 60.000 kWh/Jahr
Überschuss (Plus-Energie)
20.000 kWh/Jahr
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Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Energiewende
Arno Poehlmann
9. Nov 2015, Ebersberg
Die Stromwende ist nur ein (kleiner) Teil der Energiewende
• Eine Wende in den Sektoren Wärme und Verkehr
erfordert
• weg von fossilen Energie (Dekarbonisierung)
• viel mehr Strom aus Erneuerbaren Energien
• Bessere Steuerung durch die Bundesregierung
(Sinnvolle Umverteilung von Steuern, Abgaben)
• Verknüpfung der Sektoren Strom, Wärme, Verkehr
• Regelung und Steuerung smart grid
• Speicher (Warmwasser, Batterien,…)
• Die ersten Verbände haben das erkannt z.B.
• VDE (Strom im Wärmemarkt)
• FVEE (Wärmewende)
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Beispiel Abschlussfolie
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt für weitere Fragen:
Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.
030 / 208 799 711
[email protected]