Bei der Verbrennung von Kohle, Öl oder Biomasse in elektrische Energie geht Nutzenergie verloren: Nur ein Teil des Brennstoffs wird in Strom umgewandelt; der Rest ist Abwärme. Wärmepumpen können auch diesen Anteil nutzbar machen – allerdings braucht es dafür wiederum Antriebsenergie. Lohnt sich das? Um diese Frage zu beantworten, haben die Forscher Jovan Mitrovic und Petar Avdalovic verschiedene Heizsysteme und Wärmepumpenanwendungen miteinander verglichen und Interessantes zur Abwärmenutzung herausgefunden.

Funktionsweise der Wärmepumpe

Bevor ich euch die Ergebnisse präsentiere, rufen wir uns die Funktionsweise der Wärmepumpe nochmal ins Gedächtnis: In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel , das bei niedrigen Temperaturen verdampft. Das Gas wird verdichtet und gibt dabei Wärme ab. Anschließend wird es entspannt und kondensiert. Als Energiequelle nutzt die Wärmepumpe die in der Umgebung enthaltene Energie. Der Verdichter wird mit Strom oder Gas angetrieben. 

Quelle: Bundesverband Wärmepumpe e.V., ergänzt um Abwärme als Wärmequelle

Funktionsprinzip der Wärmepumpe, Bundesverband Wärmepumpe e.V. – ergänzt um Abwärme als Wärmequelle

Ein Maß für die Effizienz der Wärmepumpe ist der COP, auch Leistungszahl genannt. Er beschreibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung und der zugeführten elektrischen Leistung. Der COP ist nicht konstant, sondern für jeden Betriebspunkt anders: abhängig von der Temperatur der Wärmequelle (z.B. Grundwasserleiter) und der Nutztemperatur (z.B. für die Raumheizung). Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen den beiden, desto höher der COP. Und je höher der COP, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Aber Vorsicht: Der COP sagt noch nichts über die Effizienz der Gesamtanlage; dafür muss die Jahresarbeitszahl (JAZ) herangezogen werden.

Vergleich von Wärmepumpenanwendungen mit Abwärmenutzung

Doch nicht nur die natürliche Umwelt (Grundwasser, Erdboden, Außenluft) kann als Energiequelle für Wärmepumpen dienen, sondern jede Umgebung, in der Abwärme anfällt. Also in Kraftwerken und bei anderen industriellen Anlagen, in denen Energieumwandlungsprozesse stattfinden. Hier setzen Mitrovic und Avdalovic an. Ihre zentralen Erkenntnisse:

  • Wärmepumpen können die Wärmeverluste in Wärmekraftwerken nutzbar machen, obwohl sie selber Strom als Antriebsenergie verbrauchen
  • Voraussetzung dafür ist, dass das Produkt aus COP und dem Wirkungsgrad der Anlage gleich oder größer 1 ist.
  • Die Effizienz der Wärmepumpe steht und fällt mit dem COP (Coefficient Of Performance), auch Leistungszahl genannt.
  • Wärmepumpen sparen Brennstoff ein, wenn sie mit „Blauer Energie“ betrieben werden. Als Blaue Energie bezeichnen die beiden Forscher jede Art von Energiequelle, die sich ohne Verbrennungsprozess in Strom umwandeln lässt. Also die klassischen Erneuerbaren wie Sonne, Wind, Wasser und Erdwärme.

Umgebungsenergie ist nicht gleich Umgebungsenergie

Es ist kein Geheimnis, dass wir hier Solarthermie als Sonnen-Direktheizung favorisieren und dass vor allem Luftwärmepumpen mit Außenluft als Energiequelle bei uns bisher nicht gut weggekommen sind. Der Unterschied zum heutigen Artikel ist, dass es hier um die Nutzung von Abwärme geht – und deren Temperaturniveau ist deutlich höher als das von üblichen Wärmequellen kleiner Wärmepumpen für den „Hausgebrauch“. Zudem steht sie kontinuierlich zur Verfügung. Zum „Pumpen“ auf ein höheres Temperaturniveau braucht man daher deutlich weniger Energie, der COP ist einfach höher. Und solange es noch Verbrennungskraftwerke gibt, sollten diese möglichst effizent betrieben werden.

Daneben gibt es auch noch die Kraft-Wärme-Kopplung, die ebenfalls gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt. Welche Variante besser ist, hängt von der Anwendung ab – wenn z.B. das Temperaturniveau der Abwärme zu gering ist, um die Wärme direkt zu nutzen, ist eine Wärmepumpe sinnvoll.

 

Weiterführender Link/Quelle:

Energetic and Ecological Benefits of Heat Pump Application in Energy Transformation Systems, International Journal of Thermal & Environmental Engineering, Volume 5, No. 1 (2013) 1-11 (PDF-Datei).

Foto: Nordreisender / photocase.de

Grafik: Bundesverband Wärmepumpe e.V.