Was ist eine Wärmepumpe?

Warum eine Wärmepumpe überhaupt Wärme pumpt, ist intuitiv schwer zu verstehen. Thermodynamische Konzepte wie Wärme und Energie sind im Alltag nicht direkt erfahrbar. Daher erklären wir das Grundprinzip einer Wärmepumpe mit einer Analogie zu der viel greifbareren Wasserpumpe.

Manuel Gräber

Manuel Gräber

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May 17, 2023

123rf / eakrinr

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Eine Wärmepumpe ist ein technisches Gerät, das Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres fördert. Es gibt verschiedene Funktionsprinzipien, nach denen Wärmepumpen gebaut werden können. Das mit Abstand am häufigsten verwendete Funktionsprinzip ist ein Kältekreislauf – genau wie in einer Klimaanlage oder in einem Kühlschrank.

Warum sind Wärmepumpen energieeffizient?

Die einfache Art ein Haus zu heizen ist Brennstoffe (Gas, Öl oder Holz) zu verbrennen und die dabei entstehenden Wärme direkt in der Heizung zu nutzen. Das ist thermodynamische gesehen nie besonders effizient. Eine Wärmepumpe ist deutlich effizienter.

Der entscheidende Punkt dabei ist: um ein Haus zu heizen, reichen relativ niedrige Temperaturen (50°C) aus. Bei der Verbrennung von Gas könnten aber sehr viel höhere Temperaturen erreicht werden (deutlich über 1000 °C). Dieses Potenzial hoher Temperaturen nicht zu nutzen, ist Verschwendung. Es wird eine hochwertige Energieform (Brennstoffe) genutzt, um sie in 1:1 in minderwertige Energie (Wärme bei 50°C) umzuwandeln.

Wärmepumpen hingegen verbrauchen zwar ebenfalls eine sehr hochwertige Energieform: elektrischen Strom. Aber sie nutzen das vorhandene Potenzial wesentlich besser aus als eine Verbrennungs-Heizung. Und zwar erzeugen sie das 3 bis 4-fache an Heizwärme mit der eingesetzten elektrischen Energie. Dieses Verhältnis wird COP (Coefficient of Performance) genannt.

Aus 1 mach 3 klingt nach Zauberei? Nein, die physikalischen Naturgesetze wie Energieerhaltung werden alle erfüllt. Die zusätzliche Energie wird aus der kostenlos zur Verfügung stehenden Umgebungswärme (Luft oder Erdreich) entnommen. Damit das funktioniert, braucht man diesen erwähnten Temperaturhub. Am einfachsten versteht man das durch eine Analogie zu einer gewöhnlichen Wasserpumpe.

Die Analogie zur Wasserpumpe

Stellen wir uns ein Haus idyllisch gelegen am Fuße eines Berges vor. Etwa 80 m oberhalb dieses Hauses befindet sich ein kristallklarer Bergsee mit genügend Trinkwasser. Eine sehr einfache Art das Haus mit Wasser zu versorgen wäre, eine Leitung direkt aus dem Bergsee zu dem Haus zu legen. Man bräuchte nicht mal eine Pumpe, durch den Höhenunterschied würde das Wasser von alleine in das Haus fließen. Lediglich ein Ventil, um den Druck etwas zu drosseln, wäre sinnvoll.

Ohne Zweifel eine einfache und günstige Lösung. Aber ist sie auch energieeffizient?

Schauen wir uns eine zweite technische Lösung an. Wir installieren eine kleine Wasserturbine neben dem Haus und betreiben diese mit Wasser aus dem Bergsee. Mit dem gewonnen elektrischen Strom treiben wir wiederum eine elektrische Wasserpumpe an, die Wasser aus einem nahegelegenen Brunnen fördert.

Was ist eine Wärmepumpe? Erklärung anhand einer Analogie.

Der zu überwindende Höhenunterschied zwischen Grundwasser und Haus beträgt 10 m. Klingt erst mal umständlich, aber schauen wir uns die Energieeffizienz an.

Wir nutzen letztendlich die potenzielle Energie des 80m höher gelegen Bergseewassers, um Brunnenwasser aus 10 m Tiefe hoch zu pumpen. Die jeweiligen Energiemengen sind proportional zu den Höhenunterschieden. Das heißt, es liegt Faktor 8 dazwischen. Dazu kommen aber noch Umwandlungsverluste, die wir über Wirkungsgrade der Brunnenpumpe (50%) und der Turbine plus Generator (50%) abschätzen. Aus dem idealen Faktor 8 wird mit der Wirkungsgradkette der real erreichbare Faktor 2. Das bedeutet: Um das Haus mit der gleichen Menge an Trinkwasser aus dem Brunnen zu versorgen, benötigen wir nur noch die Hälfte an kostbaren Bergseewasser. Oder anders ausgedrückt: Wir können mit der gleichen Menge Bergseewasser zwei Häuser versorgen.

Zugegeben, eine technisch aufwendigere Lösung. Aber wenn wir voraussetzen, dass das Brunnenwasser nahezu unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung steht, während das Bergseewasser eine kostbare und begrenzte Ressource darstellt, dann ist diese aufwendige Art der Versorgung deutlich effizienter.

Wärmepumpen Effizienz erklärt anhand einer Analogie.

Eine Wärmepumpe ist nichts anderes. Die begrenzte Ressource Bergseewasser entspricht fossilen Energieträgern wie Gas. Alle Brennstoffe sind eine wertvolle Energieform, die man in alle möglichen Energieformen umwandeln kann. Man kann Gas einfach verbrennen und in Wärme auf niedrigem Temperaturniveau (50°C) umwandeln. Genau wie wir das Haus durch ein einfaches Drosselventil mit Bergseewasser versorgt haben. Es funktioniert, aber es geht besser.

Genau wie wir für die Wasserversorgung der Häuser nur einen relativ geringen Druck brauchen, reicht für das Heizen von Häusern eine relativ geringe Temperatur. Durch den Höhenunterschied des Bergsees steht das Bergseewasser im Tal mit einem viel höheren Druck zur Verfügung als wir für die Wasserversorgung bräuchten. Und auch bei der Verbrennung von Gas herrschen Temperaturen von 1000 °C und mehr, die viel höher sind, als wir sie zum Heizen bräuchten. Bei der direkten Wasserversorgung (erste Variante) und bei der direkten Heizung durch Verbrennung nutzen wir das vorhandene Potenzial nicht, sondern verschwenden es nutzlos.

Ganzheitlich betrachtet ist es wesentlich effizienter, den Umweg über die elektrische Energie (zweite Variante) zu gehen. Wie im (durchaus realistischen) Zahlenbeispiel oben gezeigt, macht die Umwandlung des hohen Wasserdrucks in elektrische Energie sehr viel Sinn. Genau so macht es Sinn, Gas nicht direkt zum Heizen zu verbrennen, sondern es in einem modernen Gaskraftwerk in elektrischen Strom umzuwandeln.

Mit dem erzeugten elektrischen Strom kann dann eine Wärmepumpe betrieben werden, um kostenlos verfügbare Wärme von einem noch niedrigeren Temperaturniveau (z.B. aus der Umgebungsluft) auf das Temperaturniveau im Haus zu pumpen. Genau wie bei dem Wasserpumpenbeispiel ist das insgesamt um den Faktor 2 effizienter, und wir könnten mit der gleichen Menge Gas zwei Häuser heizen.

Geht es noch effizienter?

Ja, das geht. Warum nutzen wir nicht auch noch das Bergseewasser, nachdem es durch die Turbine geströmt ist? Es hat weniger Druck, als vor der Turbine, aber zum Wegschmeißen ist es viel zu schade. Mit diesem Wasser können wir ohne Probleme noch ein drittes Haus versorgen.

Diesen Gedanken können wir auch auf die Wärmeversorgung übertragen. Genau wie nach der Wasserturbine Wasser auf einem niedrigen Druckniveau abgeführt wird, wird in einem Gaskraftwerk Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau abgeführt. Das ist quasi die Wärme, die aus der Verbrennung von Gas nach der Stromerzeugung übrig bleibt. Oft wird die in Kühltürmen nutzlos an die Umgebung abgeführt. Aber auch diese Wärme ist zum Wegschmeißen viel zu schade. Das Temperaturniveau reicht aus, um damit Gebäude zu heizen. Das geht über ein Fernwärmenetz und wird Kraftwärmekopplung genannt. Thermodynamisch ist das wie die Wärmepumpe eine sehr effiziente Art zu heizen.

Wärmepumpe und Fernwärme Analogie
Analogie zwischen Wasserversorgung und Bereitstellung von Heizwärme.

Manuel Gräber

Dr.-Ing.

Manuel Gräber

Managing Director

TLK Energy

Dr.-Ing. Manuel Gräber arbeitet seit 2008 an der Modellierung, Optimierung und Regelung von thermischen Systemen. Seine Promotion an der TU Braunschweig hat er mit dem Thema „Energieoptimale Regelung von Kälteprozessen“ abgeschlossen. Im Rahmen der Tätigkeiten als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Braunschweig und als Angestellter bei der TLK-Thermo GmbH hat er zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit verschiedenen Industriepartnern durchgeführt. Seine besondere Stärke ist die Verknüpfung einer breiten theoretischen Wissensbasis aus verschiedenen Disziplinen mit der praktischen Erfahrung konkreter Ingenieursprojekte.

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