Was ist eine Wärmepumpe?

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?

Am einfachsten versteht man das durch eine Analogie zu einer gewöhnlichen Wasserpumpe. Stellen wir uns ein Haus idyllisch gelegen am Fuße eines Berges vor. Etwa 80 m oberhalb dieses Hauses in 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.

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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 die mit Wasser aus dem Bergsee. Mit dem gewonnen elektrischen Strom treiben wir wiederum eine elektrische Wasserpumpe an, die Wasser von einem nahegelegenem Brunnen fördert.

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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 heißtes liegt Faktor 8 dazwischen. Dazu kommen aber noch Umwandlungsverluste, die wir abschätzen mit 50% für die Brunnenpumpe und 50% für Turbine plus Generator. Das bedeutet: Um das Haus mit der gleichen Menge an Trinkwasser zu versorgen, benötigen wir nur noch die Hälft an kostbaren Bergseewasser. Oder anders ausgedrückt: Wir können mit der gleichen Menge Bergseewasser zwei Häuserversorgen. Zugegeben eine technisch aufwendigere Lösung, aber deutlicheffizienter.

Eine Wärmepumpe ist nichts anderes. Der Bergsee mit seinem hohen geodätischen Potenzial entspricht fossilen Energieträgern wie Gas. Eine wertvolle Energieform, die man in alle möglichen Energieformen umwandeln kann. Man kann das Gas einfach verbrennen und in Wärme auf niedrigem Temperaturniveauumwandeln. Genau wie wir das Haus durch ein einfaches Drosselventil mit Bergseewasser versorgt haben. Es funktioniert, aber es geht besser.

Wenn wir das Gas in einem modernen Gaskraftwerkt in elektrischen Strom umwandeln können wir damit eine Wärmepumpe betreiben, und damit Wärme von einem noch niedrigeren Temperaturniveau (z.B. aus der Umgebungsluft)auf das niedrige Temperaturniveau im Haus pumpen. Genau wie bei dem Wasserpumpenbeispiel ist das um den Faktor 2 effizienter.

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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 Wärmeversorgungübertragen. 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.

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