Gas-Wärmepumpe: In den Startlöchern

Wie ihr Elektro-Pendant nutzt auch die Gas-Wärmepumpe das Verdampfen und Kondensieren – also die Änderung der Aggregatszustände eines Stoffs für den Wärmepumpenprozess. ­Allerdings wird der Verdichter einer Gas-Wärmepumpe nicht elektrisch angetrieben, sondern mittels Gasmotor oder rein thermisch mit einem Gasbrenner. So dient neben dem Kondensator immer auch der Gasantrieb als Wärmequelle, das ermöglicht ein relativ hohes nutzbares Temperaturniveau.

Gas-Wärmepumpen basieren auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien: Die Gasmotor-Wärmepumpe ist, wie die Elektro-Wärmepumpe, eine Kompressions-Wärmepumpe. Die Adsorptions- und die Absorptions-Wärmepumpe, einschließlich ihrer Sonderform Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe (DAWP), zählen zu den Sorptions-Wärmepumpen.

Der entscheidende Unterschied ist die Art der Verdichtung: Bei den verfahrenstechnisch einfacheren Kompressions-Wärmepumpen treibt ein Elektro- oder Verbrennungsmotor den mechanischen Kompressor an, während bei den Sorptions-Wärmepumpen die Verdichtung auf thermischem Wege erfolgt. Dadurch kommen sie mit deutlich weniger bewegten Teilen aus, zum Beispiel ohne Kompressor oder Ventile. Sorptions-Wärmepumpen sind dadurch besonders wartungsarm, wirtschaftlich, langlebig und geräuscharm. Sie unterteilen sich in zwei Gruppen:

Adsorptions-Wärmepumpen setzen auf die Zeolith-Technik. Das Zeolith besteht aus Aluminium- und Siliziumoxid. Der keramikähnliche Feststoff kann erhebliche Mengen Wasser speichern und diese bei Erhitzung wieder abgeben. In Adsorptionswärmepumpen verdampft das Kältemittel Wasser und nimmt dabei die Umweltwärme auf. Der Wasserdampf wird an der Oberfläche des Zeolith-Granulats adsorbiert, dabei entsteht Wärme auf einem höheren Temperaturniveau. Wenn das Zeolith gesättigt ist, wird das Wasser mit der Wärme eines Gasbrenners in der Desorptionsphase wieder aus dem Zeolith getrieben. Der Prozess findet im Vakuum statt. In beiden Phasen – Adsorption und Desorption – wird Wärme auf den Heizkreislauf übertragen. Der taktende Ablauf ist aufgrund der Trägheit des Heizkreislaufs nicht wahrnehmbar.

Absorptions-Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip der Gasabsorption. Die Technik ist aus dem Kältebereich schon seit Jahren bekannt. Kältemittel wie Ammoniak verdampfen schon bei niedrigen Temperaturen und unter geringem Druck, wenn sie Umgebungsenergie aufnehmen. Ihr Dampf gelangt in den Absorber und wird dort von einem Lösungsmittel (beispielsweise Wasser) absorbiert. Bei diesem Vorgang wird Wärme frei, die über einen Wärmeübertrager dem Heizungssystem zur Verfügung gestellt wird. Die Lösungsmittelpumpe transportiert das flüssige Stoffpaar (Kälte- und Lösungsmittel) mit sehr geringem Energieaufwand zum gasbetriebenen, thermischen Verdichter. Durch Zufuhr von Wärme verdampft dort das gelös­te Kältemittel, weil es von beiden Stoffen die geringere Siedetemperatur hat. Der Kältemitteldampf hat nun ein hohes Druck- und Temperaturniveau. Er gelangt in den Kondensator, verflüssigt sich und gibt Kondensationswärme an das Heizungswasser ab. Über das Expansionsventil kehrt das flüssige Kältemittel auf das vorherige Druck- und Temperaturniveau zurück. Den gleichen Prozess durchläuft das Lösungsmittel im Verdichterkreis. Bei dieser Technologie gibt es mit Ausnahme der Lösungsmittelpumpe keine elektrisch betriebenen Teile. Die Lösungsmittelpumpe benötigt im Vergleich zum Kompressor einer Elektro-Wärmepumpe viel weniger elektrische Energie.

Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe

Auf Elektrische Energie kann eine Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe (DAWP) verzichten, indem sie eine Blasenpumpe einsetzt (Bild 2). Als Arbeitsmedium dient eine Ammoniak-Wasser-Lösung. Dieses NH₃/H₂O-Gemisch wird von einem Gasbrenner (Bild 2, links) erhitzt, sodass Ammoniak verdampft und sich vom Wasser trennt. Beim Aufsteigen nehmen die Ammoniak-Gasblasen Wasser-Partikel mit und setzen so einen Wasser- und Ammoniakkreislauf in Bewegung. Daher stammt der Name Blasenpumpe. Wärme treibt also den Kreislauf an, er funktioniert ohne Pumpe oder andere bewegliche Teile. Im Absorber (Bild 2, unten rechts) wird das Ammoniakgas unter Abgabe von Absorptionswärme wieder vom Wasser gelöst (aufgenommen).

Um Umweltwärme einzubringen, lässt man das Ammoniakgas bei 20 bar (20 bis 50°C, Bild 2, oben rechts) kondensieren und verdampft es bei 5 bar (+10 bis –20 °C). Diese Verdampfungswärme wird der Umwelt entzogen, sie ist der Energiegewinn. Helium (He) ermöglicht es, den Druck im Verdampfer von 20 auf 5 bar zu senken. Helium enthält am Eintritt des Verdampfers nur wenig Ammoniak (NH₃). So sinkt der NH₃-Partialdruck im Verdampfer auf 5 bar. Das Ammoniak verdampft und nimmt die Umweltwärme auf. Das He/NH₃-Gemisch nimmt an Dichte zu und strömt nach unten in den Absorber. Durch den Dichteunterschied bewegt sich der Heliumgas-Kreislauf selbstständig. Im Absorber wird das Ammoniak vom Wasser aufgenommen und das NH₃-freie Helium abgegeben.

Wie beim Brennwertheizkessel überträgt ein Wärmeübertrager (Heizgaskondensator) die Restenergie im Heizgas (Abgas) an das Heizungswasser. Das voluminöseste Teil der DAWP ist die Verdampfer/Absorber-Einheit mit dem Heliumkreis (Bild 2, rechts). Sie leistet bei aktuellen Feldtest-Geräten von Bosch Thermotechnik bis zu 4,5 kW. Der Gasbrenner ist für eine höhere Leistung ausgelegt. Durch einen zusätzlichen Wärmeübertrager (Kondensator) im NH₃-Kreislauf wird Wärme direkt hinter dem Gasbrenner abgenommen und an die Heizung abgegeben. Dieser Bypasskondensator (Bild 2, Mitte) lässt sich bei hohem Wärmebedarf und/oder der Erfordernis hoher Vorlauftemperaturen zuschalten. Das benötigte Wasser ist in einem kleinen Vorratsbehälter (Reservoir) gespeichert. Nach dem Öffnen des Ventils setzt sich der drucklose Wasser-Wasserdampf-Kreislauf in Bewegung und nimmt einen Teil der Wärme aus dem Ammoniak-Kreislauf auf.

Praxiserfahrungen

Dass die Gas-Wärmepumpen-Technologie verlässlich funktioniert, belegen handfeste Erfahrungen aus den vergangenen elf Jahren. Schon 1998 startete Bosch Thermotechnik mit der Marke Buderus den ersten Feldtest. Aus diesen Erkenntnissen entstand 2001 die erste Gerätegeneration. Zwei Jahre später fand ein Feldtest in den Niederlanden statt, 2006 ein Feldtest mit insgesamt 21 Anlagen in Deutschland. Mit mehr als 15000 Betriebsstunden im Feld und 40000 Betriebsstunden unter praxisnahen Bedingungen im Labor konnte die Praxistauglichkeit und Betriebssicherheit der Gas-Wärmepumpe geprüft werden. Unter Federführung der Anfang 2008 gegründeten Initiative Gaswärmepumpe (IGWP) – einer Vereinigung der führenden Energieversorger und Heizungshersteller in Deutschland – wird seit 2007 die zweite Gerätegeneration entwickelt. Hauptziel ist, die Effi­zienz der Anlage zu erhöhen, insbesondere den Wirkungsgrad der Trinkwassererwärmung.

Während die Geräte der ersten Generation in ihrem Gehäuse eine Gas-Wärmepumpe und einen Brennwert-Gaskessel vereinten, ist die zur ISH 2009 vorgestellte neue Generation eine reine Gas-Wärmepumpe. Das hört sich einfach an, wirkt sich jedoch erheblich auf die Kosten, die Effizienz und die Standfestigkeit der Anlagen aus. Denn nicht nur der Gas-Brennwertheizkessel, auch eine Pumpe sowie zwei Rückschlagventile sind damit auf hydraulischer Seite eingespart geworden. In der Gas-Luft-Strecke entfallen das Gebläse, eine Gasarmatur, ein Kondensatablauf, der Heizgas-Bypass, der Wärmeübertrager des Brennwertheizkessels sowie die gegenseitige Absicherung (Bild 4). Auf die komplette Regelung des Brennwertheizkessels wird ebenso verzichtet wie auf die Master-Regelung, welche die Regelungen von Gas-Wärmepumpe und Brennwertheizkessel koordiniert(e).

Um die monovalente Bauweise zu ermöglichen, wurde vor allem die Leistung der Blasenpumpe verdreifacht und ein zusätzlicher Kondensator integriert, um die Heizleistung anzuheben. Damit ist ein modulierender Betrieb von 4 bis 10 kW möglich, Spitzenlasten lassen sich ab­decken, und ein zusätzlicher Wärmeerzeuger für die Warmwasserbereitung ist nicht mehr not­wendig. So erwärmt die neue Gas-Wärmepumpe das Trinkwasser viel wirtschaftlicher als die erste Generation. Die zweite Generation erreicht bei gut ausgelegten Anlagen Wirkungsgrade bis zu 135 % (Bild 3). Sie kommt mit bis zu 30 % weniger Erdgas – und somit 30 % geringeren Energie­kosten – aus als ein Brennwertheizkessel. Ver­glichen mit Heizkesseln aus den 1980er-Jahren, die jetzt dringend zur Sanierung anstehen, sind Einsparungen von bis zu 40 % möglich. Noch größere Einsparungen lassen sich durch die Kombination mit erneuerbaren Energien wie Solarwärme erreichen.

Flexibilität bei der Wärmequelle

Bei Elektro-Wärmepumpen beträgt der regenerative Anteil etwa 75 %, je nach COP-Wert (Coefficient of Performance) – bei Gas-Wärmepumpen lediglich etwa 30 bis 40 %. Weil die Gas-Wärmepumpe mit relativ hohen Temperaturen von bis zu 75 °C arbeiten kann, muss die bisherige Wärmeverteilung auch bei knapp dimensionierten Heizkörpern bei einer Modernisierung nicht ausgetauscht werden. Mit Umweltwärme aus der Luft erreicht die Technologie selbst im Winter hohe Wirkungsgrade. Das ist wichtig, weil Grundwasser und Erdwärme nicht überall erschlossen werden können oder dürfen. Dienen Erdsonden als Wärmequelle, kann die Bohrung bei Gas-Wärmepumpen 60 bis 80 % weniger tief sein als bei einer Elektro-Wärmepumpe und ist damit erheblich kos­tengünstiger zu erstellen.

Grundsätzlich arbeitet eine Gas-Wärmepumpe, wie jede andere Wärmepumpe auch, am effi­zientesten mit der Quelle Erdwärmesonde/Erdkollektor. Weil die Umweltenergie jedoch einen geringeren Anteil an der Gesamtleistung hat, sind auch die Unterschiede zwischen den einzelnen Wärmequellen kleiner. Als Wärmeträger zur Erschließung der Quellen Luft oder Erdreich nutzt die Gas-Wärmepumpe ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Eine Sonderform ist die Einbindung der Umweltwärme mithilfe von Solarkollektoren. Mit dieser Flexibilität bei der Wahl der Wärmequelle und mit ihrer durchschnittlichen, modulierenden Leistung von bis zu 10 kW ist die Gas-Wärmepumpe auch für energetisch modernisierte Altbauten eine interessante Alternative.

Die in der IGWP zusammengeschlossenen Markenhersteller entwickeln die Gas-Wärmepumpe Schritt für Schritt weiter. Beispielsweise erproben sie die Technologie in zusätzlichen Feldtests. Bis Ende 2010 werden an unterschiedlichen Standorten in Deutschland 250 Gas-Wärmepumpen eingebaut und getestet. Zeitgleich laufen umfangreiche Labortests bei E.ON Ruhrgas. Mit der Serienreife der Gasabsorptions-Wärmepumpen von Bosch Thermotechnik ist ab Ende 2011 zu rechnen.

ist Manager für die Entwicklung Gas-Wärmepumpe, Bosch Thermotechnik, Deventer (Niederlande)

ist Produktmanager Wärmepumpen, Buderus Deutschland, Bosch Thermotechnik, Wetzlar, https://www.bosch-thermotechnology.com/corporate/de/startseite.html