Wärmepumpen: ein Baustein auf dem Weg zur Klimaneutralität
Durch die Bemühungen, den CO2-Ausstoß der Welt zu senken, werden Wärmepumpen vermutlich das vorherrschende Heizsystem der Zukunft sein. Wie schnell sich diese Lösung durchsetzen wird, hängt jedoch von der Investitionsbereitschaft, dem politischen Willen und der technischen Weiterentwicklung ab.
Ganz oben auf der Agenda des UN-Klimagipfels COP26 im vergangenen Jahr standen Abkommen zur Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen mit dem Ziel, die Erderwärmung auf einen Temperaturanstieg von 1,5° C zu begrenzen. Um das zu erreichen, müssen Investitionen in erneuerbare Energien gefördert und der Ausstieg aus der Nutzung fossiler Brennstoffe Schritt für Schritt eingeleitet werden. Wärmepumpen gelten dabei als wichtiger Beitrag zur Senkung von CO2-Emissionen. Manche Experten messen Wärmepumpen sogar eine ebenso bahnbrechende Bedeutung zu wie Elektroautos.
Der Vorteil von Wärmepumpen besteht darin, dass sie Wärmeenergie aus verschiedenen erneuerbaren Quellen wie Luft, Wasser, Erdreich und Abwärme gewinnen können, ohne direkte Emissionen vor Ort zu erzeugen. Industrielle Wärmepumpen und solche, die für Fernwärmesysteme eingesetzt werden, arbeiten oft mit Abwärme aus industriellen Prozessen der Lebensmittel- und Getränke- sowie der Papier- und Zellstoffindustrie. Auch die Abwärme von chemischen und petrochemischen Unternehmen sowie von Raffinerien, Zementfabriken, Ziegeleien und sogar von großen Rechenzentren wird genutzt.
Der Übergang von fossilen Brennstoffen auf elektrische (Heiz-)Energie aus nachhaltigen Quellen hat weitere Vorteile: Die Effizienz elektrischer Anwendungen ist meist deutlich höher, und die Nutzbarkeit elektrische Energie ist flexibler und vielfältiger, was dazu beitragen kann, die Stromnetze zu stabilisieren.
Wärmepumpen werden voraussichtlich die vorherrschende Technologie für die Beheizung von Wohnhäusern und Industrieunternehmen sein. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass sich bis zu 90 Prozent des weltweiten Raumheizungs- und Warmwasserbedarfs mit Wärmepumpensystemen decken ließen. 2021 waren es gerade einmal drei bis fünf Prozent, und weniger als zehn Prozent der globalen Prozesswärme stammten aus erneuerbaren Quellen.
Ehrgeizige Ziele für Wärmepumpen
Die EU-Kommission denkt in ähnlichen Bahnen: Nach ihren Prognosen werden im Zuge der EU-Strategie für ein integriertes Energiesystem im Jahr 2030 rund 40 Prozent aller Wohn- und 65 Prozent aller Gewerbegebäude elektrisch beheizt. Dafür würde man 50 Millionen Wärmepumpen benötigen. Großbritannien hat seine eigenen ehrgeizigen Pläne. Bis 2028 sollen dort jährlich 600.000 Wärmepumpen zur Beheizung von Wohnhäusern, Schulen und Krankenhäusern installiert werden.
Der globale Trend zur Umstellung auf umweltfreundliche Energie wird also zu einem starken Wachstum der Wärmepumpentechnologie führen. Bis 2027 soll der Markt für industrielle Wärmepumpen um mehr als zehn Prozent pre Jahr zulegen. Bei Wärmepumpen für Fernwärmesysteme mit ihrem Marktvolumen von 396 Millionen Euro (Stand 2020) erwartet man bis 2026 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von sieben Prozent.
Enormer Investitionsbedarf
Der Vorteil von Wärmepumpen besteht darin, dass sie Wärmeenergie aus verschiedenen erneuerbaren Quellen gewinnen können.
Investitionen sind für die Wärmepumpenindustrie ein entscheidender Faktor. Um die ehrgeizigen Ziele der EU auf dem Weg zu Netto-Null-Emissionen zu erreichen, müssen in den kommenden Jahrzehnten pro Monat mindestens 200 Millionen Euro investiert werden. Allein die bis 2050 benötigten kumulierten Investitionen in erneuerbare Wärmeenergie für die Industrie (Solarenergie, thermische Energie, Geothermie, Biomasse und Elektrifizierung einschließlich Wärmepumpen) belaufen sich weltweit auf EUR 3,7 Billionen! Auf die Elektrifizierung entfällt dabei ein Anteil von 65 Prozent.
Zudem hindern die höheren Kosten für Elektrizität im Vergleich zu Öl und Gas in Märkten wie den USA beziehungsweise zu Kohle in Märkten wie China das Wachstum der erneuerbaren Energien, obwohl die Umweltschäden offensichtlich sind.
Technische Hindernisse
Davon abgesehen gibt es auch technische Hürden, vor allem bei größeren Installationen wie Industrieheiz- und Fernwärmeanlagen. Ein Beispiel ist die Verwendung von Ammoniak in großen Fernwärmepumpen. Ammoniak führt zu einem sehr hohen thermodynamischen Wirkungsgrad, kann jedoch die Gebrauchsdauer von Lagern verkürzen.
Die Temperaturanforderungen für die industrielle Nutzung sind generell höher als die für die Beheizung von Wohnhäusern. Um Temperaturen von 150 bis 300 °C zu erreichen, müssen sowohl technische als auch kommerzielle Probleme gelöst werden.
Hohe Temperaturen können sich auf die Schmierung und Thermodynamik auswirken. Der Leistungskoeffizient solcher Wärmepumpen ist relativ niedrig. Wärmepumpen brauchen zudem spezielle Kältemittel, die unter Umständen chemisch aktiver und korrosiver sind. Erheblich höhere Betriebstemperaturen stellen auch höhere Ansprüche an Werkstoffe, Dichtungen und Lager.
Vielversprechende Zukunft
SKF gehört zu den Unternehmen, die bereits an der Entwicklung von Ideen, Technologien und Strategien arbeiten, um Wärmepumpen in Industrieheizanlagen zu integrieren. Das Institut für CO2-arme Industrieprozesse des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat schon Prototypmodelle entwickelt, die Wärme bis zu einer Temperatur von 500 °C erzeugen können.
Die Envola GmbH in Ulm hat die erste Wärmepumpe mit integriertem Speicher auf den Markt gebracht – eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Lösung. Eine weitere bedeutende Entwicklung ist die Integration von digitalen Systemen zur Steuerung sämtlicher Aspekte des Pumpenbetriebs, um die Anforderungen an die Heizlast anzupassen und das System im Hinblick auf Energieverbrauch, Lastprofil und Betriebskosten zu optimieren.
Wärmepumpen werden einen zentralen Beitrag zu einer nachhaltigeren Zukunft unseres Planeten leisten. Wie schnell sich dieser Wandel vollzieht, hängt von der Politik, der Investitionsbereitschaft und der Unterstützung durch die Industrie ab.
