Höhere Primärenergieeinsparung durch Effizienzsteigerung im Gebäudebereich – mit dieser Zielsetzung wollen Mineralölwirtschaft und Heizgeräteindustrie neue Anwendungstechnologien für flüssige Brennstoffe entwickeln. Die Nutzung von Umweltwärme mit einer ölbetriebenen Wärmepumpe ist eine Zukunftsoption, um den Primärenergiebedarf zu reduzieren. Mit einer solchen Heiztechnologie wären primärenergetische Nutzungsgrade von 120 bis 130 Prozent möglich.
Prototyp der Absorptions-Diffusions-Wärmepumpe.
Dr.-Ing. Jürgen Sterlepper, in der Geschäftsführung der Bosch Thermotechnik verantwortlich für Forschung und Entwicklung
Fotos: Bosch Absorptions-Diffusions-Wärmepumpe.
Grafik: IWO
Im Rahmen der Technologie-Initiative der Mineralölwirtschaft wird der Gerätehersteller Bosch Thermotechnik GmbH die Konzeptstudie einer ölbetriebenen Wärmepumpe für den Ein- und Zweifamilienhausbereich erstellen. Die Mineralölunternehmen aws Wärme Service, Shell und Total unterstützen das vom Institut für wirtschaftliche Oelheizung (IWO) initiierte Forschungsprojekt.
„Obwohl heute mit der hoch effizienten Brennwerttechnik im Verbund mit Solarthermie bereits beträchtliche Primärenergieeinsparungen erzielt werden, sehen wir langfristig noch Effizienzsteigerungs-Potenzial“, erklärt Dr.-Ing. Jürgen Sterlepper, in der Geschäftsführung der Bosch Thermotechnik verantwortlich für Forschung und Entwicklung. „Die effiziente Nutzung von Umweltwärme durch Wärmepumpen ist ein vielversprechender Ansatz. Wir möchten auch Heizöl-Kunden künftig die Möglichkeit bieten, diese Technologie anwenden zu können. Deshalb waren wir offen für eine Projektpartnerschaft mit der Mineralölwirtschaft“, so Sterlepper.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Öl-Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von 4 bis 10 Kilowatt (kW) sowie die Konstruktion eines entsprechenden Prototyps. Neben der Nutzung der Umweltwärme über einen Luftkollektor oder eine Erdsonde würde durch schwefelarmes Heizöl mit Biokomponente ein weiterer regenerativer Energieanteil eingebunden. In einem zweiten Projektschritt ist nach Fertigstellung und Test mehrerer Prototypen der ölbetriebenen Wärmepumpe eine Feldversuchsreihe angedacht. Sie soll weitere Erfahrungswerte, vor allem über die Betriebssicherheit und Alltagstauglichkeit dieser neuartigen Anwendungstechnik für flüssige Brennstoffe liefern.
Basis des geplanten Prototyps ist eine bei Bosch Thermotechnik in der Entwicklung befindliche Gas-Absorptionswärmepumpe, die für den Betrieb mit flüssigen Brennstoffen adaptiert werden soll. Eine Absorptionswärmepumpe arbeitet nach demselben Prinzip wie ein Campingkühlschrank. Im Gegensatz zur Elektrowärmepumpe dient anstelle von Strom eine Wärmequelle als Antrieb für den Absorptionskreislauf.
Ölbrenner mit kleiner Leistung erforderlich
Maßgebliche Voraussetzung für die Realisierung der Öl-Wärmepumpe ist die Entwicklung eines modulierenden Ölbrenners mit kleiner Leistung, weil herkömmliche Ölbrenner für den Einsatz in thermischen Wärmepumpen zu groß dimensioniert sind. Die technologische Herausforderung bei der Realisierung eines solchen Kleinbrenners liegt in der Brennstoffdosierung sowie in der Aufbereitung eines homogenen Brennstoff-Luftgemischs. Für die Öl-Wärmepumpe wird hierfür ein neuartiger Ölbrenner entwickelt, dessen Leistung sich stufenlos dem Wärmebedarf anpasst. Das Verbrennungskonzept basiert auf der „Kalte-Flammen-Technologie“, mit der flüssige Brennstoffe verdampft werden können.
Vorteile der Öl-Wärmepumpe
Aus dem thermischen Antrieb ergeben sich für ölbetriebene Wärmepumpen neben dem hohen primärenergetischen Nutzungsgrad eine Reihe weiterer Vorteile: Sie passen sich sehr schnell an den jeweiligen Wärmebedarf an. Und sie erreichen hohe Spitzentemperaturen, wie sie etwa für die Trinkwassererwärmung benötigt werden. Höhere Temperaturen erweisen sich gerade auch im Modernisierungsbereich als vorteilhaft, weil dort seltener eine auf niedrige Temperaturen ausgelegte Flächenheizung vorhanden ist. Darüber hinaus benötigen ölbetriebene Absorptionswärmepumpen einen vergleichsweise kleinen und damit auch kostengünstigeren Luft- oder Erdkollektor zur Aufnahme der Umweltwärme. Ein weiterer Vorteil ist der äußerst geräuscharme Betrieb.
Zentrale Bewertungsgröße: primärenergetischer Nutzungsgrad
Mittel- bis langfristig könnte die Zukunftstechnologie Öl-Wärmepumpe zur Verringerung des Primärenergiebedarfs im Wärmemarkt beitragen. Die üblicherweise zur Kennzeichnung der Effizienz von Wärmepumpen verwendete Jahresarbeitszahl (JAZ) ist als Bewertungskriterium allerdings nicht ausreichend. Denn sie berücksichtigt nicht den Energieaufwand für die Bereitstellung der Antriebsenergie (zum Beispiel Strom oder Heizöl).
„Daher nutzen wir zum Vergleich der Effizienz unterschiedlicher Heizsysteme den primärenergetischen Nutzungsgrad“, erklärt IWO-Geschäftsführer Prof. Dr.-Ing. Christian Küchen. Denn die Größe Primärenergiebedarf berücksichtigt neben der im Gebäude für die Wärmeversorgung benötigten Energie auch die für Förderung, Herstellung und Transport des Energieträgers aufgewendete Energie. Künftige ölbetriebene Wärmepumpen können einen primärenergetischen Nutzungsgrad von 120 bis 130 Prozent erreichen.
Der Vorteil der primärenergetischen Bewertung lässt sich an einem Beispiel verdeutlichen: Mit einem primärenergetischen Nutzungsgrad von 124 Prozent benötigt die Öl-Wärmepumpe 18.150 Kilowattstunden (kWh) Primärenergie für die Bereitstellung von 22.500 kWh Nutzwärme. Das entspricht einer JAZ von 1,36. Um denselben primärenergetischen Nutzungsgrad zu erreichen, muss eine elektrische Wärmepumpe eine JAZ von 3,3 aufweisen. Sie benötigt vor Ort zwar nur 6.720 kWh Strom. Allerdings müssen für die Erzeugung dieser Strommenge 18.150 kWh Primärenergie aufgewendet werden. Für jede Kilowattstunde Strom, die an der Steckdose ankommt, werden insgesamt 2,7 kWh Primärenergie benötigt. Dieser Primärenergiefaktor für Strom wird auch in der Energieeinsparverordnung (EnEV) angesetzt.