Umweltwärme, Geothermie und Wärmepumpen

Die Umstellung des Energiesystems im Wärmesektor ist eine der zentralen Herausforderungen für das Gelingen der Energiewende. (#mission2030)

99 % der Erdmasse hat eine Temperatur von über 1000°C. Geothermie, die Wärme aus dem Erdinneren, stammt zu einem großen Teil aus dem Zerfall von radioaktiven Elementen und ist praktisch unerschöpflich. 
Die obersten zehn Meter des Erdbodens liegen im Einflussbereich der jahreszeitlich bedingten Temperaturschwankung. Darunter steigt die Temperatur pro 100 Meter um circa drei Grad Celsius.

Geothermie
Abbildung: Nutzung von Umweltwärme (Grundwasser und Erdkollektor) und Geothermie mit typischen Tiefen und Temperaturen

Wärmequellen

  • Erdwärme bis etwa 300 Meter Tiefe wird mitels Wärmepumpen nutzbar. Für einige Regionen gibt es bereits Erdwärmepotenzialkataster, z.B. www.wien.gv.at/stadtentwicklung
  • Natürlich vorhandene Heißwässer (Aquifer, Thermalwässer) können direkt zu Heizzwecken genutzt werden. Versuchsborungen sind erforderlich.
  • Tiefe Geothermie: Bohrt man mehrere Kilometer ins Erdinnere, so erreicht man Temperaturen von etwa 150 bis 200 Grad Celsius – heiß genug, um auch Strom zu erzeugen.
  • Abwärmepotenziale aus Produktionsprozessen, IT, Kühlung sind bisher weitgehend ungenutzt. Abwärme kann z.B. in Wärmenetze die mit niedrigen Temperaturen betrieben werden (Anergienetz), eingespeist werden und mittels Wärmepumpe genutzt werden: http://www.austrian-heatmap.gv.at/das-projekt/


Wärmepumpen

Im Jahr 2015 waren in Österreich rund 242.000 Wärmepumpen in Betrieb, 2030 werden es laut Technologieroadmap Wärmepumpe zwischen 380.000 und 975.000 sein. Der Stromverbrauch wird sich damit merkbar erhöhen.

Für den Antrieb der Wärmepumpen sollte Strom aus erneuerbaren Energien genutzt werden (Gas-Wärmepumpen mit Biogas). Derzeit werden Wärmepumpen in der Regel nicht fossilfrei betrieben, der Strommix sollte sich aber in den nächsten Jahren so verändern, dass die CO2-Emissionen deutlich abnehmen werden.

Welche Gebäude eignen sich für die Beheizung mit Wärmepumpen?

Grundsätzlich sollte das Gebäude mit einer Niedertemperaturheizung beheizt werden. Andernfalls ist mit hohem Stromverbrauch zu rechnen.
Als „Hocheffiziente alternative Energiesysteme“ gelten: Wärmepumpen, die nach den EU-Umweltzeichenkriterien gemäß Richtlinie 2014/314/EU zertifiziert sind (EU Ecolabel) bzw. vollinhaltlich den in dieser Richtlinie festgelegten Mindestanforderungen entsprechen, soweit die Vorlauftemperatur des Wärmeabgabesystems (Wand-/Fußbodenheizung) maximal 40°C beträgt; Wärmepumpen sind nach Möglichkeit mit Solaranlagen (thermisch oder Photovoltaik) zu kombinieren. (Vereinbarung Artikel 15a B-VG)

Mit dem online-Tool "machvier - Der Rechner für nachhaltige Wärmepumpen" können Sie leicht selbst überprüfen, welchen Energiebedarf und welche Effizienz ein Wärmepumpensystem in einem bestimmten Gebäude erwarten lässt. Starten Sie z.B. mit einem Bestandsgebäude, HWB 100 kWh/m²a, 130 m² beheizte Bruttogrundfläche, 4 Personen, Radiatoren, Luft-Wasser-Wärmepumpe. Versuchen Sie die Jahresarbeitszahl (JAZ) durch Auswahl von Maßnahmen zu verbessern!

Die JAZ ist die Kennzahl für die Effizienz (produzierte Wärmemenge/Stromverbrauch) der Wärmepumpe über das Jahr. Für eine Förderung wird beispielsweise in der Steiermark gefordert:  JAZGesamt ≥ 3,5 (kombiniert Raumwärme und Warmwasser). Die Jahresarbeitszahl JAZ nicht mit der Leistungszahl bzw. dem Coefficient of Performance (COP) verwechseln! Für die Heizungsplanung werden unterschiedliche Verfahren zur Ermittlung und Optimierung der JAZ verwendet. klimaaktiv empfiehlt das Wärmepumpen-Berechnungstool „JAZ calc“.
Effizient bedeutet aber nicht unbedingt geringer Strombedarf. Mit dem machvier-Rechner können sie z.B. vergleichen: Braucht eine wenig effiziente Wärmepumpe mit einer JAZ von 3 in einem Passivhaus mehr Strom als eine effiziente Wärmepumpe mit JAZ 4 in einem Haus mit HWB 30 kWh/m2a?

Wärmequellen und ihre Eignung für Wärmepumpen
Je höher die Temperatur der Wärmequelle und je geringer der erforderliche Temperaturhub desto günstiger. 
  • Außenluft: Niedrige Investitionskosten. Die Effizienz ist bei tiefen Außentemperaturen, also wenn die größte Heizleistung erforderlich ist, am geringsten. klimaaktiv empfiehlt Luftwärmepumpen daher nur bei Niedrigstenergiegebäuden. Auf Geräuschentwicklung bei der Luftansaugung (Schallrechner!) und auf Eisbildung achten!
  • Erdreich: Erdkollektor bestehend aus Rohren oder Matten, in 100 bis 150 cm Tiefe im Erdreich verlegt. Die notwendige Fläche hängt von der benötigten Heizleistung und der Bodenbeschaffenheit ab, Orientierungswert 25 m² pro kW Heizleistung oder das 1 ½ bis 3-fache der beheizten Wohnfläche.
  • Erdwärmesonde: Tiefbohrung (etwa 150 m), je kW Heizleistung etwa 20 Laufmeter Sondenlänge
  • Grundwasser: Das Grundwasser hat etwa die örtliche Jahresmitteltemperatur. Förder- und Schluckbrunnen. Vor der Nutzung ist eine wasserrechtliche Bewilligung einzuholen.

Auswahl einer guten Wärmepumpe

Wärmepumpen vergleichen können Sie auf topprodukte.at (Heizung/Warmwasser/Klima) sowie auf der Produktdatenbank GET: www.produktdatenbank-get.at/.

Kriterien für den Vergleich:
  • Die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) wird bei konstanten Betriebsbedingungen im Labor gemessen. Sie ist geeignet um verschiedene Wärmepumpenfabrikate zu vergleichen.
  • Die Jahreszeitbedinge Raumheizungs-Energieeffizienz bezeichnet das Verhältnis des von einem Raumheizungsgerät gedeckten Raumheizungsbedarfs in einer bestimmten Heizperiode und dem jährlichen Energieverbrauch zur Deckung dieses Bedarfs in %.
  • Der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) bildet die Leistung einer Wärmepumpe bei 4 verschiedenen, je nach Klima unterschiedlich gewichteten Temperaturen ab.
  • Das EHPA Gütesiegel erhalten Wärmepumpen, die von einem neutralen Testzentrum auf Einhaltung der geforderten Richtlinien geprüft worden sind.
  • EU Ecolabel: Umweltzeichenkriterien gemäß Richtlinie 2014/314/EU
  • Das SG Ready-Label wird an Wärmepumpen-Baureihen verliehen, deren Regelungstechnik die Einbindung der einzelnen Wärmepumpe in ein intelligentes Stromnetz (engl. smart grid = SG) ermöglicht.
Die EU hat eine Bestimmung ausgehandelt, wonach größere Energieversorger in Zukunft flexible Tarife für Haushalte anbieten müssen. Damit wird es auch finanziell interessanter, den Betrieb der Wärmepumpe flexibel zu ermöglichen - in Verbindung mit Wärmespeicherung. Beispiel für einen Tarif in Verbindung mit dem SG Ready -Label: https://www.awattar.com/services/syncer



Abbildung: Das Grundprinzip der Regelstrategie zur Speicherung von thermischer Energie aus Netzstrom innerhalb der Gebäudestruktur (S. Handler, 2015). Windfreigabe steht für billigen Strom eines Windkraft-Energieversorgers. Spezielle Stromtarife dazu bieten derzeit aWATTar und ENAMO sowie die WEB an. Die Wärmepumpe wird in Zeitfenstern mit günstiger oder kostenloser Energie aktiviert. Ohne Komfortverlust kann man so die Energiekosten um bis zu 20 Prozent senken.

Effizienz der Wärmepumpe im Betrieb
Um die tatsächlich erreichte Effizienz festzustellen braucht es einen Wärmemengenzähler und Daten zum Stromverbrauch:
produzierte Wärmemenge / benötigte Strommenge = JAZ der Wärmepumpenanlage im Betrieb.

Wärmepumpe und Sonnenenergie
Eine thermische Solarwärmeanlage übernimmt im Sommerhalbjahr die Warmwasserbereitung weitgehend. Die Wärmepumpe geht dann nicht in Betrieb, was ihre Lebensdauer verlängert. Da Überschüsse aus der Solarwärmeanlage meist nicht in ein Netz eingespeist werden können, wird die Solaranlage nach Anforderung dimensioniert (ca. 2 m² pro Person).
Der Eigennutzungsgrad einer Photovoltaikanlage kann im Sommerhalbjahr durch Warmwasserbereitung mittels Wärmepumpe gesteigert werden. Während der Heizsaison liefert eine üblich dimensionierte PV-Anlage aber kaum über den Haushaltsbedarf hinaus elektrische Energie. Mehr ...

Wärmepumpe und Energiewende
In der Heizsaison ist die Produktion von Strom aus erneuerbaren Quellen bisher nicht ausreichend um weitere Anteile der Wärmebereitstellung abzudecken. Um dem Ziel der Dekarbonisierung näher zu kommen ist beim vermehrten Einsatz von Wärmepumpen zu beachten:
  • Wärmepumpen in Gebäuden, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen mittels Niedertemperaturheizungen beheizt werden können
  • Wärmepumpen flexibel ansteuerbar, vorrangig wenn Stromüberschuss im Netz (Wind-, PV-Strom). Derzeit werden vor allem Luft-Wasser-Wärmepumpen ohne Speicher und ohne netzdienliche Regelung installiert.
  • Nutzung von Wärmespeichern (aktivierbare Gebäudemasse, Wasserspeicher) damit der Strombezug um Stunden bis Tage verschoben werden kann.
  • Der Bezug von sogenanntem Ökostrom bringt nur dann eine nachvollziehbare Wirkung, wenn die Herkunft klar definierten Anforderungen (zertifiziert, Umweltzeichen Grüner Strom) entspricht. Mehr ...
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