Wie funktionieren Wärmepumpen?

Die Kühlung und Heizung von Gebäuden ist ein entscheidender Faktor im Klimaschutz und bei der Dekarbonisierung der Energiesysteme. Denn bisher laufen fast 80 Prozent der Heizungen und Warmwasserversorgung auf Basis fossiler Energien. Hinzu kommt, dass durch den Klimawandel und immer extremere Temperaturen auch der Bedarf an Klimaanlagen und Kühlgeräten wächst. Doch diese sind – ähnlich wie die als Alternative zur fossilen Heizung geltenden gängige Wärmepumpen – oft laut, enthalten klimaschädliche Kältemittel und sind nur bedingt effizient.

Kältemittel und Druck sind der Schlüssel

Aber warum? Gängige Wärmepumpen und Kühlgeräte – egal ob im heimischen Kühlschrank oder in der Klimaanlage für eine ganzes Bürogebäude – beruhen auf dem gleichen Funktionsprinzip: Sie können geringe Temperaturunterschiede verstärken und so als Heizung oder Kühlung dienen. Möglich wird dies durch ein spezielles Kältemittel, das schon bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft. Das gasförmige Kältemittel wird dann mithilfe eines Kompressors verdichtetet, wodurch Druck und Temperatur noch weiter ansteigen. Diese Wärme überträgt das verdichtete Kältemittel nun über einen Wärmetauscher an das Wasser im Heizkreislauf oder dem Warmwasserbereiter.

Das Kältemittel kühlt sich dabei ab und wird wieder flüssig. In einem letzten Schritt wird der Druck des flüssigen Kältemittels deutlich verringert, wodurch eine Expansionskühlung einsetzt, die die Temperatur weiter reduziert. Nun kann der Kreislauf wieder von vorn beginnen. Im Kühlschrank oder der zur Raumkühlung eingesetzten Klimaanlage läuft der gleiche Prozess ab, nur dass hier die Wärme des Innenraums vom Kältemittel aufgenommen und nach außen abtransportiert wird. Der Wärmetauscher und die Expansionskühlung sorgen für die Kühlung des Innenraums.

So weit, so praktisch. Immerhin können Wärmepumpen durch diese Technologie schon geringe, überall in der Umwelt vorhandenen Temperaturgradienten nutzen – beispielsweise die Umgebungsluft, den Boden oder auch das Grundwasser. In manchen Gegenden wie dem Ruhrgebiet lässt sich auch das relativ warme Grubenwasser mittels Wärmepumpen zur Heizung und Warmwasserbereitung nutzen – erste Pilotprojekte laufen bereits. Als besonders effizient gelten zudem Großwärmepumpen, die ganze Stadtviertel mit Wärme versorgen können.

Wo liegen die Schwächen?

Doch das Ganze hat mehrere Haken: Zum einen sind die Kompressoren der Wärmepumpen laut und verbrauchen viel Strom. Weltweit haben Klimaanlagen, Kühlgeräte und Wärmepumpen einen Anteil von rund 20 Prozent am globalen Stromverbrauch. Zum anderen bestehen die gängigen Kältemittel aus fluorierten Kohlenwasserstoffen, die ein hohes Treibhauspotenzial haben und daher klimaschädlich sind. Sie werden bei der Produktion, Entsorgung und in geringem Maße auch beim Betrieb der Anlagen frei.

„Rechnet man die indirekten CO2-Emissionen durch fossil erzeugten Strom dazu, sind Kompressor-basierte Wärme- und Kältegeräte für bis zu zehn Prozent der globalen Treibhausgas-Emissionen verantwortlich“, berichten Junning Li von der Universität Luxemburg und seine Kollegen. Hinzu kommt: Die 2019 in Kraft getretene Kigali-Ergänzung zum Montreal-Protokoll sieht vor, dass die Nutzung von stark klimaschädlichen Fluorkohlenwasserstoffen in Kältemitteln schrittweise verringert werden soll. Schon jetzt ist damit absehbar, dass Alternativen zu diesen Substanzen gefunden werden müssen.

Effizienz noch ausbaufähig

Und noch ein dritter Punkt kommt zum Tragen: Zwar ist unstrittig, dass Wärmepumpen gegenüber gängigen Erdöl- oder Erdgasheizungen die klimafreundlichere Alternative sind – vor allem, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien kommt. Aber die Effizienz gerade der kleineren Wärmepumpen lässt noch zu wünschen übrig. „Zwar können einige großskalige Kompressorsysteme Carnot-Wirkungsgrade von mehr als 50 Prozent erreichen, aber kleinere Systeme im Kilowattbereich, wie sie in Einzelhaushalten eingesetzt werden, arbeiten meist bei Carnot-Wirkungsgraden von unter 30 Prozent“, erklärte Jaka Tusek von der Universität Ljubljana jüngst in einem Kommentar in „Science“.

Der Carnot-Wirkungsgrad beschreibt normalerweise die theoretisch maximal erreichbare Effizienz bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie. Bei Kältemaschinen und Wärmepumpen beschreibt er das Verhältnis der erzeugten Wärme- oder Kälteleistung gegenüber der dafür nötigen elektrischen Leistung. Dieses Verhältnis ist bei den gängigen Klimaanlagen, Kühlgeräten und Wärmepumpen noch reichlich ausbaufähig.

Doch was ist die Alternative?