IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 41, No. 3/2023

Diese Ausgabe beschäftigt sich vorrangig mit dem Einsatz von Wärmepumpen in Fernwärme- und Kältenetzen. Die vier Schwerpunktartikel behandeln die Bedeutung einer modellprädiktiven Steuerung als Systemintegrator eines mit wärmepumpenbetriebenen Fernwärmenetzes, ein neues Konzept für einen temperaturflexiblen Betrieb von Wärmepumpen in Fernwärmenetzen, die Wahl der richtigen Wärmequelle für Wärmepumpen in Fernwärmenetzen und Bedarfssteuerung von Wärmepumpen zur Unterstützung des nationalen Stromnetzes.

Herausgeber: IEA Heat Pump Center, 2023
Englisch, 32 Seiten

Inhaltsbeschreibung

Vorwort: Empowering Communities: GreenSCIES und die Zukunft dekarbonisierter Fernwärmenetze

In ihrem Vorwort befassen sich Kristina Roszynski, Catarina Marques, Henrique Lagoeiro und Graeme Maidment vom GreenSCIES Centre of Excellence an der London South Bank University mit der zukünftigen Rolle und Bedeutung dekarbonisierter Fernwärmesysteme für urbane Gebiete. Die Autor:innen stellen das britische Forschungsprojekt GreenSCIES vor, im Rahmen dessen ein neuartiges, intelligentes, Fernwärmesystem, das klimafreundliche Wärme liefern kann, indem es Abwärme in städtischen Gebieten zurückgewinnt und Mobilität (Elektrofahrzeuge) sowie erneuerbare Energie in das System integriert, vorgestellt.

Im Projekt wurde das in London nutzbare Abwärmepotenzial mit >39 TWh berechnet; damit kann mehr als 60% des Heiz- und Warmwasserbedarfs der Bewohner:innen gedeckt werden. Kristina Roszynski et al. verweisen zudem auf das große Potential der untersuchten Lösung zur Dekarbonisierung der urbanen Wärmeversorgung in anderen Ländern und betonen, dass es zu dessen Erschließung gesellschaftliches Engagement, Finanzierung, Fähigkeiten, gut ausgestattete Lieferketten sowie internationale Zusammenarbeit und Erfahrungsaustausch braucht.

Kolumne: Je kälter das Klima, desto einfacher ist der Verkauf von Wärmepumpen

Jussi Hirvonen, Executive Direktor, Finnischer Wärmepumpenverband SULPU, Mitglied im Vorstand der European Heat Pump Association EHPA, Finnischer Delegierter beim IEA HPT TCP

Der Autor berichtet über die Erfolgsgeschichte der Wärmepumpentechnologie in den nordischen Ländern, speziell in Finnland, und geht dabei vor allem der Frage nach, ob es die kalten Lebensbedingungen sind, die deren Einsatz begünstigen. Er führt aus, dass mangels eines wirtschaftlichen Einsatzes von Gasnetzen, Finnlands Wärmeversorgung seit jeher auf starken Stromnetzen und CO2-freier Stromerzeugung aus Wasserkraft, Nuklear- oder BHK-Kraftwerken, urbanen Fernwärmenetzen und zu einem geringen Maß auf Ölheizungen basierte, und damit Anfang der 90er Jahre perfekte Rahmenbedingungen für den Start der Wärmepumpenerfolgsgeschichte vorlagen.

Elektro- wie auch Ölheizungen wurden zunehmend durch die günstigere Wärmepumpentechnologie ersetzt. Weitere Entwicklungen wie z.B. Umrüstung der Fernwärmenetze in Richtung teurerer, biomasse-basierter Systeme, resultierte schließlich darin, dass im Jahr 2022 200.000 Wärmepumpen verkauft und mehr als 1 Mio. EUR investiert wurden. Öffentliche Zuschüsse haben bei der Entwicklung der nordischen Wärmepumpenmärkte aufgrund der Profitabilität der Investitionen kaum eine Rolle gespielt. Der Einsatz von Wärmepumpen unter den kalten skandinavischen Rahmenbedingungen hat sich weder als Barriere noch als Herausforderung herausgestellt.

Schwerpunktartikel: Modellprädiktive Regelung als Systemintegrator eines mit Wärmepumpen betriebenen Fernwärmenetzes

Jelger Jansen, Lieve Helsen, Belgium

Die Autoren zeigen im Artikel wie durch den Einsatz einer innovativen, modellprädiktiven Regelung die Effizienz eines komplexen thermischen Systems bestehend aus zentraler Grundwasserwärmepumpe und NT-Fernwärmenetz der 4. Generation zur Beheizung sowie dezentralen Hochtemperatur-Booster-Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung, wie es in einer Siedlung mit 12 sanierten Altbauten in Brügge zum Einsatz kommt, verbessert werden kann.

Jansen und Helsen geben eingangs einen Überblick über die Rahmenbedingungen der durchgeführten Simulationsstudie und beschreiben die unter Denkmalschutz stehende sanierte Sozialhaussiedlung, deren innovative Wärmeversorgung sowie modellprädiktive Steuerung. Danach stellen sie die durchgeführte Simulationsstudie im Detail vor und vergleichen den modellprädiktiven Regelungsansatz mit der vor Ort eingesetzten regelbasierten Steuerung hinsichtlich Effizienz sowie thermischen Komfort im Winter sowie im Frühling.

Den Ergebnissen zufolge hat eine modellprädiktive Regelung das Potenzial, die Effizienz eines Wärmepumpenbetriebenen Fernwärmenetzes bei gleichem bzw. besserem thermischen Komfort zu steigern. Es lässt sich damit vor allem durch eine geringere Netztemperatur die Effizienz der Grundwasserwärmepumpe erhöhen.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link:
Model Predictive Control as a System Integrator

Weitere Details enthalten nachfolgende wissenschaftliche Publikationen:

Jansen, J., Jorissen, F., and Helsen, L. (2023). Optimal control of a fourth generation district heating network using an integrated non-linear model predictive controller. Applied Thermal Engineering, 223, Article 120030, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.120030
Jansen, J. and Helsen, L. (2023). Effect of weather and occupancy prediction uncertainties on the performance of a model predictive controller applied to a district heating system. To appear in: Proceedings of Building Simulation 2023: 18th Conference of IBPSA. Presented at the Building Simulation 2023 Conference, Shanghai, China, 04 Sep 2023-06 Sep 2023.
Jansen, J., Maertens, F., Boydens, W., and Helsen, L. (2021). Demonstration project 'De Schipjes': a zero-fossil-fuel energy concept in the historic city center of Bruges. Proceedings of Building Simulation 2021: 17th Conference of IBPSA; pp. 2351 – 2352, Publisher: International Building Performance Simulation Association.

Schwerpunktartikel: Neues Wärmepumpenkonzept für temperaturflexiblen Niedertemperaturbetrieb in der Fernwärmeversorgung

Reto M. Hummelshøj, COWI A/S, Dänemark

Der Autor beschreibt im Artikel ein, im Rahmen eines dänischen Forschungsvorhabens entwickeltes und in einem Fernwärmenetz mit 300 Verbrauchern demonstriertes, neues, innovatives sog. Flex-Booster-Konzept, das einen temperaturflexiblen Betrieb von NT-Fernwärmenetzen auf Primär- und Sekundärseite erlaubt.

Er stellt eingangs das neue Konzept und die drei zum Einsatz kommenden innovativen Technologien vor und erläutert in Folge den Stand der Technik und die Vor- und Nachteile von herkömmlichen NT- sowie Ultra-NT-Fernwärmenetzen. Im Anschluss beschreibt er die Vorteile von temperaturflexiblen NT-Fernwärmesystemen, also solchen Systemen, die mit den Flex-Booster Heat Interface Units (HIU), einer Kombination aus passivem Wärmetauscher für NT-Fernwärmenetze sowie einer Mikro-Booster-Wärmepumpe zur Anhebung des Temperaturniveaus auf der End-user Seite, ausgestattet sind.

Zu den Vorteilen zählen bspw., dass das Flex-Booster System effizienter funktioniert als Erdwärmepumpen, geringe Wartungskosten aufweist, weil die notwendige Propanmenge unter 150g liegt, oder mit den bereits installierten Systemen an Radiatoren funktioniert. Auch die benötigten Rohrdimensionen sind kleiner, weil das Flex-Booster System die Rücklauftemperatur im Netz um etwa 10°C abkühlt. Damit werden neue NT-Fernwärmesysteme billiger in der Errichtung bzw. erhöht sich die Kapazität bestehender Netze.

Der Autor beschreibt in Folge den Flex-Booster Prototyp. Eine Flex-Booster-Einheit liefert 12,5 KW (ca. 7 kW vom passiven Wärmetauscher, 5,5 kW von der Wärmepumpe) mit einem COP von 4 für die Wärmepumpe und einem COP von 9,18 für die Gesamteinheit, wenn die Fernwärme-Temperatur 60/30 °C beträgt. Ein zusätzlich eingebauter 1,5 kW elektrischer Tauchsieder kann die Spitzenleistung auf 14,1 kW erhöhen. Für Apartmentgebäude kann eine Flex-Booster-Einheit als wandhängende Einheit in jeder Wohnung platziert werden. Der Geräuschpegel ist vergleichbar mit jenem eines Kühlschranks. Sollte auf Seiten der Kunden ein höherer Wärmebedarf vorliegen, können zwei Flex-Booster Einheiten miteinander kombiniert werden. Auch für den Fall eines erhöhten Bedarfs an Warmwasser wird im Artikel recht detailliert eine geeignet Systemkombination vorgestellt. Zum Schluss präsentiert der Autor noch eine Lösung für Kunden mit sehr hohem Wärmebedarf von bis zu 500 kW.

Zum Abschluss gibt der Autor noch einen Überblick über die Einsatzfelder des neuen Systems, das nicht als "One-fits-all"-Lösung zu verstehen ist. Dazu zählen: Umstellung von Gebäuden auf N-Gas; Fernwärmenetze, in denen der Rücklauf als Quelle genutzt werden kann, oder Gebäude, die Co-Produzenten (Prosumer) sein können.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link:
New Heat Pump Concept for Temperature Flexible Low-Temperature Operation Used for District Heating

Weitere Details enthalten nachfolgende wissenschaftliche Publikationen:

EUDP 13-II 64013-0554 "Development of district heating unit with electric booster for ultra-low temperature district heating".
Elforsk 351-013 "Temperature flexible heat pump for ultra-low-temperature district heating as well as stand-alone systems".
Elforsk 349-054: "BIPVT-E: Development of control strategy for a flexible energy production system including PV, solar thermal, heat pump, energy absorber and battery storage".

Schwerpunktartikel: Die Qual der Wahl in der Fernwärme: Die Auswirkung der Wärmequelle für Wärmepumpen

Sebastian Ostlender, Robin Kannengießer, Peter Kröning, Christian Vering, Dirk Müller, RWTH Aachen, Deutschland

Das Autorenteam hebt in der Einleitung die Notwendigkeit des Einsatzes von Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen zur Dekarbonisierung des deutschen Wärmesektors hervor und erklärt kurz die Bedeutung der Wärmequellen für einen kosteneffizienten Einsatz der Wärmepumpentechnologie.

Im Anschluss werden mögliche Wärmequellen für FW-Netze, konkret Luft, Flusswasser und Abwässer, hinsichtlich ihres fluktuierenden zeitlichen und temperaturmäßigen Anfalls sowie des Einflusses dieser Charakteristik auf die theoretische Effizienz von Wärmepumpen analysiert. Es werden Carnot-COP- und Carnot-SCOP-Werte unter der Prämisse einer konstanten Senkentemperatur von 75°C berechnet und im Monatsverlauf dargestellt.

Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse die Qual der Wahl bei der Auswahl einer Wärmequelle. Es zeigt sich, dass die Entscheidung für eine Wärmequelle allein auf Basis maximaler oder minimaler Temperaturen zu Effizienznachteilen führen kann und deshalb Temperaturabweichungen und -schwankungen entsprechend berücksichtigt werden müssen.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link:
The Agony of the Choice in District in District Heating: The Impact of Heat Source for Heat Pumps

Als Referenzen wurden nachfolgende wissenschaftliche Publikationen verwendet:

Schwerpunktartikel: Groß angelegte Bedarfssteuerung von Wärmepumpen zur Unterstützung des nationalen Stromnetzes

Markus Lindahl, Tommy Walfridson, Claes Sandels, Marco Tiloca, Rikard Höglund, Niclas Ericson, RI.SE Research Institutes of Sweden, Schweden

Das Autorenteam erläutert eingangs die Bedeutung großangelegter bedarfsgesteuerter Wärmepumpen im Kontext der zunehmenden Menge an fluktuierender Erneuerbarer Energieträger und den daraus resultierenden Herausforderungen für das Stromnetz sowie die Sicherheit der Energieversorgung. In Folge gibt der Artikel eine Übersicht über den Stand der Technik bezüglich Ausstattung von Wärmepumpen mit API Schnittstellen, verfügbare Normen zur Kommunikation zwischen Aggregator, Cloud, und individuellen Wärmepumpen in den USA und Europa, sowie dem Einsatz von Wärmepumpen im Rahmen von Flexibilisierungsdienstleistungen.

Im nächsten Abschnitt werden die Barrieren beim Einsatz von Wärmepumpen zur Flexibilisierung des Schwedischen Stromnetzes beschrieben. Angeführt werden in diesem Kontext bspw. ein Mangel an Normen sowie eine Mindestgebotsgröße von 100 kW Strom für den Ausgleichsmarkt, die nur durch Aggregation vieler individueller Wärmepumpen erreicht werden kann.

An technischen Hemmnissen auf Seite der Wärmepumpentechnologie werden u.a. genannt: Mangel an Stromzählern in den Wärmepumpen (Bedarf nach Schätzung mit Unsicherheiten) sowie die für die Teilnahme an diversen Flexibilitätsmärkte notwendige Aktivierungszeit. Ein weitere aktuelle, und noch mehr, zukünftige Herausforderung stellt Cybersicherheit dar. Wärmepumpen weisen eine lange Betriebsdauer von 15 bis 20 Jahre auf und erfordern daher laufende SW- und vermutlich auf HW-Updates, um auch auf neue Cyberrisken entsprechend reagieren zu können. Ein großangelegter Cyberangriff stellt nicht nur für Wärmepumpenbetreiber eine große Gefahr dar, sondern auch für das nationale Stromnetz, wie eine Studie von RI.SE für Schweden bereits gezeigt hat.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link:
Large-Scale Demand Response of Heat Pumps to Support the National Power System

Als Referenzen wurden folgende wissenschaftliche Publikationen verwendet:

Power Circle, 2022. "Flexibilitet för ett mer stabilt och driftsäkert elsystem – en kartläggning av flexibilitetsresurser", Sweden (auf Schwedisch)
RISE Centrum för Cybersäkerhet, 2023. "Förslag på åtgärder för att möta cyberhot mot elsystemet", RISE RAPPORT 2023: MARS, Sweden (auf Schwedisch)

Marktbericht: Wärmepumpenmarkt in Belgien

Wärmepumpenplattform, Belgien

Das Autorenteam gibt im Artikel einen Überblick über die Entwicklung des belgischen Wärmepumpenmarktes, der sich aufgrund eines vergleichsweise ungünstigen Strom- / Gaspreisverhältnisses von 4 bis 5 bis zum Jahr 2021 im Vergleich zu anderen Ländern nur sehr langsam entwickelt hat. Erst die geänderten Rahmenbedingungen im Gefolge der Energiekrise, und Strom-/ Gaspreisrelationen zwischen 2,66 und 3,17, führten im Jahr 2022 zu Rekordverkäufen an Wärmepumpen von +236% im Vergleich zu 2021. Die Marktwachstumsrate hat sich im Jahr 2023 zwar wieder verringert, nichtsdestotrotz lag sie noch bei +94% (im Juli) bzw. +41% (im August).

Des Weiteren stellen die Autoren kurz marktstimulierende, regulatorische, Ansätze vor. Genannt werden bspw. das Verbot von Gasleitungen für neu errichtete Mehrfamilienhäuser oder Reduktion der Umsatzsteuer für renovierte Gebäude mit Wärmepumpen von 21% auf 6%. Sie berichten zudem davon, dass sich der Fokus der akademischen Lehre zunehmend in Richtung Hochtemperaturanwendungen, Integration in größere Systeme, hybride Lösungen sowie fortschrittliche Regelung größerer Systeme verschiebt.

Sie beenden ihren Beitrag mit einem positiven Ausblick für die belgische Wärmepumpenbranche, und sind guter Hoffnung, dass Belgien die für 2050 gesetzten Ziele noch erreichen kann.

Der komplette Artikel kann unter nachfolgendem Link heruntergeladen werden.
Belgium: Heat Pump Market Report

Laufende Annex Projekte

Annex 53 Advanced cooling/refrigeration technologies development. CN, DE, IT, KR, US
Annex 54 Heat Pump systems with low GWP refrigerants. AT, DE, FR, IT, JP, KR, SE, US
Annex 56 Internet of things for heat pumps. AT, CH, DE, DK, FR, NO, SE
Annex 57 Flexibility by implementation of heat pumps in multi-vector energy systems and thermal networks AT, CN, DK, DE, FR, NL, SE
Annex 58 High-temperature heat pumps AT, BE, CA, DK, DE, FR, NL, NO, JP
Annex 59 Heat pumps for drying. AT, CH, CN, DK, SE, US
Annex 60 Retrofit heat pump systems in large non-domestic buildings. AT, CA, IE, IT, NL, UK
Annex 61 Heat Pumps in Positive Energy Districts AT, CH, DE, IT, JP, US
Annex 62 Heat Pumps for Multi-family residential buildings in Cities.CN, DE, IT, FR
Annex 63 Placement impact on heat pump acoustics. AT, DE, FR, UK
Annex 64 Safety measures for flammable refrigerants. AT, DE, FR, KR, SE

Auf den Seiten 23 bis 29 werden die drei Annex HPT Projekte 54, 60 und 61 mit ihren Zielen, Eckdaten (Laufzeit, Operating Agent, teilnehmenden Ländern) sowie Projektergebnissen dargestellt. Diese finden sich auf den nachfolgenden Projektwebsites.

Konferenzen 2024/2025

Konferenzen 2025

1. – 30. Jänner 2025, 7th IIR Conference on Thermophysical Properties and Transfer Processes of Refrigerants, College Park, USA

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