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IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 42, No. 2/2024

Diese Ausgabe beschäftigt sich mit Herausforderungen und Lösungsansätzen zur Erweiterung der Betriebsgrenzen von Wärmepumpen, um mit der Technologie zukünftig ein noch breiteres Spektrum an Bedingungen und Anwendungen abdecken zu können.

Herausgeber: IEA Heat Pump Center, 2024
Englisch, 60 Seiten

Inhaltsbeschreibung

Die vier technischen Schwerpunktartikel befassen sich mit 

  1. Erhöhung der Energieeffizienz von Großwärmepumpen mittels einer auf Digital-Zwillingen basierenden Sollwertoptimierung; 
  2. Roll-out von Großwärmepumpen als Schlüsselfaktor der deutschen Energie-/Wärme-wende; 
  3. CO2-Vermeidungskosten in Mikro-Energiegemeinschaften sowie 
  4. US-amerikanischen Forschungsaktivitäten im Kontext der Entwicklung kosten- und energieeffizienter Wärmepumpen für kalte Umgebungstemperaturen.

Vorwort: Horizonterweiterung: Wärmepumpen für jede Wohnung

Thomas Nowak, VP Government Relations & Public Affairs Qvantum Industries AB, Schweden

Der Autor erklärt einleitend, dass die Herausforderungen im Kontext der erforderlichen verstärkten Nutzung von Wärmepumpen in Mehrfamilien¬gebäuden weniger durch weitere technische Verbesserungen, sondern vielmehr durch soziale bzw. politische Innovationen zu lösen sind. Er führt aus, dass Eigentümer-/Betreiber:innen von Mehrfamiliengebäuden oft nicht ausreichend über marktverfügbare, ihren Bedürfnissen entsprechende, Wärmepumpen-lösungen informiert sind, und sich durch die stattfindenden gesetzlichen Änderungen im Kontext der Umstellung auf einen CO2-neutralen Gebäudebestand unter Druck gesetzt fühlen.

Er verweist auf die Notwendigkeit der schnellstmöglichen Entwicklung von Transformationsstrategien, die auf Stadtebene beginnen und auch eine Strategie zur Nachnutzung bzw. zum Abbau bestehender Gasinfrastrukturen beinhalten müssen. Gemäß dem Autor wird das zukünftige Energiesystem auf drei Hauptkomponenten basieren: 

  1. Wärmepumpen in vielen Varianten und Größen; 
  2. Wärmenetzen, die Wohnungen, Gebäude & Städte verbinden; 
  3. intelligenten Reglern zur nachfragegesteuerten Flexibilisierung des Stromnetzes. Zum Schluss führt er aus, dass die europäische Wärmepumpen¬industrie die Anforderungen des Gebäudebestandes gut kennt und eine verstärkte Nutzung von in Europa für Europäer entwickelte und hergestellte Wärmepumpen nicht nur Wirtschaftswachstum und technologischen Fortschritt forcieren, sondern auch die Lücke zwischen Industrialisierung und grünem Wachstum in Europa schließen kann.

Kolumne: Wärmepumpen: Die Zukunft des nachhaltigen Heizens und Kühlens

Metkel Yebiyo, Forscher und technischer Experte für Nachhaltigkeit, Research Institutes of Sweden (RISE)

Der Autor beschreibt in der Kolumne die aus seiner Sicht drei kritischen Bereiche, die im Fokus zukünftiger Aktivitäten stehen müssen, damit die Wärmepumpentechnologie ihr Potenzial als Schlüsseltechnologie zur Dekarbonisierung und Steigerung der Energieeffizienz voll entfalten kann.

  1. Erweiterung des Arbeitsbereiches damit Wärmepumpen unabhängig von Rahmenbedingungen effizient Heizen & Kühlen können, durch Innovationen wie fortschrittliche Kältemittel, drehzahlgeregelte Verdichter oder Hybridsysteme.
  2. Stärkung der Rolle von Wärmepumpen in, auf erneuerbaren Energieträgern, basierenden Energiesystemen: Wärmepumpen werden zu integralen Komponenten eines immer mehr verbundenen Energiesystems. Die Kopplung mit anderen Technologien, erneuerbaren Energiesystemen und intelligenten Energiemanagementsystemen ermöglicht der Wärmepumpe eine Schlüsselrolle bei der Reduktion der Abhängigkeit fossiler Energieträger und der Erreichung der Klimaziele.
  3. Innovationen bei Design & Funktionalität sowie der Entwicklung neuer erfolgversprechender Technologien: dazu zählen laut dem Autor die Entwicklung magnetokalorischer, thermoakustischer sowie hybrider Wärmepumpensysteme (z.B. Kombination aus Wärmepumpe und Brennstoffzellen oder solarthermischer Kollektoren), fortschrittliche Steuerungssysteme inkl. Einsatz von KI sowie innovative Designs und Materialien, um v.a. Wärmepumpenlösungen für Sektoren zu entwickeln, die bis dato schwer zu dekarbonisieren waren.

Schwerpunktartikel: Verbesserung der Energieeffizienz von Großwärmepumpen mittels digitaler Zwillinge zur Sollwertoptimierung

José Joaquín Aguilera, Jonas Lundsted Poulsen, Danish Technological Institute, Dänemark

Das Autorenteam beschreibt im Artikel Inhalte und Ergebnisse einer dänischen Studie, in der das Energieeffizienzpotenzial von Sollwert-Optimierungs¬verfahren, die auf einem digitalen Zwilling basieren, anhand zweier Use-Cases mit kommerziellen Großwärmepumpen, eingesetzt in dänischen Fernwärmesystemen, untersucht wurde.

Die beiden Wärmepumpen sind wie folgt charakterisiert:

  • Wärmepumpe 1: Kapazität: 1 MW, Wärmequelle: Meerwasser; Kaskade 1: Dampfkompression mit axialem Turbokompressor; Kaskade 2: Ammoniak-Kreislauf mit Hubkolbenverdichter
  • Wärmepumpe 2: Kapazität: 2 MW, Wärmequelle: industrielle Abwärme, Verdampfer-Fouling als zu berücksichtigendes Thema;

Der Artikel enthält die Integrationslayouts der beiden Wärmepumpenanlagen sowie Beschreibungen

  1. der auf einem Digitalen-Zwilling-basierenden Frameworks zur Optimierung 
  2. der SW-Interfaces für Betreiber/Eigentümer der Wärmepumpen und 
  3. der Implementierung des Sollwert-Optimierungsverfahrens inklusive der erzielten Ergebnisse.

Die Ergebnisse der Studien zeigen zusammenfassend das Potenzial der digitalen Zwillingstechnologie zur Verbesserung der Energieeffizienz von Groß-wärmepumpen. Um sie optimal in bestehende Steuerungssysteme von Wärmepumpen integrieren zu können, sind geeignete Modellkomplexitätsniveaus und mehrere Optimierungsziele zu definieren.

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

  • IEA, 2022. "The future of heat pumps". IEA. Paris, France.
  • IEA HPT, 2023. "Final report of IEA HPT TCP Annex 56: Internet of things for Heat Pumps".
  • IEA Heat Pumping Technologies. Borås, Sweden.
  • Lv, R., Yuan, Z., & Lei, B., 2024. "A high-fidelity digital twin predictive modeling of air-source heat pump using FCPM-SBLS algorithm". Journal of Building Engineering, 87, 109082.
  • Poulsen, J. L., Schulte, A., Försterling, S., Meesenburg, W., Koehler, J., Aguilera, J. J., Elmegaard, B. & Zühlsdorf, B., 2022. "Model-based analysis of a heat pump cascade system using seawater and ammonia as working fluids". In 35th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. ECOS.
  • Aguilera, J. J., Meesenburg, W., Markussen, W. B., Zühlsdorf, B., & Elmegaard, B., 2024. "Real-time monitoring and optimization of a large-scale heat pump prone to fouling-towards a digital twin framework". Applied Energy, 365, 123274.
  • Dassault Systèmes, 2023. "Dymola: Dynamic Modeling Laboratory. Version 2021x"
  • TLK-Thermo GmbH, "TIL Suite and TILMedia for Modelica. Version 3.12.0".
  • Virtanen P., Gommers R., Oliphant T.E., Haberland M., Reddy T., Cournapeau D., et al., 2020. "SciPy 1.8.0: fundamental algorithms for scientific computing in Python.". Nat. Methods. 17(3):261–72.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link:

Enhancing Energy Efficiency in Large-Scale Heat Pumps Using Digital Twins for Set Point Optimization

Schwerpunktartikel: Roll-out von Großwärmepumpen als Schlüsselfaktor der deutschen Energie- und Wärmewende

Björn Drechsler, Anna Kraus, Deutschland

Das Autorenteam befasst sich im Artikel mit den Herausforderungen und Chancen einer breiten Markteinführung von Großwärmepumpen im Kontext der Erreichung der deutschen Klimaziele bis 2045. Sie präsentieren diverse Energieszenarien für Wärmenetze und Großwärmepumpen, zeigen die Potenziale von Großwärmepumpen und erneuerbaren Wärmequellen auf und vergleichen diese mit dem Status quo des deutschen Wärmepumpenmarktes.

Der Mindestanteil der notwendigen thermischer Kapazität von Großwärme¬pumpen zur Erreichung der Klimaneutralität liegt bei 90 GW im Jahr 2045, das entspricht >70% der Energiebereitstellung in Fernwärmenetzen. Dafür müssten jährlich 310 bis 410 neue Großwärmepumpenprojekte in der Größenordnung 4 bis 4,9 GW und der Bau von 800 km neuen Wärmeleitungen initiiert werden. Zur Finanzierung wurde ein erstes Förderprogramm (3 Mrd., bis 2026, Förderquote: 40%) aufgelegt. Die Potenziale von Großwärmepumpen sind sehr hoch. So kann der gesamte deutsche Energiebedarf bis 200°C durch diese Technologie - ohne Nutzung von Luft als Wärmequelle - gedeckt werden. Mit Ende 2023 sind 45 Großwärmepumpen mit einer installierten Kapazität von 130 MWth in Betrieb; ca. 1.000 MW sind in der Planungs- bzw. Bauphase.

Als Hauptbarrieren für die Umsetzung von Großwärmepumpenprojekte nennen die Autor:innen:

  • Unzureichende Wirtschaftlichkeit aufgrund vergleichsweise hoher Strom- und niedriger Gas- und CO2-Preise;
  • Vielerorts fehlende kommunale Wärmeplanung/Wärmekataster und damit wenig Wissen und hohe Unsicherheiten über die Technologie und ihre Wirtschaftlichkeit;
  • Relativ kleine Produktionsmengen bei OEMs und sehr individuelle Projekte mit aufwendigen Planungs- und Genehmigungsverfahren

Die Empfehlungen lassen sich drei zentralen Handlungsfeldern zuordnen:

  1. Schaffung eines kohärenten Gesamtrahmens inkl. entsprechender Preissignale wie bspw. adäquate Bepreisung von CO2-Emissionen, Abbau von Fehlanreizen bzw. Schaffung von Anreizen für flexiblen und netzfreundlichen Betrieb von Großwärmepumpen
  2. Schnelle Realisierung von Innovations- und Kostensenkungspotenzialen in der Produktion durch höhere Standardisierung der Produkte, weitere Automatisierung und Skalierung der Fertigungsprozesse; Erschließung des Innovationspotenzials bei Verdichtern
  3. Rascher Umbau der Wärmenetze: Aus-/Neubau sowie schrittweise Absenkung der Vorlauftemperaturen; verpflichtende kommunale Wärmeplanung (Gemeinden mit >100.000 Einwohner:innen: bis Mittel 2026; alle anderen: bis Mitte 2028)

Den vollständigen Artikel finden Sie unter nachfolgendem Link:

Roll-Out of Large-Scale Heat Pumps as A Key Factor for The German Energy & Heat Transition

Detaillierte Ergebnisse enthält die gleichnamige Studie

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

Schwerpunktartikel: CO2-Vermeidungskosten in Mikro-Energiegemeinschaften

Lucas Verleyen, Lieve Helsen, Belgien

Die Autor:innen gehen im Artikel der Frage nach, ob und unter welchen Bedingungen sich die Bildung sogenannter Mikro-Energiegemeinschaften zur Reduktion der CO2 Emissionen finanziell lohnt und welche Vorteile damit verbunden sind.

Die Frage wird mittels drei elektrifizierter Energiesystem-Szenarien, darunter ein individuelles und zwei Szenarien für Mikro-Energiegemeinschaften, im Vergleich zu einem Referenzszenario in einem kleinen Wohncluster (drei EFH mit moderaten Gebäudeeigenschaften und Niedertemperaturheizsystemen) untersucht.

Jedes Energiesystem versorgt die Haushalte mit Wärme (Heizung, Warmwasser) sowie Strom für Haushaltsgeräte. Im Referenzszenario kommen individuelle Gas-Brennwertkessel zum Einsatz; im individuellem Szenario Luft-Wasser-Wärmepumpen; im „Strom Sharing Szenario" wird der Stromverbrauch der drei Gebäude vom Verteilnetz als eine Einheit behandelt; beim „Energy Community" Szenario werden die drei Wohngebäude als voll integrierte Energiegemeinschaft" betrachtet. Alle Szenarien beinhalten PV-Anlagen; die elektrifizierten Szenarien nutzen ein Steuerungssystem, das CO2-Emissionen, Primärenergieverbrauch und thermischen Komfort optimiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass die elektrifizierten Szenarien eine Reduktion der CO2-Emissionen um +93 % im Vergleich zum Referenzszenario ermöglichen. Das Szenario der Energie-Community senkt die Emissionen zusätzlich um bis zu 20 %, wenn die gesamte Dachfläche für PV genutzt wird.
Die jährlichen Fixkosten (mit 7% abgezinste jährliche Anschaffungskosten und Wartungskosten) sind bei den elektrifizierten Szenarien höher als im Referenzszenario, während die Betriebskosten geringer ausfallen.

Die Kosten für die Reduktion von CO2-Emissionen liegen bei €179 bzw. €192 pro Tonne. Das ist höher als die erwartete EU-Emissionssteuer im EU-ETS-2. Der Hauptgrund dafür sind hohe Investitionskosten und das ungünstige Strom- zu Gaspreise-Verhältnis in Belgien. Zukünftig wird ein ausgeglicheneres Preisverhältnis erwartet, wodurch diese Szenarien kosteneffektiv für die Reduzierung von CO2-Emissionen in Wohngebäuden werden könnten.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link:

The Cost of CO2 Emissions Abatement in Micro Energy Communities

Der Artikel ist eine Zusammenfassung folgender Publikation: Verleyen, L., Arroyo, J., Helsen, L. 2024. The cost of CO2 emissions abatement in a micro energy community in a Belgian context.

Schwerpunktartikel: Wärmepumpen für kalte Umgebungstemperaturen in den USA: Neuigkeiten vom Kältemittel bis zum Stromnetz

Riley B. Barta & Kevin J. Kircher, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University Mechanical Engineering, USA

Die Autor:innen geben im Artikel einen Überblick über das US-Marktpotenzial und die Herausforderungen hinsichtlich Design von Wärmepumpen bei kalten Einsatztemperaturen sowie aktuelle technologische Entwicklungen in den USA auf Ebene der Wärmepumpentechnologie sowie der elektrischen Infrastruktur zur Hebung des Marktpotenzials.

Der potenzielle Wärmepumpenmarkt im Segment wird auf 2,32 Mio. Haushalte geschätzt. Die Herausforderung reduzierter Effizienzen von Kompressionswärmepumpen in kalten Klimata soll durch innovative Entwicklungen v.a. auf Kompressor-Ebene wie z.B. Entwicklung von Tandem-Kompressoren, Multi-stage Kompression, etc. gelöst werden.

Im Rahmen der 2021 gestarteten „Residental CCHP Challenge", die darauf abzielt, Wärmepumpen zu entwickeln, die 100 % Heizleistung ohne elektrische Zusatzheizung bei Außentemperaturen bis zu -15 °C (bzw. -26 °C), liefern, konnten bereits acht große Hersteller das erste Ziel in Labortests erreichen (einige schafften auch -26 °C) und bereiten nun Feldtests vor.

Zudem berichten die Autor:innen davon, dass in diversen F&E Instituten Kältekreis-Modifikationen untersucht werden, um drei zentrale Herausforderungen zu bewältigen: 

  1. hohe Austrittstemperaturen, 
  2. verringerte Heizleistung und 
  3. niedrige Heiz-COPs. 

Experimentelle Arbeiten am Oak Ridge National Lab zeigten bspw., dass mit zwei in Reihe geschalteten Kompressoren 76 % der Heizlast bei 8,3 °C und einem COP von 1,94 bei -25 °C erreicht werden kann. Mit Dampfeinspritzung stieg die Heizlast auf 88 %; der COP auf 2. Aktuell werden weitere Forschungen zum Einsatz synthetischen und natürlichen Kältemittel durchgeführt. Die Autor:innen führen u.a. aus, dass eine breite Akzeptanz von R290 als Kältemittel in Wärmepumpen für den Einsatz in US-amerikanischen Haushalten noch Jahre dauern wird.

Im letzten Teil ihres Artikels erläutern Vereyen et al. die Nachteile der aktuellen, ineffizienten Luft-Wärmepumpentechnologie mit Widerstandsheizung auf die elektrische Infrastruktur (Gebäude-, Verteilungs-, Übertragungsnetze) in den US und verweisen auf die Vorteile von Wärmepumpen, die speziell für kalte Einsatztemperaturen entwickelt werden.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link:

Cold Climate Heat Pumps in the US: Updates from the Refrigerant to the Electrical Grid

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

  • Caskey, S.L., Kultgen, D., Groll, E.A., Hutzel, W. & Menzi, T., 2012. "Simulation of an Air-Source Heat Pump with Two-Stage Compression and Economizing for Cold Climates." Proceedings of the 14th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue.
  • Khowailed G., K. G. Sikes, and O. A. Abdelaziz. 2011. "Preliminary Market Assessment for Cold Climate Heat Pumps," Oak Ridge National Laboratory report ORNL/TM-2011/422, August. U.S. Energy Information Administration, Monthly Energy Review, Table 1.10, "Heating Degree Days by Census Division in 2022," July 2023
  • https://www.energy.gov/eere/buildings/residential-cold-climate-heat-pump-challenge
  • Bertsch, S.S., & Groll, E.A., 2006. "Air Source Heat Pump for Northern Climates Part I: Simulation of Different Heat Pump Cycles." Proceedings of the 11th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue.
  • Shen, B., Abdelaziz, O., Baxter, V., & Rice, K., 2015. "High Performance Cold Climate Heat Pump (CCHP)". Final Report No. ORNL/RM-2015/784. Oak Ridge National Lab (ORNL). Oak Ridge, TN, USA
  • Chopra, S., Marks, A., Jacobs, K., & Boucher, B., 2024. "Power Transformers: Supply Shortage and High Lead Times." Wood Mackenzie report.
  • Zhou, E. & Mai, T, 2021. "Electrification Futures Study: Operational Analysis of U.S. Power Systems with Increased Electrification and Demand-Side Flexibility." Final Report No. NREL/TP-6A20-79094. National Renewable Energy Laboratory (NREL). Golden, CO, USA.
  • Priyadarshan, P., Pergantis, E., Crozier, C., Baker, K. & Kircher, K., 2024. "EDGIE: A simulation test-bed for investigating the impacts of building and vehicle electrification on distribution grids." Proceedings of the 58th Hawaii International Conference on System Sciences.

Nicht-technischer Artikel: Reduktion der Anschaffungskosten geo-thermischer Wärmepumpenanlagen durch dynamische Auslegung der Bohrlöcher

Lone Meertens, Belgien

Die Autorin geht der Frage nach, ob Bohrlöcher, wie sie zur Erschließung der Wärmequellen für geothermische Wärmepumpenanlagen benötigt werden, durch eine neue dynamische Methode zukünftig kleiner und damit wesentlich kosteneffizienter dimensioniert werden können.

Sie stellt im Artikel eine neue Methode vor, mit der die üblicherweise für die Bohrlochdimensionierung verwendeten stationären Bohrlochmodelle durch die Einbeziehung kurzfristiger dynamischer thermischer Effekte verbessert werden. Die Verbesserungen basieren auf der Einführung einer realistischeren, zylindrischen Geometrie und berücksichtigen die thermischen Kapazitäten der Bohrlochkomponenten. Durch den neuen Ansatz werden die Wärmeüber-tragungsspitzen abgeflacht, und die Bohrlochgröße kann unter Einhaltung der vordefinierten Temperaturvorgaben des Wärmeübertragungsmediums, kleiner ausfallen.

Konkret zeigen die Ergebnisse, dass durch den Einsatz der neuen dynamischen Methode bei Gebäuden mit starken Schwankungen des Spitzenwärmebedarfs die Größe des Bohrlochs und, damit auch die Installationskosten der Wärmepumpe, um eine Größenordnung von bis zu 35 % reduziert werden kann.

Der komplette Artikel kann unter nachfolgendem Link heruntergeladen werden:

Reducing Capital Cost for Geothermal Heat Pump Systems Through Dynamic Borefield Sizing

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

Nationaler Marktbericht: Frankreich: Wärmepumpenmarkt

Pedro JORQUERA FERRAT, CETIAT, Frankreich

Der Autor berichtet über die Marktlage für Wärmepumpen, deren Absatz stark von wirtschaftlichen Rahmenbedingungen wie Inflationsrate, Kaufkraft, Höhe der Kreditzinsen, v.a. aber der Ausgestaltung öffentlicher Anreizprogramme, abhängt. Er beschreibt die Entwicklungen der Absatzzahlen der letzten Jahre und gibt einen Ausblick auf die zu erwartende Entwicklung.

Von den schlechten wirtschaftlichen Rahmenbedingungen 2023 waren speziell Luft-Wasser-Wärmepumpen-Systeme betroffen, die sich ab 2019 v.a. aufgrund staatlicher Anreizsysteme sehr gut verkauften. 2022 wurden 355.000 Geräte abgesetzt; 2023 sanken die Verkäufe um 14%. Erdgekoppelte Wärmepumpen-anlagen verloren ab 2008 aufgrund alternativer Systeme mit geringeren Anschaffungskosten an Bedeutung. In den letzten Jahren waren wieder steigende Absätze zu verzeichnen. 2023 wurden 3.500 Systeme verkauft; das sind +18% iVgl. zu 2022. Luft-Luft-Wärmepumpen stellen aufgrund des hohen Anteils dekarbonisierten Stroms das größte Marktsegment. Ihr Verkauf hängt kaum von Förderungen ab. 2023 wurden rd. 900.000 Anlagen verkauft. Warmwasser-Wärmepumpen verzeichnen seit rund 10 Jahren steigende Absatzzahlen. Im Jahr 2023 wurden ca. 170.000 Systeme abgesetzt.

Ausblick: Die französische Regierung verabschiedete im April 2024 einen Aktionsplan, demzufolge bis zum Jahr 2027 1 Million Wärmepumpen produziert werden sollen. Gemäß dem Autor wird der französische Wärmepumpenmarkt im Neubausegment in den kommenden Jahren nur wenig wachsen bzw. stagnieren. Das größte Potenzial sieht er im Sanierungsmarkt. Um dieses zu heben, braucht es jedoch verständliche und stabile Rahmenbedingungen. Beides war in der Vergangenheit nicht immer gegeben.

Der komplette Artikel kann unter nachfolgendem Link heruntergeladen werden:

France: Heat Pump Market Report

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

  • Heat pumping Technologies - Affordable Heating & Cooling - HPT Magazine Vol. 36 No. 2/2018.
  • Guilhem Pouiol, 2023. "En 2024, les constructions de logements neufs vont chuter à un niveau jamais vu depuis 30 ans" Capital.
  • https://www.uniclima.fr/presse.html
  • Document d'Enregistrement Universel 2023 du groupe EDF, page 9
  • CFP, "MaPrimeRénov': les aides publiques réservées aux PAC "européennes" dès 2025!" 15 AVRIL 2024 - CFP

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IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 42, No. 2/2024

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