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2012-03

 

Solarthermie

Abbildung 1:Außeneinheit einer kombinierten Anlage (Wärmepumpe/Solaranlage) (Quelle aller Bilder: AEE INTEC)

Unter der Voraussetzung einer massiven Reduktion des Wärmebedarfes von Gebäuden könnten solarthermische Anlagen und Wärmepumpen einen wesentlichen Anteil an einer Wärmeversorgung ausschließlich über erneuerbare Energie leisten. Dazu sind aber massive Energieeffizienz-Maßnahmen am Baukörper und bei der Energieversorgung (Wärme und Strom), sowie Umstellungen von Elektroheizungen sowie Elektroboiler für Warmwasserbereitung auf thermische Solaranlagen und Wärmepumpen nötig.

Die Bedeutung von kombinierten Solar-Wärmepumpe-Heizungssystemen in der Österreichischen Energiestrategie

Von Gerhard Faninger *

Entwicklung des Wärmepumpen- und Solar-Marktes in Österreich

Sowohl Wärmepumpen-Heizungssysteme als auch solarthermische Anlagen zeigen seit der Markteinführung im Jahre 1976 eine in den Anfangsjahren und wieder nach 1990 positive Entwicklung, mit bis zu 20% Jahreszuwachsraten. In den letzten zwei Jahren haben sich die Zuwächse allerdings reduziert und der Markt stagniert. Wirtschaftskrise und geänderte Förderungsmaßnahmen werden als Ursache angesehen [1]. Der Zukunftsmarkt für Wärmepumpen und thermische Solaranlagen wird trotzdem positiv eingeschätzt, unterstützt durch vertrauensbildende Maßnahmen wie Standardisierung, fachgerechte Planung und Ausführung mit Qualitätssicherung und verbesserte Beratung und Betreuung sowie günstigere Einsatzbedingungen in Niedrigenergie-Gebäuden als neuer Baustandard.

Kombination von Solarenergie und Wärmepumpe

Schon am Beginn der Markteinführung von Wärmepumpen-Heizungssystemen gab es Ansätze, die Effizienz von Wärmepumpen-Heizungen durch Vorwärmung der Wärmequelle über Solarwärme zu steigern. Beispiele sind Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Luftvorwärmung über einfache (nicht abgedeckte) Dachkollektoren („Energiedach“) oder in späteren Jahren – mit der Einführung der Passivhaus-Technik – mit Vorwärmung der Außenluft über im Erdreich verlegte Luftkanäle für Außenluft-Wärmepumpen (Luft/Luft- und Luft/Wasser-Wärmepumpen). Die Nutzbarmachung von Solarwärme in Wärmepumpen-Heizungssystemen wurde auch in Sole/Wasser-Wärmepumpen-Systemen realisiert: Stichwort „Energiezaun“ und „Massivabsorber“.

Heute werden solarthermische Anlagen in Wärmepumpen-Heizungssystemen insbesondere zur Warmwasserbereitung außerhalb der Heizsaison eingesetzt. Damit wird die Effizienz der Wärmepumpe deutlich erhöht: geringere Arbeitstemperatur für Heizung und Wegfall der Antriebsenergie für Grundwasser- und Sole-Förderpumpen außerhalb der Heizsaison. Außerdem wird - durch den um zumindest 40 % geringeren Jahreseinsatz der Wärmepumpe - die Lebensdauer des Kompressors deutlich verlängert.

Die Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe wird schon seit Jahren in Fernwärme- (Nahwärme-) Netzen mit saisonaler (Langzeit-) Speicherung (z. B. in Deutschland, Schweden und Dänemark) mit Erfolg praktiziert. Der Großspeicher wird als Wärmequelle für die Wärmepumpe eingesetzt.

Abbildung 2: Anlagenkomponenten (Wärmepumpe und Speicher) für kombinierte Wärmepumpe - Solaranlage

Wärmepumpe-Solar-Systeme werden somit heute am Markt in verschiedenen Kombinationen angeboten; Untersuchungen dazu finden sich z. B. in [2] und [3]. Solaranlage und Wärmepumpe arbeiten unabhängig voneinander - zwar mit gemeinsamer Nutzung des Wärmespeichers aber ohne Interaktion. Bei Wärmepumpe-Solar-Kompaktsystemen wird eine Interaktion der Solaranlage und der Wärmepumpe mit Ausnutzung von möglichen Synergieeffekten angestrebt. Die Wärmepumpe nutzt dabei direkt oder indirekt – über einen Wärmespeicher – die Solarwärme als Wärmequelle. Hierbei werden auch Speicherkonzepte mit Latentwärme (PCM – phase change Materialien) eingesetzt. Eine neue Entwicklung stellen Wärmepumpe-Solar Kombiheizungen mit Eisspeicher dar. Diese Systeme bestehen aus Hybrid-Solarkollektoren mit Luftwärmetauscher, Wärmepumpe, Brauchwasserspeicher und Eisspeicher. Hybridkollektoren nutzen sowohl die Sonneneinstrahlung als auch die Umgebungsluft. Der Eisspeicher akkumuliert die durch die Hybridkollektoren gewonnene Energie mit hoher Energiedichte. Die Wärmepumpe nutzt als Wärmequelle den Eisspeicher; (System SOLAERA, Firma Consolar [3]).

Seit kurzem werden am Markt Solar-Wärmepumpe-Kompaktsysteme für Einfamilienhäuser angeboten; z.B. KIOTO-Sonnenheizung [4], SONNENKRAFT-Solar-Compleet-System [5]. Zum Einsatz kommen Luft/Wasser-Wärmepumpen mit einer Heizleistung bis 9 kW. Über ein „intelligentes“ Energiemanagement – mit bedarfsgerechter Steuerung - soll der Einsatz von Solarwärme und Umweltwärme für Heizung und Warmwasser auf den tatsächlichen Wärmebedarf abgestimmt werden. Eine größere Kollektorfläche (z.B. 16 m² anstelle 8 m² für ausschließliche Warmwasserbereitung) wird auch zur Vorwärmung der Außenluft am Verdampfer eingesetzt: „Solarbooster“. Ausreichende Betriebsdaten zur Bestätigung der Planungsvorgaben stehen derzeit allerdings noch aus.

Die Effizienz von Solar-Wärmepumpe-Kombisystemen wird durch die System-Jahresarbeitszahl ausgedrückt. In dieser Kennzahl wird die von Solaranlage und Wärmepumpe erzeugte Wärme im Verhältnis zur eingesetzten Antriebsenergie Strom dargestellt: (QWP + Qsol ) / (StromWP + StromSol). Jahres-Systemarbeitszahlen ab 3,5 werden angestrebt.

Mit der Kombination von Wärmepumpe und Solaranlage wurde der Weg geebnet, die erneuerbaren Energieträger Solarwärme und Umweltwärme gemeinsam in die Wärmeversorgung von Gebäuden einzubringen. Derzeit befasst sich ein Forschungsprojekt der Internationalen Energieagentur im Rahmen des IEA Solar Heating and Cooling Programms mit dieser Thematik: Projekt „Solar and Heat Pump Systems“, IEA SHC Task 44: Analyse des Marktangebotes und Ausarbeitung von Verbesserungsmöglichkeiten [6].

Zielvorgaben der Österreichischen Energiestrategie

Die wesentlichen Herausforderungen der Österreichischen Energie- und Klimapolitik sind langfristiger Natur und gehen über den Zeithorizont der bereits beschlossenen Energiestrategie 2020 hinaus [7]. Neben mittelfristig umsetzbaren und überprüfbaren Zielen ist eine langfristige Vision gefragt.

Das angestrebte Ziel der langfristigen Österreichischen Energiestrategie ist es, bis zum Jahre 2050 ohne fossile und nukleare Energieträger auszukommen: Energieautarkie. Als Energieträger kommen ab dem Jahre 2050 somit nur in Frage:

• Wärme: Biowärme, Solarwärme, Umweltwärme, Geothermische Wärme.
• Strom: Wasserkraft, Bio-Strom, Solar (PV)-Strom, Windstrom.
• Mobilität: Bio-Treibstoffe, Strom, Wasserstoff (erzeugt aus erneuerbarer Energie).

In der Energiestrategie Österreich 2020 werden die Nutzungspotenziale für Erneuerbare Energie bis zum Jahre 2020 abgeschätzt [8]: Der größte Zuwachs an erneuerbarer Energie bis 2020 ist im Wärmebereich zu realisieren: bis zu 97 PJ Zuwachs. Dazu tragen bei: Biomasse 50 PJ, Solarwärme 24 PJ und Umweltwärme 23 PJ.

Die Rolle der Wärmepumpe-Solar-Kombisysteme in der Österreichischen Energiestrategie

Der Vorteil einer Wärmepumpe-Solar-Kombiheizung im Vergleich zu Heizungssystemen mit fossilen Brennstoffen (Öl und Gas) sowie zu Elektro-Direktheizungen liegt in der Verminderung von fossilen Brennstoffen und Strom, einer Reduktion des Primärenergie-Einsatzes zur Wärmeerzeugung und einer Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen.

Im Falle von Neubauten bedeutet dies eine Verringerung in der Zunahme, aber nicht zur Reduktion der aktuellen Daten betreffend Heizenergie, Primärenergie und CO2-Emission. Um die energiepolitisch geforderte Reduktion insbesondere von energiebedingten CO2-Emissionen zu erreichen und außerdem fossile Energieträger zu substituieren, müssen Maßnahmen im Altbestand gesetzt werden. Der Altbau-Sanierung – Gebäude und Wärmeversorgung – kommt somit eine besondere Bedeutung zu.

Energie-effiziente Gebäude (Niedrigenergie-Gebäude und Passiv-Häuser) bieten gute Voraussetzungen für den Einsatz von Wärmepumpe-Solar-Kombisystemen. Die Auslegung der Warmwasser-Heizung sollte unter einer maximalen Vorlauftemperatur (Auslegungstemperatur der Wärmeverteilung) von 40 °C im Falle der Althaus-Sanierung und 33 °C bei Neubauten sein.

Bewertung und Zuordnung von Wärmepumpen in einer mittel- und langfristigen Energiestrategie

Für eine neutrale Bewertung von Energiesystemen nach energetischen und umweltbezogenen (CO2-Emission, Externe Kosten) Aspekten sind die folgenden Kriterien von Bedeutung: Primärenergie-Einsatz, energiebedingte Treibhausgas-Emissionen, insbesondere CO2; Nutzbarmachung einer erneuerbaren Energiequelle (Solarwärme, Umweltwärme, Biowärme). Für eine wirtschaftliche Bewertung sind charakteristisch: Betriebswirtschaftliche Gesamtrechnung (Investition und Betrieb). Das Bewertungsmodell wird in [9] beschrieben.

Die Bewertung von Wärmepumpen-Heizungen – mit und ohne thermische Solaranlage – erfolgt in Tabelle 1. Die Berechnungen beziehen sich auf ein Einfamilien-Wohnhaus mit einem Heizwärmebedarf HWB von 35 kWh/(m², Jahr) und einer Niedertemperatur-Heizung (35°C/ 30°C) sowie einem täglichen Warmwasserbedarf von 120 Litern (50°C). Im Falle der Erdreich- und Außenluft-Wärmepumpe wird eine solarthermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung (8 m² Kollektorfläche) angenommen. Wesentlich ist, dass die Solaranlage außerhalb der Heizsaison die Warmwasserbereitung weitgehend übernimmt, und die Wärmepumpe außer Betrieb bleibt.

Tabelle 1: Effizienz von Wärmepumpe-Solar-Kombisystemen (Berechnungsprogramm JAZcalc)

Die Kombination einer Wärmepumpe mit einer solarthermischen Anlage erhöht die Effizienz bei der Wärmeversorgung. Diese wird durch die System-Arbeitszahl ausgedrückt. Mit solar unterstützten Außenluft-Wärmepumpen lassen sich Systemarbeitszahlen über 3,5 erreichen, bei einer Arbeitszahl der Wärmepumpe unter 2,5. Die erreichbaren System-Arbeitszahlen werden wesentlich von der Auslegungstemperatur und auch vom Warmwasserbedarf mitbestimmt.

Wärmepumpen-Heizungen werden heute als „effizient“ und förderungswürdig eingestuft, wenn Arbeitszahlen über 4 zu erreichen sind. Dies lässt sich nur mit Erdreich- und Grundwasser-Wärmepumpen und nur bei einer Kombination mit einer Solaranlage erreichen. Da die Installation von Erdsonden und Erdreich-Flachkollektoren aus baulichen Gründen begrenzt ist und Grundwasser nicht überall – auch aus ökologischen Gründen – verfügbar ist, wird ein vollständiger Umstieg von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energie bei der Wärmeversorgung von Gebäuden nur mit gleichzeitigem Einsatz von Außenluft für Wärmepumpen-Heizungen zu erreichen sein.

Investitionen in energieeffiziente Heizungen sind eine interessante Zukunftsvorsorge. Die Reduktion von Primärenergie, CO2-Emission und Brennstoffkosten mit Wärmepumpen-Heizungen im Vergleich zu einer Öl- und Gasheizung sind beeindruckend (Abbildung 2)

Abbildung 3: Energetische und Ökologische Kenndaten von Heizungssystemen im Vergleich zu einer Ölheizung

Möglicher Beitrag von Solarthermischen Anlagen und Wärmepumpen zur Wärmeversorgung von Gebäuden im Jahre 2050

Die Wärmepumpe in Verbindung mit einer Solarthermischen Anlage hat das Potential, die Vorgaben der Energiestrategie 2050 im Bereich des Gebäudesektors zu realisieren. Dazu müsste der Wärmepumpen- und Solarmarkt um 3% jährlich wachsen, bezogen auf die im Jahre 2010 installierten Heizungs-Wärmepumpen bzw. Kollektorfläche. Gleichzeitig müsste der Wärmebedarf im Gebäudesektor durch Energieeffizienz-Maßnahmen am Baukörper und in der Haustechnik reduziert werden: um 20% bis 2020, um 30% bis 2030 und um 35% bis 2050, jeweils bezogen auf den Endenergiebedarf für Raumwärme und Warmwasser von 2010.

Bei einem bis 2050 mittleren Jahreszuwachs von 3% könnten Wärmepumpen 36% und Solarthermische Anlagen 19%, zusammen 55% am derzeitigen Heizendenergiebedarf von Gebäuden abdecken (Abbildung 3).

Die Kombination von Wärmepumpe (Umweltwärme) und Solarthermie (Solarwärme) ermöglicht, dass Biomasse für Mobilität und Industrie bereitgestellt werden kann.

Abbildung 4: Mögliche Anteile der Wärmepumpen- und Solar-Technik zur Abdeckung des Endenergiebedarfes für Raumwärme, Warmwasser und Klimatisierung in den Jahren 2020, 2030 und 2050

Schlussfolgerung und Ausblick

Mit den Annahmen hinsichtlich

• Reduktion des Wärmebedarfes von Gebäuden durch Energieeffizienz-Maßnahmen am Baukörper und bei der Energieversorgung (Wärme und Strom) von zumindest 20% bis 2020, 30% bis 2030 und 35% bis 2050, jeweils bezogen auf das Jahr 2010,
• eines weiteren Ausbaus solarthermischer Anlagen und Wärmepumpen um durchschnittlich 3% Jahreszuwachs der Jahreskapazität von 2010,
• einer Umstellung von Elektroheizungen sowie Elektroboiler für Warmwasserbereitung auf thermische Solaranlagen und Wärmepumpen,

erscheint das für 2050 angestrebte Ziel zur Wärmeversorgung von Gebäuden ausschließlich über Erneuerbare Energie realisierbar.

Die Annahmen zur Marktdurchdringung von Wärmepumpen und solarthermischen Anlagen im Gebäudebereich bis zum Jahre 2050 sind moderat gehalten. Von den derzeitigen etwa 3,5 Millionen Hauptwohnsitzen würden im Jahre 2050 etwa 1,0 Millionen Wohnungen mit einer Wärmepumpe (28%) und 2,6 Millionen Wohnungen mit einer Solaranlage (73%) - mit einer durchschnittlichen Kollektorfläche von 10 m² pro Wohnung - ausgestattet sein.

Als Heizungssystem in Passiv-Gebäuden wird die Wärmepumpe den zukünftigen Gebäude-Markt wesentlich mitbestimmen. Mit Umschichtung von Biomasseprodukten aus dem Wärmemarkt zur Herstellung von Bio-Kraftstoffen und Bio-Strom werden Wärmepumpe-Solar-Kombisysteme Marktanteile dazu gewinnen.

Literatur

Langfassung: Die Bedeutung von kombinierten Solar-Wärmepumpe-Heizungssystemen in der Österreichischen Energiestrategie. Gerhard Faninger,
Kostenloses Download unter: www.aee-intec.at

1. „Innovative Energietechnologien in Österreich: Marktentwicklung 2010“ (Peter Biermayer et. al), herausgegeben vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, BMVIT. Berichte aus Energie- und Umweltforschung 26/2011. (Daten bis 2006: Gerhard Faninger)
   Kostenloses Download unter: www.nachhaltigwirtschaften.at/iea/marktentwicklung2010.
2. Kombination Solarthermie und Wärmepumpe: Lösungsansätze, Chancen und Grenzen Hans-Martin Henning, Marek Miara. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, Deutschland www.ise.fraunhofer.de; www.iea-shc.org/task44/
3. Integrierte Systemlösungen für Bestand und Neubau als Weg zum Erreichen der Klimaziele Ulrich Leibfried. Consolar Solare Energiesysteme GmbH, Gewerbestr. 7, 79539 Lörrach 21. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, Mai 2011
4. Die KIOTO-Solarheizung. www.kioto.com
5. Sonnenkraft Solar-Compleet-System. www.solar-aktivhaus.com
6. Forschungsprojekt „Solar and Heat Pump Systems“, IEA SHC, Task 44. Internationale Energieagentur IEA/OECD, Solar Heating and Cooling Programme SHC www.iea-shc.org/task44/
7. Energie Strategie Österreich Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft und Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend. März 2010 www.energiestrategie.at
8. Erneuerbare Energie 2020: Potenziale und Verwendung in Österreich: Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (Lebensministerium). März 2009
9. Nachhaltige Gebäude: Bewertungskriterien und Bewertungsmodell, Gerhard Faninger

*)Univ. Prof. Dipl. Ing. Dr. Gerhard Faninger ist Vorstandsmitglied von AEE INTEC und als außerordentliches Mitglied an der Fakultät für Interdisziplinäre Forschung und Fortbildung, iff, Alpen-Adria-Universität Klagenfurt, Abteilung für Weiterbildung und Kulturelle Nachhaltigkeit tätig (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!) [^]