Erdgas als Antriebsenergie

Die Wärmepumpen des Gasag-Feldtests nutzen verschiedene Quellen für die Gewinnung der Umweltwärme und verschiedene Prozessmedien wie Zeolith oder Ammo­niak. Gemeinsam ist den Anlagen nur die ­Antriebsenergie: Der Wärmepumpen-Prozess wird nicht mit Strom, sondern mit Erdgas angetrieben. Auch die Einsatzbereiche der Gaswärmepumpe demonstrieren die Bandbreite an Möglichkeiten:

• Eine gasbetriebene Absorptions-Wärmepumpe von Robur versorgt ein modernes Mehrfamilienhaus mit Wärmeenergie. Die genutzte Umweltwärme stammt aus dem Erdreich.
• Ein Neubau-Gebäude mit zwei Wohneinheiten ist Standort einer Adsorptions-Wärmepumpe von Vaillant, die auf Zeolith-Technik plus Solarwärme setzt.
• In einem neu gebauten Einfamilienhaus arbeitet eine Adsorptions-Wärmepumpe des Herstellers Viessmann, die ebenfalls auf dem Zeolith-Prinzip beruht. Sie nutzt sowohl Erd- als auch Solarwärme.

Die Gasag ist als Mitglied der Initiative Gaswärmepumpe (IGWP) daran beteiligt, in ihrem Versorgungsgebiet Prototypen und auch Seriengeräte von Gaswärmepumpen jeweils mindestens über zwei Heizperioden zu erproben. Die IGWP wurde im Jahr 2008 gegründet und ist ein Zusammenschluss von Geräteherstellern und Versorgern. Die Ergebnisse der Berliner – wie auch die der bundesweit anderen derzeit laufenden Tests – fließen über die gemeinschaftliche Initiative in technische Weiterentwicklungen der Geräte ein. Weiterhin sind speziell unterwiesene Handwerker an den Feldtests beteiligt.

Absorptionswärmepumpen für den größeren Leistungsbedarf

Die von der Gasag in einem 2010 erbauten Achtfamilienhaus in Treptow eingesetzte Robur-Absorptions-Wärmepumpe Typ E³ GS arbeitet modulierend im Leistungsbereich von 20 bis 40 kW. Die damals bereits marktreife Gaswärmepumpe ist seit zwei Jahren in Betrieb und bezieht ihre Umweltwärme aus dem Boden über Erdwärmetauscher in der Betonpfahlgründung.

Mit Heizwärme versorgt werden 1150m² beheizte Wohnfläche des KfW-40-Effizienzhauses, dazu kommt ein Teil des Brauchwarmwassers. Für Wärmespitzenlasten steht ein Erdgas-Brennwertkessel mit 28kW zur Verfügung. Die Wärmeverteilung im Haus erfolgt komplett über 35/28 °C-Flächenheizungen, wobei Absorptions-Gaswärmepumpen auch Heizungen mit höheren Vorlauftemperaturen bis zu 65°C versorgen können. Dadurch sind sie auch für die Integration in Bestandsbauten geeignet.

Wie jede Geräteerprobung in der Praxis lässt sich auch der Test mit der Robur-Gaswärmepumpe in folgende Phasen unterteilen: fachgerechte Installation, erforderliche nachträgliche Systemanpassungen sowie Optimierung der Betriebsweise. Im letzten, wichtigen Schritt kommt es darauf an, die Parameter des gesamten Heizungssystems so anzupassen, dass möglichst hohe Gesamtnutzungsgrade erreicht werden. Der beispielsweise in der vierten Kalenderwoche 2012 erreichte durchschnittliche Nutzungsgrad in Höhe von 130 % (inkl. Stromaufnahme) ist erfreulich und sicherlich noch steigerungsfähig, wenn beispielsweise die relativ häufige Taktung der Wärmepumpe noch wirksam gesenkt werden kann. Gegenwärtig werden wöchentlich ausgewählte Prozessparameter verstellt und die Ergebnisse anhand der Messdaten beurteilt. Heute lässt sich jedoch schon sagen, dass eine sichere und Energie sparende Wärmeversorgung in der Praxis gewährleistet ist.

Zeolith-Wärmepumpen für den kleinen Leistungsbereich

Der Leistungsbereich dieser Gaswärmepumpen reicht von 1,5 bis 10 bzw. 15kW und sie eignen sich für die Wärmeversorgung in Ein- und Zweifamilienhäusern. Sie können in Neubauten und bei der Heizungsmodernisierung idealerweise mit niedrigen Vorlauftemperaturen bis zu 40 °C eingesetzt werden. Es wird kein Lösungsmittelkreislauf genutzt wie bei den Absorptionswärmepumpen, sondern sie arbeiten in einem zyklischen Betrieb. Ihre Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Adsorption: Unter Vakuum verdampft Wasser als Kältemittel unter Mithilfe von Umweltwärme bei niedrigen Temperaturen. Der entstehende Wasserdampf wird an der Oberfläche eines Feststoffes adsorbiert. Wenn das Keramikmaterial Zeolith (griechisch für Siedestein) Wasser aufnimmt, entsteht Wärme. Diese frei werdende Adsorptionswärme ist als Heizenergie nutzbar. Ist das Zeolith gesättigt, wird unter Zuführung von Wärme das Wasser wieder ausgetrieben. Für diesen Desorptionsprozess wird die Energie eines integrierten Gasbrennwert-Moduls genutzt. Wenn das ausgetriebene Wasser kondensiert, wird nochmals nutzbare Wärme frei. Der Prozess läuft unter Vakuum in einem geschlossenen System ab. Das Zeolith-Modul einer solchen Gaswärmepumpe ist wartungsfrei. Beim Vaillant-Modell ist neben dem Gasbrennwert-Modul noch eine solarthermische Anlage als Umweltwärmequelle auf dem Dach.

Seit Oktober 2009 läuft mit diesem Gerät ein von der Gasag betreuter Feldtest in einem 2006 errichteten Wohnhaus in Berlin-Kaulsdorf. Das KfW-40-Haus mit insgesamt 206 m² Wohnfläche wird über eine Fußbodenheizung mit Wärme versorgt. Für die Nutzung der Solarthermie war eine geeignete Dachfläche von mindestens durchgängig 8 m², Ausrichtung Süd oder Südwest, erforderlich. Allein diese Eckdaten zeigen, dass Gaswärmepumpen besonders dort effizient eingesetzt werden können, wo drei Voraussetzungen gegeben sind: Ein niedriger Heizwärmebedarf, eine Wärmeverteilung für niedriges Heiztemperaturniveau und eine geeignete Umweltwärmequelle.

Die eingesetzte Gerätegeneration 3 der Zeotherm VAS wurde nahezu zwei Jahre bis August 2011 erprobt. Die Anlage funktionierte über diesen Zeitraum aus Sicht des Nutzers sehr zuverlässig und der Service bei Wartung und Störungsbeseitigung durch den Hersteller war gut. Das waren entscheidende Gründe dafür, dass sich der Teilnehmer am Feldtestende für den Austausch des Testgerätes gegen ein Seriengerät der Generation 4 entschied. Und ein weiteres positives Ergebnis: Während des Erprobungszeitraumes wurde eine klima- und zeitbereinigte Erdgasersparnis in Höhe von 5685kWh erzielt. Der Gasverbrauch ließ sich bereits mit dem Testsystem der älteren Gerätegeneration um 19 % gegenüber der Kesselanlage senken.

Seit Juni 2011 ist die vierte Generation der Zeotherm-Gaswärmepumpe von Vaillant erhältlich. Die neuen Geräte weisen aufgrund von Feldtest-Erkenntnissen und Weiterentwicklungen nachweisbar verbesserte Nutzungsgrade auf. Zum positiven Ergebnis trägt beispielsweise die favorisierte solare ­Direktnutzung zur Heizungsunterstützung ohne Pufferspeicher bei.

Nach dem ersten Zeotherm Modell mit 10 kW Heizleistung bietet der Hersteller noch 2012 eine neue Leistungsgröße mit 15 kW an. Für beide Geräte können Systemtemperaturen bis zu 55 °C eingestellt werden. Damit besteht erstmalig die Möglichkeit, diesen Gaswärmepumpentyp auch im Baubestand einzusetzen. Bestehende Solaranlagen und Solarspeicher können eingebunden werden.

Bei der Herstellerwahl gibt es auch Alternativen

Das Viessmann Zeolith-Kompaktgerät beruht auf einer Adsorptionswärmepumpe, die mit der Primärenergie Erdgas direkt angetrieben wird. Im Gegensatz zur Zeotherm, in der das Zeolith in Form von Pellets vorliegt, setzt Viessmann auf eine patentierte Zeolithbeschichtung. Außerdem wird die Wärme vom Modul auf das Heiznetz direkt ohne einen zusätzlichen Wärmetauscher übertragen. Der Verdampfer ist als Rieselverdampfer konstruiert. Das Wärmepumpenmodul deckt die Grundlast des Gebäude-Wärmebedarfs und nutzt dazu kostenlose Umwelt- oder Solarwärme. Für Leistungsspitzen ist der integrierte Brennwertkessel zuständig. In der Feldtestphase wurden aufgrund der Anordnung der zusätzlichen Messtechnik alle erforderlichen Anschlüsse nach oben aus dem Gerät geführt. Es bestehen allerdings auch Anschlussmöglichkeiten zur Seite und nach hinten analog zu den Viessmann-Kompaktgeräten.

Seit November 2011 laufen mit der neuesten Generation der Vitosorp 200F zwei von der Gasag betreute Feldtests in Berlin. Hierbei wird im ersten Schritt als regenerative Wärmequelle für das Wärmepumpenmodul Erdwärme aufgrund der konstanten Umgebungsbedingungen angewendet. Das Wärmepumpen-Modul in Berlin-Treptow-Köpenick wird über eine 40 m lange, horizontal in dem Erdboden verlaufende Sonde mit Umweltwärme versorgt. Die Sonde wurde mit einem kostengünstigen Schussverfahren in den Erdboden eingebracht. An den Feldversuchsstandorten sind für die Warmwasserbereitung zusätzlich Solarkollektoren installiert, sodass im zweiten Schritt des Feldtests ab Oktober 2012 ein Umschalten auf die Wärmequelle Solar für das Wärmepumpenmodul erfolgen kann. Die Anlagen laufen sehr zuverlässig und bestätigen im Betrieb die am Prüfstand gemessenen Nutzungsgrade in Höhe von über 130 %. Im Betrachtungszeitraum von Dezember 2011 bis März 2012 lag der bilanzierte Gesamtjahresnutzungsgrad inklusive Warmwasserbereitung im Wärmepumpenbetrieb an den Versuchsstandorten an vergleichbaren Tagen bis zu 22 % über dem Gesamtjahresnutzungsgrad im reinen Brennwertbetrieb. Die Markteinführung der Zeolith-Gas-Adsorptionswärmepumpe Vitosorp 200F hat Viessmann für 2013 angekündigt.

Gaswärmepumpe versus Elektrowärmepumpe

Aufgrund der unterschiedlich zu ermittelnden, normierten Arbeits- und Heizzahlen (Maß für den über das Jahr gemittelten Nutzungsgrad) ist der Vergleich von Elektro- und Gaswärmepumpen nicht ohne weiteres möglich. Technologische Vor- und Nachteile sind im Infokasten „Vergleich Gas – Elektro“ tabellarisch dargestellt.

Gaswärmepumpen brauchen noch Förderung. Heute wird im Rahmen des Marktanreizprogramms (MAP) die Installation von ­effizienten Wärmepumpen ausschließlich in Bestandsgebäuden bezuschusst. Es handelt sich dabei um Investitionszuschüsse, die über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle ( http://www.bafa.de ) abgewickelt werden. Als Gesamtförderung sind 2400 Euro + 100 Euro x (Nennwärmeleistung abzüglich 10 kW) je Wärmepumpe vorgesehen. Zusätzlich kann man seit dem 31.12.2011 einen Kombinationsbonus in Höhe von 500 Euro beantragen, wenn gleichzeitig eine förderfähige thermische Solarkollektoranlage installiert wird. Seit 1. Januar 2012 gelten für Wärmepumpen verschärfte Förderkriterien. Ihre energetischen Anforderungsgrößen müssen die Mindestwerte gemäß dem europäischen Umweltzeichen „Euroblume“ einhalten. Infos zu Kriterien gibt es in den SBZ-Extras. Die seit 2010 am Markt verfügbare Zeolith-Gaswärmepumpe Zeotherm von Vaillant wurde bereits zertifiziert und ist beim BAFA als förderfähige Anlage gelistet.

Bosch Thermotechnik hat 2011 eine Gas-Absorptionswärmepumpe, die vollständig in die hauseigene Regelungs- und System-Philosophie integriert wurde, unter der Marke Buderus in den Markt eingeführt. Neben dem Hersteller Robur hat Bosch Thermotechnik die erforderlichen Zertifikate eingereicht, damit auch dieser Gaswärmepumpentyp in Kürze als förderfähig in die BAFA-Liste aufgenommen wird. Weiterhin können Förderprogramme der Kreditanstalt für Wiederaufbau in Anspruch genommen werden, die unter http://www.kfw-foerderbank.de zu finden sind.

Gaswärmepumpen kombinieren Umweltwärme und effiziente Erdgasheiztechnik in einem Gerät. Mit der Kombination Erdgas plus Umweltwärme lässt sich der Energieverbrauch im Vergleich zur Erdgas-Brennwerttechnik in Kombination mit solarer Warmwasserbereitung um 20 bis 30 % senken. Werden zusätzlich erneuerbare Energien wie Bioerdgas in gasbetriebenen Wärmepumpen eingesetzt, lässt sich die Ökobilanz noch einmal verbessern. Gaswärmepumpen sind bereit für den Heizungsmarkt. Die Gasag hat nicht zuletzt aufgrund der guten Erfahrungen mit den Feldtestgeräten die Weichen gestellt: 800 Euro Umweltprämie erhalten all diejenigen, die beim Neubau oder bei der Heizungsmodernisierung eine Gaswärmepumpe installieren.

Absorption oder Adsorption

Hinter den beiden fast gleich lautenden Worten verbergen sich zwei grundlegend unterschiedliche Funktionsweisen: Bei Adsorptions-Wärmepumpen lagert sich das verdampfte Kältemittel an der Oberfläche eines Feststoffes wie z.B. Zeolith an. Wenn dieses Material mit Wasserdampf in Berührung kommt, wird für die Heizung nutzbare Wärme freigesetzt.

Bei Absorptions-Wärmepumpen wird durch Aufnahme von Umweltwärme das Kältemittel verdampft und anschließend von einer Flüssigkeit absorbiert, wobei nutzbare Wärme frei wird. Ein Erdgasbrenner treibt danach das gelöste Kältemittel wieder aus dem Gemisch aus. Bei der anschließenden Kondensation des Kältemittels wird wiederum nutzbare Wärme frei. Gasbetriebene Wärmepumpen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind seit einigen Jahren im Einsatz – weltweit etwa 7000 Geräte. Ihr Leistungsbereich beginnt bei 20kW. Adsorptionsprozesse, die ursprünglich zur Kälteerzeugung erfunden wurden, sind historisch gesehen wesentlich älter als Kompressionsprozesse.

Anforderungen an das Fachhandwerk

Die Installation der Zeolith-Gaswärmepumpen stellt keine besonderen Anforderungen an den Heizungsbauer. Zwar gibt es wegen der Nutzung von Umweltwärme eine größere Anzahl an Rohren, die angeschlossen werden müssen, aber das ist vergleichbar mit dem Anschluss einer Brennwert-Solar-Anlage, beziehungsweise dem Anschluss der Soleleitungen bei Elek­trowärmepumpen. Der hydraulische Abgleich wird als eines der wichtigsten Kriterien zur Optimierung der Heizungsanlage vorausgesetzt.

Die Inbetriebnahme erfolgt i.d.R. gemeinsam mit dem Werkskundendienst des Herstellers. Die Regelung und Bedienung der Gaswärmepumpen zeichnet die gewohnte Menüführung der jeweiligen Hersteller aus.

Die Vitosorp 200F lässt sich analog zum Viessmann-Brennwertkompaktgeräteprogramm aufgrund seiner einfachen Teilbarkeit mit geringem Aufwand einbringen und installieren. Die 160kg schwere Zeotherm von Vaillant kann für den Transport gekippt oder auch geteilt werden. Beide Modelle sind so teilbar, dass zwei Handwerker die Aufstellung schaffen.

Vergleich Gas – Elektro

Elektrowärmepumpe

Einsatz von elektrischem Strom mit den üblichen hohen Umwandlungsverlusten bei der Erzeugung im Kraftwerk

Keine Schadstoffemissionen vor Ort

Abschaltung von Luft/Wasser-Elek­trowärmepumpen bei niedrigen Außentemperaturen, daher zusätzliches Heizsystem nötig (Heizstab)

Ineffizienter Betrieb von Luft/Wasser-Elektrowärmepumpen bei niedrigen Außentemperaturen. Keine Abgasführung, nur Elektroanschluss

Gaswärmepumpe

Keine zusätzlichen, strombedingten Emissionen in Kraftwerken für das Heizen

Energie-Einsparungen bis zu 30 % gegenüber der klassischen Brennwerttechnik, zusätzliche Emissionsminderung durch den Einsatz von Bioerdgas

Monovalenter Betrieb: Hohe Nutzungsgrade der integrierten Brennwerttechnik wirken sich positiv aus

Effiziente Primärenergieausnutzung und kleinere Wärmequellen (geringere Bohrtiefen) gegenüber Elektrowärmepumpen, da bei gleicher Leistung weniger Umweltwärme benötigt wird

Initiative Gaswärmepumpe

Die IGWP ist eine gemeinsame Plattform von Herstellern und Energieversorgern und forciert die Markteinführung der Gaswärmepumpe. Ihre Aktivitäten werden im laufenden Jahr 2012 beendet. Im Anschluss wird ein offizieller Ergebnisbericht erarbeitet und veröffentlicht. Interessenten können die bisher erschienene Gratis-Broschüre zum ­Thema anfordern. Kontaktdaten und Downloads im Internet:

Kriterien und die als förderfähig gelisteten Wärmepumpen erhalten Sie aktuell unter http://www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/publikationen/energie_ee_waermepumpe_liste_ab_2012.pdf oder bei den SBZ-Extras:

https://www.sbz-online.de/tags/extras-zum-heft

Dipl.-Ing. Barbara Achilles ist Produktmanagerin Neue Technologien bei der Gasag, 10178 Berlin, Telefon (01 52) 54 60 45 42, ­bachilles@gasag.de, https://www.gasag.de/privatkunden