EnEV-konforme Bewertung erarbeitet

Für diese Technologie ergeben sich Probleme bei der energetischen Bewertung im Rahmen der Energieeinsparverordnung und der darauf aufbauenden Regelungen, wie zum Beispiel das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz oder die KfW-Effizienzhausförderung“, steht im Forschungsbericht „Erarbeitung eines Verfahrens zur energetischen Bewertung von Sorptions-Gaswärmepumpen innerhalb der Systemnormung“ des Instituts für Technische Gebäudeausrüstung ITG, Dresden, verfasst mit Unterstützung des Bundesbauministeriums für die „Forschungsinitiative Zukunft Bau“. Das ITG hat deshalb für die EnEV beziehungsweise für die DIN 18599 einen neuen Ansatz aufgestellt.

Kann der Ansatz im Kontext mit der Energiewende und den Effizienzbestrebungen die Gaswärmepumpe aus ihrem Nischendasein herausholen? Wo liegen ihre Haupeinsatzgebiete und warum sollte man sie bivalent statt monovalent einsetzen? Über diese und andere Punkte sprach die HLH mit Frank Draber, sowohl Handlungsbevollmächtigter als auch Leiter Anlagentechnik der Remeha GmbH. Das Unternehmen führt seit acht Jahren eine 40-kW-Gas-Absorptionswärmepumpe im Programm. Draber kennt die Hemmnisse, sieht die aber zukünftig vor dem Hintergrund der verordnungsrechtlichen Nachbesserungen und der angestrebten Energiewende mit energieeffizienten Technologien mehr und mehr schwinden.

Zwei Hürden

HLH: Herr Draber, die Gaswärmepumpe ist in vieler Munde, auch in den Ministerien, die im Verbund mit Biogas in ihr eine Zukunftstechnologie sehen, vielleicht sogar den Nachfolger der Brennwerttechnik. Tatsächlich fristet sie jedoch ein Yeti-Dasein. Das Marktforschungsinstitut Querschießer hat diesen Begriff einmal für Technologien geprägt, von denen alle reden, die aber noch keiner im Einsatz gesehen hat. So vor zehn oder fünfzehn Jahren fristete die mechanische Lüftungstechnik solch ein Dasein. Der geht’s aktuell besser. Heute liest und hört man viel von Gaswärmepumpen, aber es sind nur ein paar tausend im Einsatz. Warum?

Frank Draber: Wir bei Remeha konzentrieren uns auf die Gas-Absorptionswärmepumpe, also auf die mit dem thermischen Verdichter statt dem Kolbenverdichter, wie der in der elektrischen Kompressionswärmepumpe. Das ist aber auch im Prinzip der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Systemen. Zum Entwicklungsstand der Adsorptionswärmepumpe auf Basis eines Zeolith-Adsorbers oder auch einer Gasmotor-Wärmepumpe kann ich nicht viel sagen.

„Wir müssen im Prinzip zwei Hürden überspringen, die Investitionskosten und die Loyalität herkömmlichen Techniken gegenüber“, Frank Draber. Bild: Remeha

Für die gilt aber vermutlich dasselbe: Wir müssen im Prinzip zwei Hürden überspringen: eine wirtschaftliche und eine emotionale. Die Wirtschaftliche ist der Preis. Die Geräte sind relativ teuer. Die Emotionale ist die Art der Technologie für Planung und Handwerk. Beide sind ein Stückweit, sagen wir loyal, den bekannten herkömmlichen Techniken gegenüber. Es bedarf einigen Aufwand, sie mit unbekannten Technologien vertraut und zu Multiplikatoren zu machen, die für solche Entwicklungen Kunden gewinnen. Schwierig ganz besonders in dieser Zeit der Auslastung. Wir haben ein Auftragsniveau erreicht, dass einem Fachhandwerker und einem Planungsbüro letztendlich kaum erlaubt, sich mit für sie neuen Technologien auseinanderzusetzen, mit den Einsatzgebieten, mit den Abgrenzungen.

Funktionsschema einer Gaswärmepumpe: 1) Verdampfer, 2) Absorber, 3) Lösungspumpe, 4) Austreiber, 5) Kondensator, 6) Drosselventil. Durch die aufgenommene Umweltwärme verdampft das Kältemittel im Verdampfer und fließt zum Absorber. Dort wird es unter Freisetzung von Wärme (Absorptionswärme) im Lösungsmittel absorbiert. Die Lösungspumpe fördert das Gemisch zum Desorber. Dort dampft die zugeführte Brennerenergie das Lösungsmittel aus dem Kältemittel wieder aus. Seine Heizwärme gibt es beim Verflüssigen im Kondensator an den Heizkreis ab. Anschließend folgt die Entspannung des verflüssigten Kältemittels im Expansionsventil und der Prozess beginnt wieder von vorne. Bild: ITG

Neue Technologie – Absorberkühlschränke stehen in jedem Campingfahrzeug und in jeder Yacht. Die sind bekannter Stand der Technik.

Draber: Ihr Beispiel bestätigt ja nur, dass Absorption nichts Neues und sehr gut beherrschbar ist. Es bleibt aber häufig eine Skepsis, auch wenn wir uns noch so bemühen, die Sorgen zu zerstreuen, die hinter solchen Fragen stehen wie ‚Wie hoch ist der Wartungsaufwand?‘ oder ‚Kann ich überhaupt in den Prozess eingreifen, das alles läuft doch hermetisch ab, muss also teuer ausgetauscht werden?‘ usw. Diese Hemmnisse tun sich bei jeder Technologie auf. Sie erwähnten die Regierung. Es ist tatsächlich sehr wichtig, dass die sich zum Fürsprecher solch einer Technologie macht und eine entsprechende Förderung gewährt. Das geschieht jetzt auch. Solch ein wenig bekanntes, aber nachhaltiges Verfahren muss sowohl von oben nach unten publik gemacht als auch vom Markt entsprechend unterstützt werden. Das sind zwei ganz wichtige Kriterien. Der BDH in Köln hat aktuell eine Sparte gebildet, die sich mit Gaswärmepumpen beschäftigt. Diese wertvolle Technologie muss man einfach fördern. Und die verordnungsrechtlichen Voraussetzungen müssen gegeben sein.

Was meinen Sie damit?

Draber: Die Gaswärmepumpe wird in den gültigen Vorschriften nicht sauber behandelt. Die gültige EnEV, beziehungsweise die DIN 18599 von Dezember 2011 als der mathematische Kern der EnEV, bildet sie nicht ausreichend ab. Das Bundesbauministerium hat deshalb eine Forschungsarbeit im Rahmen der Initiative „Zukunft Bau“ am Institut für Technische Gebäudeausrüstung ITG in Dresden gefördert. Die Studie hat den Titel „Erarbeitung eines Verfahrens zur energetischen Bewertung von Sorptions-Gaswärmepumpen innerhalb der Systemnormung“. Der Abschlussbericht liegt seit Ende 2014 vor. Die Empfehlungen dort sind in die novellierte DIN 18599 eingeflossen, die im Oktober 2016 veröffentlicht wurde. In der Vergangenheit gab es eine Initiative Gaswärmepumpe IGWP, eine Allianz aus Geräteindustrie und Energiewirtschaft. Die Vereinigung hatte bereits verschiedene Feld- und Labortests durchgeführt. Diese Messungen der IGWP dienten dem ITG als Grundlage der Erarbeitung des Berechnungsansatzes für die DIN 18599.

Kommen die Wärmeerzeuger in den gültigen Vorschriften nicht effizient genug oder gut genug weg?

Draber: Teils, teils, es fehlt eine korrekte Bewertung. Die Gaswärmepumpe kann mal zu gut wegkommen, mal zu schlecht wegkommen. Wir wollen beides nicht. Die Gaswärmepumpe arbeitet mit einem Brennwertheizteil und einem integrierten Wärmepumpenmodul. Eine zu große Wärmepumpe in einem kleinen Haus wird viel zu oft takten beziehungsweise im Teillastbetrieb fahren. Dann verliert sie an Effizienz. Darüber hinaus ist sie nur zwischen 50 und 100 % modulierbar, das heißt, sie taktet häufiger, weil sie kleine Leistungen gar nicht bedienen kann. Berechnungsmäßig käme sie in diesem Fall in der EnEV besser weg, weil die das individuelle Verhalten gar nicht sieht. Davon haben wir aber nichts, weil Reklamationen und Ausfälle beziehungsweise nicht eingelöste Versprechen ihrem Ruf schaden würden. Wenn sie dagegen dauerhaft eine Grundlast abdeckt, erkennt das in dem Maße die EnEV nicht an. Sie wird ja beinahe ausschließlich bivalent betrieben, weil, wie gerade gesagt, ihr Modulationsbereich beschränkt ist. Würde man sie auf den Spitzenbedarf auslegen, käme sie in der Übergangszeit nicht weit genug herunter beziehungsweise müsste takten. Und sie würde sich wegen der Übergröße, für die drei oder fünf Tage im Jahr, mit der Amortisation schwer tun. Hocheffizient arbeitet sie dagegen im Grundlastbereich. Diese und andere Verhältnisse gingen aber in die Berechnungsnormen nicht ein. In 2017 wird sich dies hoffentlich ändern.

Dann rechnen Sie mit dem Durchbruch?

Draber: Dann rechnen wir zumindest mit einer höheren Akzeptanz, weil eine klare Berechnungsgrundlage vorliegt. Planer und Anlagenbauer müssen heute das Auslegungsrisiko selbst schultern. Das machen verständlicherweise nur ganz wenige. Prof. Dr. Oschatz und seine Mitarbeiterin, Bernadetta Winiewska, haben in dem Forschungsbericht ein Verfahren aufgezeigt, wie man die Gaswärmepumpe EnEV-gerecht rechnen kann. Wie gesagt, das berücksichtigt jetzt die novellierte DIN 18599. Das gibt den Planern Sicherheit, so dass die spezifischen Vorteile der Gaswärmepumpe dem Markt und der Umwelt nicht vorenthalten werden müssen.

Beschränktes Leistungsangebot

Im Umweltministerium sind einige der Ansicht, man solle bei Überschuss-Strom nicht so sehr in Richtung Elektrolyse und methanisiertem Wasserstoff denken, denn das könne eine Abhängigkeit generieren, zu einer Spirale werden und zusätzliche EE-Anlagen und zu verbuddelnde Strippen initiieren. Man solle zunächst einmal alle Möglichkeiten der intelligenten Direktnutzung der Elektrizität abklopfen und ausschöpfen und alle Möglichkeiten der effizienten Nutzung des Erdgases. Die Direktnutzung des Stroms könnte beispielsweise das Abpumpen des Ruhrgebiets sein. Das hat sich ja durch den Kohlebergbau in den letzten 100 Jahren um mindestens 20 m abgesenkt, so dass das Grundwasser Teile der Region überschwemmen würde, wenn nicht weit über 1 000 Pumpen die Zechenlandschaft trocken hielten. Oder die Gruben des Braunkohletagebaus. Die Pumpen müssen nicht jeden Tag laufen, es reicht an sonnigen und windigen Tagen. Wenn wir jetzt Brennwert gegen Gaswärmepumpen tauschen würden und so 50 % sparten, wäre das ein wesentliches Stück Versorgungssicherheit. Bei den Absorptions-Wärmepumpen konzentrieren Sie sich aber auf 40 kW Heizleistung. Wenn Sie den Durchbruch wollen, müssen Sie mehr bieten.

Draber: Solche Überlegungen, wie eben von Ihnen geschildert, sollten eine Selbstverständlichkeit sein. Das heißt aber nicht, dass die Erweiterung auf Biogas nicht ebenfalls Vorteile bringt. So sieht das auch der erwähnte Forschungsbericht. Dort schreiben die Verfasser: ‚Anteile erneuerbarer Energie am gesamten Primärenergieeinsatz von bis zu 40 % lassen sich mit Gaswärmepumpen bereits bei einem Biogasanteil von 20 % erreichen. Dies führt zu einer nochmaligen Absenkung von CO₂-Emissionen und Primärenergiebedarf.’ 40 % statt 20 %, weil eben der Umweltwärmegewinn noch hinzukommt. Zur Leistung: Momentan wird gerade eine Entwicklung mit 18 kW thermischer Leistung in den Markt gebracht. Das wird ein nächster entscheidender Schritt sein.

Ideal für den Bestand

18 kW klingen nicht unbedingt nach einem Einfamilienhaus.

Draber: Wir denken schon an das Einfamilienhaus, aber nicht an den Neubau. Wir denken an den Bestand. Da sehen wir die größte Chance für die Technik. Dort liegt ja bereits Gas, dort steht ein älterer Kessel, der sogar noch als Spitzenlastkessel im Heizraum bleiben könnte. Die Hauptarbeit wird aber die Gaswärmepumpe leisten.

Sie fahren ja meistens mit Außenluft. Bei Frost also der alte Kessel und ab Plustemperaturen die Wärmepumpe?

Draber: Ja. Es gibt allerdings auch monovalente Anlagen. Wir bei Remeha unterstützten selbst solch ein System. Wir wollten wissen, was auf uns zukommt, wenn wir die Installation auf eine Außentemperatur von –16 bis minus –20 °C auslegen, also ganz ohne Zusatzwärmeerzeuger. Diese Anlage ist auf den Spitzenbedarf ausgelegt. Sie läuft bei uns jetzt zwei Winter und sie läuft störungsfrei, trotz erhöhter Taktzahl in der Übergangszeit. Aufgestellt haben wir sie in einer Kindertagesstätte. Probleme hat es trotz der Leistung von fast 40 kW bisher nicht gegeben.

Sie sprechen jetzt von der Wärmequelle Außenluft?

Draber: Ja. Die Wärmequelle ist Außenluft. Der Vorteil der Gaswärmepumpe sind die zulässigen hohen Vorlauftemperaturen. Die sind einfach dem Prozess geschuldet, weil ein Gas-Brennwertgerät für die Verdichtung zuständig ist. Dadurch sind wir natürlich in der Lage, hohe Vorlauftemperaturen von 60 oder 65 °C zu erzeugen. Wenn sich die Minusgrade auf nur wenige Tage im Jahr beschränken, macht der monovalente Einsatz tatsächlich Sinn. Möglich ist das.

Größerer Luftdurchsatz

Das fehlende korrekte und EnEV-konforme Berechnungsschema als Markthemmnis leuchtet ein. So positiv, wie Sie jetzt die Gaswärmepumpe schildern, Herr Draber, reicht mir dieser Mangel aber nicht für den nur moderaten Einsatz aus. Es stehen ja gerade mal ein paar tausend Aggregate draußen. Das muss doch noch andere Gründe haben.

Draber: Ein paar tausend? Nein, der Markt wächst, toi, toi, toi, stetig. Er bedarf aber tatsächlich einer intensiven Beratung. Die Einsatzfälle müssen klar definiert sein und wir müssen die Planungsunterstützung geben. Die Maschinen stehen in der Regel draußen. Sie verursachen Geräusche…

Das gilt doch genauso für das Außengerät der elektrischen Kompressions-Wärmepumpe.

Draber: Das ist richtig. Natürlich. Nur sprechen wir von anderen Luftmassen. Wir nutzen ja nur etwa 25 % Umweltenergie, während die elektrische Kompressions-Wärmepumpe 75 % ihrer Gesamtleistung der Außenluft entnimmt. Primärenergetisch besteht in etwa eine Pattsituation, weil bei dem elektrischen Kompressor noch die Stromverluste im Kraftwerk hinzukommen. Ein PER von 1,5 der Gaswärmepumpe entspricht in etwa einem COP der elektrischen Kompressions-Wärmepumpe von 4,2. Um aber auf diesen Gleichstand zu kommen, müssen wir wesentlich mehr Luft durchsetzen. Wir bewegen etwa 10 000 m³ Luft pro Stunde bei der 40-kW-Maschine. Die sind hörbar. Dann kommt noch die Abgasführung bei den Geräten hinzu.

Einsatzfelder definieren

Und das Kondensat. Ihr thermischer Verdichter ist ja ein Gas-Brennwertkessel.

Draber: Wie mit dem Kondensat umzugehen ist, regeln die Landesbauordnungen. Die verlangen Unterschiedliches. Das ist vorher zu klären. Ich kann es nur noch mal betonen, die Technologie bringt sehr hohe Energieeinsparungen. Wir müssen die Einsatzfelder definieren und die Berechnung vereinfachen. Dann haben wir auch unseren Markt.

Wo sehen Sie die Haupteinsatzfelder?

Draber: Mehrgeschossige Neubauten, dann der Bereich Gewerbe, Automobilwerkstätten, Kindertagesstätten, Lagerhaltung. Wenn neu gebaut wird, hat man ja über die Dämmung Einfluss auf die Innentemperatur in Bezug auf die Außentemperatur. Gehen wir so vor, liegen klare Verhältnisse für die Gaswärmepumpe vor. Dann ist sie nicht zu toppen.

Wie gehen Sie auf den Planer zu?

Draber: Wenn wir den Planer beraten, beraten wir ihn in Gänze. Wir gehen das ganze Projekt durch. Fragen nach den Eckdaten und Kriterien des Einsatzes. Muss es eine Auslegung 70/50 sein? Warum nimmst du, lieber Planer, dieses oder jenes System?

Wenn die Trinkwarmwasserbereitung ebenfalls über den zentralen Wärmeerzeuger läuft, in diesem Fall also über die Gaswärmepumpe – und damit auch die Legionellenprophylaxe –, schneiden Sie da in größeren Objekten besser als die elektrische Kompressions-Wärmepumpe ab oder schlechter? Nach dem ersten Dafürhalten müsste solche Konfiguration doch für die Gaswärmepumpe sprechen, weil Sie weniger Umweltenergie einbinden und damit bei hohen Temperaturen, weil Sie dann mit Gas heizen, auch gar nicht so in die Knie gehen können wie die Elektro-Wärmepumpe, die dann mit teurem Strom heizt.

Draber: Die Wahrheit liegt irgendwo in der Mitte. Keine Wärmepumpe macht Freude, wenn sie wegen eines großen Trinkwarmwasserbedarfs häufig auf hohen Temperaturen gefahren werden muss. Thermisch desinfizieren alle drei Tage mit Temperaturen um 70 °C tut beiden weh. Es ist aber richtig, das Thema anzusprechen, um den Planern zu sagen, legt den Wärmetauscher zum Beispiel bei Einsatz von Wohnungsstationen für das Trinkwasser mit der richtigen Größe aus. Dann kann man mit 55 °C hineinfahren und kommt mit 50 °C heraus. Das ist der richtige Weg.

Kühlen ebenfalls möglich

Können Sie mit der Gaswärmepumpe kühlen?

Draber: Es gibt Gaswärmepumpen, die das können. Wir haben sie momentan nicht im Programm. Wir beschäftigen uns aber damit. Das hat etwas damit zu tun, dass der Stand des Komforts heute ja quasi die Fußbodenheizung ist. Darauf müssen wir reagieren. Es spielt auch wieder die Gesetzeslage hinein. Das Erneuerbare Energien-Wärmegesetz fordert für den Kühlbetrieb ebenfalls einen regenerativen Anteil. Der Gedanke ist deshalb bei uns da.

Gibt es neuralgische Punkte, auf die trotz korrekter Auslegung während des Betriebs ein besonderes Augenmerk zu legen ist?

Draber: Wir führen die Gaswärmepumpe seit 2009 im Programm. Wir hatten bisher einen einzigen irreparablen Fall im Kältekreis, der aber nicht auf einen Technologiefehler, sondern auf einen Eingriff von außen zurückzuführen ist. Natürlich ist die Gaswärmepumpe ein Produkt, das gewartet werden muss. Konkret etwa die Lösungsmittelpumpe, die von einem Zahnriemen angetrieben wird. Da ist die jährliche Sichtkontrolle ein Muss. Solch ein Bauteil haben Sie bei der elektrischen Wärmepumpe nicht. Sie, die elektrische Variante, hat dafür zahlreiche andere bewegliche Teile, die bei dem Absorptionsprozess wegfallen. Es gibt einen Vorlauf, es gibt einen Rücklauf, es gibt einen Gasanschluss, es gibt einen Abgasanschluss und einen Kondensatablauf, es gibt ein Brennwertgerät. Das kennt jeder Heizungsbauer.

Sofern die Gaswärmepumpe Teil eines größeren, eventuell bereits vorhandenen Heizsystems sein soll, muss die Steuerung der Fremdanlage in der Lage sein, den neuen Wärmeerzeuger zu erkennen und die Systemtemperatur zur überprüfen, um sie in das vorhandene Regelkonzept einzubinden. Von Seiten der Remeha-Gas-Absorptionswärmepumpe ist eine Integration in bestehende Anlagen und Regelkonzepte bereits vorhanden. Bild: Genath

Verliert dieses Sorptionsverfahren im Laufe der Jahre an Effizienz? Bleibt die Lösungsfähigkeit des Wassers für das Ammoniak über die Lebensdauer erhalten oder kann es da zu Ablagerungen kommen und dadurch zu Wirkungsgradverlusten? Ich denke jetzt dabei konkret an die Photovoltaik, die Degradationserscheinungen hat und im Laufe ihrer Jahre auf 80 % ihrer Leistung abfällt.

Draber: Nein, so etwas belastet die Gaswärmepumpe nicht.

Warum keine Direktverdampfung

Herr Draber, eine thermodynamische Frage. In dem von Ihnen zitierten Forschungsbericht und natürlich auch in anderen Publikationen fällt in den Schemabildern eins auf: Die elektrische Wärmepumpe kommt ohne ein Lösungsmittel aus. Sie verflüssigt und verdampft nur das Kältemittel. Ihre Gaswärmepumpe braucht ein Lösungsmittel, nämlich das Wasser. Dieses Wasser wird aber eigentlich in den schematischen Darstellungen nur im Kreislauf zwischen Absorber und Austreiber schlicht gesprochen herumgenudelt. Warum braucht eine Absorptionswärmepumpe Wasser oder ein anderes Fluid, was den Prozess nur verkompliziert? Warum darf es nicht eine Direktverdampfung sein?

Draber: Rein thermodynamisch betrachtet bietet die Direktverdampfung eine höhere Effizienz. Diese Effizienzsteigerung bedeutet oftmals einen komplexeren Prozess, die Technik mit Verwendung eines Lösungsmittels ist dagegen deutlich einfacher aufgebaut. Im Bereich der Gaswärmepumpentypen findet man beide Prozesse im Markt, wir haben uns für die Lösungsmittelvariante entschieden. Die Aufstellung dieser Geräte bedarf jedoch keiner speziellen kältetechnischen Kenntnisse, so dass der Heizungsbauer diese Technologie einfach installieren kann.

Das Interview führte für die HLH Dipl.-Ing. Bernd Genath, Düsseldorf