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Thermodynamisch optimiertes Heizen

Herkömmliche Bemühungen zur Maximierung der Energieeffizienz der Gebäudeheizung zielen einerseits auf eine Minimierung des Heizwärmebedarfs (insbesondere durch gute Wärmedämmung des Gebäudes) und andererseits auf die Minimierung von Energieverlusten in der Heizungsanlage. Das Konzept des thermodynamisch optimierten Heizens geht hier noch einen wesentlichen Schritt weiter, um die Energieeffizienz des Gesamtsystems noch weiter zu erhöhen. Es basiert auf dem Grundgedanken, dass die eigentlich zu minimierende Größe nicht die eingesetzte Energie, sondern die Exergie ist. (Deswegen ist auch der Begriff der LowEx-Strategie entstanden, siehe z. B. [3].) Damit erkennt man insbesondere, dass ein Heizkessel mit noch so hohem Wirkungsgrad letztendlich nicht annähernd die physikalisch optimale Nutzung des Brennstoffs ermöglicht: Er nutzt zwar fast den gesamten Energiegehalt, zerstört jedoch den Großteil der enthaltenden Exergie.

Drei Schritte zum thermodynamisch optimierten Heizen

Zum thermodynamisch optimierten Heizen gehören die folgenden Schritte:

1. Minimierung des Wärmebedarfs

Der erste Schritt zum thermodynamisch optimierten Heizen ist wie beim herkömmlichen Ansatz, dass der Heizwärmebedarf minimiert wird. Dies erreicht man vor allem dadurch, dass eine gute Wärmedämmung den Wärmeverlust durch Wärmeleitung von der warmen Wohnung nach außen so klein hält wie möglich. Hinzu kommt die Minimierung von Lüftungsverlusten durch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sowie die passive Sonnenenergienutzung.

Wenn der Wärmebedarf durch Fehler in diesem ersten Schritt höher ist als nötig, erzeugt dies einen erhöhten Exergiebedarf, der durch Verbesserungen in den weiteren Schritten kaum mehr kompensiert werden kann.

2. Minimierung der Vorlauftemperatur

Der zweite Schritt ist, dass der Exergie-Anteil des gegebenen Heizwärmebedarfs möglichst klein gehalten wird. Dies bedeutet, dass die benötigte Vorlauftemperatur der Heizungsanlage minimiert wird. Dies kann durch Einsatz einer Niedertemperaturheizung geschehen; in aller Regel handelt es sich um eine Flächenheizung.

Als Beispiel betrachte man die Situation bei einer Raumtemperatur von 20 °C und einer Außentemperatur von 0 °C. Wenn das Niedertemperaturheizsystem eine Vorlauftemperatur von 30 °C benötigt, beträgt die benötigte Exergie nur ca. 10 % des Heizwärmebedarfs. Bei einer Vorlauftemperatur von 60 °C (wie üblich in ungedämmten Altbauten) wären es schon 18 %.

3. Optimierung der Wärmeerzeugung

Im dritten Schritt wird dann die Wärmeerzeugung so gestaltet, dass der Exergie-Gehalt (und nicht nur der Energie-Gehalt) des primären Energieträgers möglichst gut genutzt wird. Soweit nicht z. B. Abwärme auf einem direkt für die Heizung ausreichenden Temperaturniveau verfügbar ist, kann man eine Wärmepumpe einsetzen. Diese benötigt zwar einen Teil Exergie (z. B. in Form elektrischer Energie), nutzt diesen aber, um zusätzlich kostenlose Umgebungswärme heranzuziehen. Im Endeffekt erreicht man, dass die Menge der erzeugten Heizwärme mehrfach größer ist als die Menge der eingesetzten Primärenergie. (Die Leistungszahl der Wärmepumpe gibt an, wie viel mehr Heizwärme gewonnen wird.) Bei Betrachtung der Exergie erkennt man, dass heutige Wärmepumpen in der Regel immer noch rund die Hälfte der Exergie verlieren. Das bedeutet, dass ihre Leistungszahl noch erheblich unter dem liegt, was physikalisch möglich wäre. Hier liegt also für die Zukunft noch ein erhebliches Verbesserungspotenzial, anders als z. B. bei Heizkesseln.

Natürlich sollte die Wärmepumpenheizung stets so betrieben werden, dass nie eine unnötig hohe Temperatur erzeugt wird. Beispielsweise sollte die Vorlauftemperatur bei mildem Wetter so weit wie möglich abgesenkt werden, um dann die Leistungszahl noch weiter zu erhöhen.

Ein Problem bei den heute üblichen Wärmepumpen ist, dass die erzeugte Wärmeleistung bei geringer Temperaturdifferenz zwischen innen und außen weit höher ist als nötig. Hierdurch entstehen unnötig hohe Temperaturgradienten z. B. im Verdampfer und im Kondensator der Wärmepumpe – dies ist eine wesentliche Ursache davon, dass wie oben erwähnt das theoretische Potenzial noch nicht ausgeschöpft wird. Wesentliche Verbesserungen der Situation setzen voraus, dass die Kompressorleistung bei geringen Temperaturdifferenzen reduziert wird, natürlich ohne den Wirkungsgrad des Kompressors wesentlich zu beeinträchtigen. Es gibt bereits einzelne modulierende Wärmepumpenmodelle, die eine solche Leistungsanpassung des Kompressors aufweisen, und dies dürfte zukünftig Standard werden.

Tendenziell ungünstig ist es auch, wenn die Produktion einer Wärmepumpe zunächst in einen Wärmespeicher eingelagert wird. Dies erfolgt nämlich meist bei einer etwas höheren Temperatur, als bei der die Wärme dann anschließend benötigt wird. Man beachte auch, dass ein geringer Temperaturhub bei einem Speicher eine schlechte Ausnutzung von dessen Speicherkapazität bedeutet.

Vergleich von Heizkessel und Elektrowärmepumpe

Die Betrachtung der Exergie und nicht nur der Energie macht deutlich, dass ein noch so energieeffizienter Heizkessel das thermodynamische Potenzial des Brennstoffs nicht annähernd vollständig ausschöpfen kann. Ein moderner Gas-Brennwertkessel, der bei 0 °C Außentemperatur eine Vorlauftemperatur von 30 °C erbringt, speist zwar fast 100 % der Energie des Erdgases in das Heizsystem ein, aber nur ca. 10 % der Exergie. (90 % der Exergie gehen im Heizkessel verloren, und zwar beim Wärmeübergang von den heißen Verbrennungsgasen zum Heizwasser.) Der Heizkessel ist also energetisch effizient, aber exergetisch sehr ineffizient.

Rein energetisch betrachtet ist es viel verlustreicher, den Brennstoff zunächst zu verstromen; selbst bei modernsten Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken, die mit Erdgas befeuert werden, gehen rund 40 % der Energie des Erdgases verloren. Jedoch Ist es falsch, daraus zu folgern, dass die Nutzung des Gases in Heizkesseln wegen dessen viel höheren Wirkungsgrad sinnvoller wäre. Im Kraftwerk behält man immerhin ca. 60 % der Exergie; davon gehen noch wenige Prozentpunkte bei der Stromübertragung vom Kraftwerk zum Verbraucher verloren. Nutzt man die verbleibende Exergie zum Antrieb einer Elektrowärmepumpe, die wiederum rund die Hälfte der Exergie verliert, bewahrt man ausgehend vom Erdgas z. B. noch 25 % der Exergie, also zweieinhalb mal mehr als beim besten Heizkessel. Dieser Vorteil kann natürlich auch bei der energetischen Betrachtung verifiziert werden: Das Verhältnis von Heizwärme zur Primärenergie ist das Produkt des Wirkungsgrads der Stromerzeugung inkl. Stromverteilung (z. B. 0,55) mit der Leistungszahl der Wärmepumpe von z. B. 4,5. Dieses Produkt wird hier also ca. 2,5, während ein Heizkessel höchstens einen Wert geringfügig über 1 liefert (bei Brennwertnutzung und Berücksichtigung nur des Heizwerts des Primärenergieträgers).

Wohlgemerkt wurde hier der für heutige Verhältnisse optimale Fall der Wärmepumpenheizung angenommen (abgesehen davon, dass das Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung im Prinzip noch effizienter sein könnte). Der Durchschnitt der heute tatsächlich betriebenen Elektrowärmepumpen kombiniert mit dem durchschnittlichen Wirkungsgrad der deutschen Kohlekraftwerke ergibt eine Gesamteffizienz, die kaum mehr über der eines modernen Heizkessels liegt. (Teilweise liegt dies auch daran, dass viele Wärmepumpen erheblich höhere Vorlauftemperaturen liefern müssen, da die Heizungsanlagen in älteren Häusern mit 30 °C nicht auskommen würden.) Für die Entscheidung über zukünftige System ist freilich die Effizienz von modernen Anlagen relevant, und hier ist das System mit Elektrowärmepumpe wie gezeigt weitaus besser. Zudem liegt hier auch noch ein wesentliches weiteres Verbesserungspotenzial (vor allem bei den Wärmepumpen selbst), während die Effizienz von Heizkesseln kaum mehr gesteigert werden kann. Deshalb ist dieses Konzept auch recht attraktiv im Vergleich zur Kraft-Wärme-Kopplung in dezentralen Anlagen, bei der der elektrische Wirkungsgrad meist relativ niedrig ist.

Siehe auch: Exergie, Energieeffizienz, Heizungsanlage, Niedertemperaturheizung, Wärmepumpe, Heizwärmebedarf, RP-Energie-Blog 2014-05-16