Die Steigerung des Wirkungsgrades bei der Wärmeerzeugung steht schon lange im Zentrum der Bemühungen zur Reduktion des CO2-Ausstosses. Dem Erdgas wird hier ein besonderes Potenzial nachgesagt. Es ist ein sauberer gasförmiger Energieträger mit niedrigen Schadstoffemissionen.

Aufgrund der chemischen Zusammensetzung (>90% Methan) erzeugt es am wenigsten Kohlendioxid aller fossilen Energieträger. Die schadstoffarme Verbrennung mit hohem Wasserdampfanteil erlaubt, die latente Kondensationswärme auszunutzen. Wirkungsgrade bis zu 105% (bezogen auf Hu) sind ohne weiteres möglich. Der Gas-Kondensationskessel ist heute auf dem höchsten Stand der Technik und erlaubt kaum mehr Wirkungsgradverbesserungen.

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Der nächste Schritt zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades ist die Nutzung von Umweltwärme im Verbund mit dem Primärenergieträger Erdgas durch Gaswärmepumpen (GWP).

Deshalb beauftragte der Forschungs- und Entwicklungsfonds der Schweizer Gaswirtschaft (FOGA) den Schweizerischen Verein des Gas- und Wasserfachs (SVGW) mit der Durchführung eines Schwerpunktprogramms «Praxistest Gaswärmepumpen». Der SVGW hat als technische Dachorganisation der Schweizer Gasversorger Erfahrung mit Projekten im Bereich von Forschung, Entwicklung und Markteinführung neuer Technologien zum sparsamen, sauberen und sicheren Einsatz von Erdgas als Brenn- und Treibstoff.

Das Vorhaben will dem Heizungskunden mittelfristig eine effiziente Gasgerätetechnologie zur Verfügung stellen, die Umweltwärme nutzt.

Anspruchsvolle Technik

Die Wärmepumpe transportiert Wärme unter Einsatz von Energie (mechanisch oder thermisch) von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau.

Gasmotor-Wärmepumpen arbeiten wie Elektrowärmepumpen nach dem sog. Kaltdampfprozess. Im Unterschied zur EWP treibt ein Gasmotor den Kältemittelverdichter (Kompressor) an. Deshalb kann zusätzlich die Wärme aus dem Kühlwasser sowie aus dem Abgas des Gasmotors ins Heiz-system eingekoppelt werden. Die Nutzung der Motorabwärme trägt wesentlich zur hohen Primärenergieausnutzung und damit zum geringen CO2-Ausstoss bei.

In Japan begann die Entwicklung von GWP in den 90er Jahren. Die gasbetriebenen Verbrennungsmotoren mit 740 kW Wellenleistung wurden auf Dauerbetrieb bei konstanter Last ausgelegt, mit Regel-Serviceinterwallen bis zu 10000 Betriebsstunden. Die hohe Zuverlässigkeit führte zu einem wahren Gaswärmepumpen-Boom, zumal diese Einheiten sowohl Heizen als auch Kühlen können. Heute sind in Japan mehr als 400000 GWP mit Gasmotor im Leistungsbereich (Heizen/ Kühlen) 18/14 kW bis 67/56 kW in Betrieb.

Absorptions-Gaswärmepumpen

Die Absorptions-Gaswärmepumpe arbeitet mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch (oder Wasser/Lithiumbromid). Im Austreiber werden Ammoniak und Wasser durch Wärmezufuhr von einem Gasbrenner erhitzt und aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte getrennt. In Anlehnung an diesen thermisch angetriebenen Kernprozess wird bei der Absorptions-WP von einem thermischen Verdichter gesprochen, der im Gegensatz zur Gasmotor-WP weitgehend ohne mechanische Verschleissteile auskommt.

Auch bei Absorptions-Gaswärmepumpen kann der Arbeitsmittel-Kreislauf umgekehrt und die Maschine zu Klimatisierungszwecken verwendet werden. Ein italienischer Hersteller (Robur) hat eine Gasabsorptions-WP mit 35 kW Heizleistung auf den Markt gebracht.

Die Aussenluft galt bislang wegen ihrer fast unbegrenzten Verfügbarkeit als kostengünstige Wärmequelle. Die saisonalen Temperaturschwankungen wirken sich jedoch nachteilig auf die Jahresarbeitszahl aus. Eine Wärmequelle mit praktisch konstanter Leistung ist Erdwärme, die mit Erdsonden oder bodennahen Wärmekollektoren «geerntet» wird. Für den Einsatz von Erdwärmesonden werden Bohrungen bis zu 100 m Tiefe mit einem Durchmesser von etwa 15 bis 20 cm durchgeführt. Die Leistung einer Erdsonde ist abhängig von der Beschaffenheit des Erdreichs, kann aber mit ca. 50 Watt pro Meter Bohrtiefe veranschlagt werden.

Die im Rahmen der Praxistests installierten Gaswärmepumpen mit einer Heizleistung ab 18 kW eignen sich besonders gut für den Einsatz in einfachen Bauten, wie z.B. Gewerbebauten, Einkaufszentren oder auch Tankstellenshops. Vorteilhaft ist eine Dachinstallation wie bei einer Tankstelle in Sierre, wo eine Aisin GWP zum Heizen und Klimatisieren des Shops installiert wurde. Die Dachinstallation der Maschine ermöglicht kurze Leitungslängen zu den direktverdampfenden Inneneinheiten; eine zusätzliche Abgasführung erübrigt sich. Fazit: Als positive Erkenntnis ist bisher gesichert, dass GWP für Klimatisierungs-Anwendungen eine interessante und konkurrenzfähige Variante sind.

Thomas Brügger, dipl. El.-Ing. ETH, Projektingenieur, SVGW, Schwerzenbach.