Potenziale und Bewertung von Wärmequellen
Großwärmepumpen nutzen Umwelt- oder Abwärme, indem sie Wärme bei niedrigen Temperaturen aufnehmen und diese, mit zusätzlicher Antriebsenergie, auf ein höheres Temperaturniveau an die vorgesehene Wärmesenke abgeben. Dabei spielt die Wahl der passenden Wärmequelle eine zentrale Rolle. Eigenschaften wie das Temperaturniveau, saisonale und räumliche Verfügbarkeit und der Aufwand zur Erschließung der Quelle haben direkten Einfluss auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit eines Projekts. Auf dieser Seite erfahren Sie mehr über die wichtigsten Wärmequellen für Großwärmepumpen und deren spezifische Vor- und Nachteile.
Umgebungsluft ist eine unerschöpfliche und überall verfügbare Wärmequelle, die häufig für kleinere und dezentrale Wärmepumpen genutzt wird. Sie bietet den Vorteil eines vergleichsweise geringen Investitionsaufwands und ist leicht zugänglich. Allerdings unterliegt diese Wärmequelle starken jahreszeitlichen Temperaturschwankungen, was insbesondere in der kalten Jahreszeit zu Herausforderungen führen kann. Um in diesen Phasen einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, sind oftmals angepasste Betriebsmodi erforderlich, wie etwa eine Rücklaufanhebung. Für Großwärmepumpen müssen größere Luftvolumen bewegt werden, was besondere Anforderungen an Ventilatoren und Lärmschutzmaßnahmen stellt. Ein weiterer Aspekt ist die mögliche Vereisung der Wärmetauscher, die gelegentlich Abtauvorgänge erfordert.
Oberflächennahe Geothermie bis zu einer Tiefe von 400 Metern hat das Potenzial, bis zu 75% des Wärmebedarfs für Raumwärme und Warmwasser in Deutschland zu decken. Die Technologie nutzt die ganzjährig stabilen Temperaturen des Erdreichs, wobei je nach Art der Nutzung eine Bergbauberechtigung und wasserrechtliche Genehmigungen erforderlich sind. Die Investitionskosten variieren je nach Erschließung: Flache Erdkollektoren sind kostengünstiger, während tiefere Bohrungen für geschlossene oder offene Systeme höhere Kosten verursachen, jedoch effizienter arbeiten.
Mitteltiefe und tiefe Geothermie, ab Bohrtiefen von etwa 600–800 Metern, bieten das Potenzial für ganzjährig hohe Quelltemperaturen und erhebliche Wärmemengen. Die Temperatur steigt mit der Tiefe um etwa 3 Kelvin pro 100 Meter und in Regionen wie dem Süddeutschen Molassebecken oder dem Oberrheingraben liegen hohe Potenziale vor. Die Erschließung dieser Geothermiequellen erfordert jedoch große Bohrgeräte, was zu höheren Investitionskosten führt. Zudem unterliegt die Nutzung dem Berg- und Wasserrecht und birgt ein hohes Fündigkeitsrisiko, was aufwendige hydraulische und seismische Analysen erfordert. Aufgrund dieser Herausforderungen ist die Erschließung von tiefer Geothermie kostenintensiv und komplex, wobei staatliche Unterstützung oder private Versicherungsmodelle zur Risikominderung zunehmend relevant werden. In Deutschland ist die tiefe Geothermie noch wenig erforscht, weshalb aktuelle Studien darauf abzielen, die Datenverfügbarkeit zu verbessern und Förderinstrumente zu entwickeln.
Grubenwasser stellt eine wertvolle Wärmequelle dar, die jedoch nur lokal verfügbar ist. Im Ruhrgebiet, wo große Bereiche des Untergrunds durch ehemalige Gruben durchzogen sind, wird das Kohlengrubenwasser dauerhaft abgepumpt, um Bodenabsenkungen und Überflutungen zu vermeiden. Diese dauerhafte Wasserhaltung bietet ein großes Abwärmepotenzial, bei einer mittleren Quellentemperatur von etwa 35 °C.
Gewässerthermie nutzt die Umweltwärme aus Oberflächengewässern wie Seen, Flüssen und Meeren, wobei wasserrechtliche Genehmigungen erforderlich sind. Jede Gewässerart bietet unterschiedliche Potenziale: Seen haben oft stärkere jahreszeitliche Temperaturschwankungen. Flüsse hingegen zeichnen sich durch ihre Strömung und konstanten Wasserbewegungen aus, wodurch sie weniger anfällig für Überhitzung sind. Meere bieten geringere Temperaturschwankungen. Es gelten jedoch erweiterte Anforderungen an Bauteilen wie Wärmeübertrager. Technologisch stellen zudem die Biologie der Gewässer und der Einsatz sicherer Kältemittel Herausforderungen dar.
Abwasser und Kläranlagen bieten ganzjährig eine potenziell deutschlandweit verfügbare Wärmequelle mit stabilen Temperaturen von 17–20 °C im Sommer und 10–12 °C im Winter. Dadurch sind sie als Wärmequelle, besonders im Winter, effizienter als Luft oder Gewässer. Theoretisch ließen sich bei einem Temperaturentzug von 3 Kelvin in Deutschland jährlich rund 31 TWh Umweltwärme gewinnen, wobei die tatsächliche Nutzung durch Einschränkungen bezüglich der technischen Erschließbarkeit geringer ausfällt. Eine Absenkung des Klär- oder Abwassers von 4 Kelvin beeinträchtigt laut Studien nicht die Funktion der Kläranlagen. Herausforderungen bestehen in schwankenden Wasserströmen und biologischen Ablagerungen, sowie in der strengen Reinwasser-Schutzanforderung, die durch technische Lösungen wie doppelwandige Wärmetauscher bewältigt werden kann.
Industrielle Abwärme kann in verschiedenen Formen anfallen, wie etwa Kühlwasser, Abwärme aus der Drucklufterzeugung oder Rauchgasabwärme bei Verbrennungsprozessen. Je nach Prozess variiert das Temperaturniveau, häufig über dem Fernwärmeniveau, sodass eine direkte Wärmerückgewinnung über Wärmeübertragersysteme möglich sein kann. Mit dem Einsatz von Groß- oder Hochtemperaturwärmepumpen ergibt sich ein erhebliches Potenzial für die technische Nutzung industrieller Abwärme. Vor allem bei höheren Temperaturen sollte diese Abwärme vorrangig wieder in industrielle Prozesse eingespeist werden, um die Energieeffizienz zu maximieren. Auch die Nutzung für Prozessdampfaufbereitung bei Temperaturen über 200 °C ist möglich. Erst wenn eine Rückgewinnung nicht realisierbar ist, sollte die verbleibende Abwärme in Fernwärmenetze eingespeist werden. Die technische Erschließung erfordert spezielle Systeme für Speicherung und Übertragung, um Verluste zu reduzieren, etwaige Kontaminationen zu vermeiden und zeitliche Schwankungen zwischen Quelle und Senke auszugleichen. Für die Einbindung in ein Fernwärmenetz ist eine enge Abstimmung mit dem Industrieunternehmen und dem Fernwärmenetzbetreibern erforderlich. Industrieunternehmen haben oft kürzere Investitionshorizonte als Fernwärmenetzbetreiber, was die Planung erschwert. Veränderungen in der Industrie könnten zudem zu einer frühzeitigen Reduktion der Abwärmemenge führen, was die Zusammenarbeit zwischen den Parteien noch wichtiger macht.
Rechenzentren gewinnen als Abwärmequelle aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung zunehmend an Bedeutung. Trotz Effizienzsteigerungen im Strombedarf wird in Deutschland ein Anstieg des Energieverbrauchs dieser Branche erwartet. Da die eingesetzte elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, bietet sich ein erhebliches Potenzial zur Nutzung durch Großwärmepumpen. Als Voraussetzung gilt eine Errichtung der Rechenzentren nahe der Wärmesenke. Unter optimalen Bedingungen könnte bis zu 70% der Abwärme genutzt werden. Die Temperatur der Abwärme hängt vom Kühlkonzept ab: Bei luftgekühlten Rechenzentren liegt sie bei etwa 30 °C, während flüssigkeitsgekühlte Systeme Temperaturen bis zu 60 °C erzeugen.