Wärmepumpen – Lastmanagement für den Speichermix der Zukunft

Lastausgleich durch Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, welche aus Umweltwärme (Erde, Wasser, Luft) Energie zum Heizen bereitstellen kann. Dabei stellt sie bis zu fünfmal mehr Nutzenergie (in Form von thermischer Energie) zur Verfügung, als an elektrischer Energie für ihren Betrieb gebraucht wird.

Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist vergleichbar mit dem eines Kühlschranks, mit einem Unterschied: Während ein Kühlschrank seinem Innenraum die Wärme entzieht, um sie nach außen abzugeben, entzieht die Wärmepumpe dem Außenbereich Wärme und gibt sie nach innen als Heizenergie ab. Beide Geräte arbeiten mit einem Kreislaufsystem, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Kältemittel sind chemische Substanzen, die bereits bei niedrigen Temperaturen verdampfen. Hierbei handelt es sich meist um synthetische Fluorkohlenwasserstoffe oder um Ammoniak bzw. Kohlendioxid.

Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Teilen: 1) der Wärmequellanlage, die der Luft, Wasser oder dem Erdreich Wärme entzieht, 2) der Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht sowie 3) dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärmeenergie im Haus verteilt oder zwischenspeichert.

Die Wärmequellanlage überträgt die gewonnene Umweltwärme an die Wärmepumpe. Dort wird die Wärme in einem ersten Wärmetauscher, dem sogenannten Verdampfer, an das Kältemittel abgegeben. Durch die Wärmezufuhr beginnt das Kältemittel zu kochen und verdampft. Anschließend wird der Kältemitteldampf in einen Verdichter geleitet. Hier wird der Dampf komprimiert, wodurch sich sein Druck erhöht und seine Temperatur weiter ansteigt. In einem zweiten Wärmetauscher, dem sogenannten Verflüssiger, wird das Kältemittel entspannt, d. h. es verflüssigt sich wieder und kann auf diese Weise seine Wärmeenergie an das Wärmeverteil- bzw. Speichersystem des Gebäudes abgeben. Mithilfe eines Expansionsventils werden Druck und Temperatur des Kältemittels in einem letzten Schritt so weit gesenkt, dass es zurück in den Verdampfer geführt werden kann.

Wärmepumpen als Energiespeicher

Derzeit gibt es circa 450 000 Wärmepumpen in Deutschland. Viele Netzbetreiber sehen in ihnen ein großes Potenzial für das Lastmanagement im Stromnetz. Denn lokal auftretende Überschüsse in der Stromerzeugung, wie sie beispielsweise bei Wind und Photovoltaik auftreten, können zum Betrieb von Wärmepumpen genutzt werden. In Verbindung mit ihren Wärmespeichersystemen können Wärmepumpen also ein wichtiger Baustein in einem intelligenten Netz (Smart Grid) sein. Zu diesem Zweck können Wärmepumpen außerdem gebündelt und zu virtuellen Großverbrauchern zusammengeschlossen werden.

Das Hauptpotenzial von Wärmepumpen liegt im Moment im Heizungsbereich: Überschüssiger Strom, der in den Herbst und Wintermonaten erzeugt wird, kann dazu genutzt werden, Haushalte mit Wärme zu versorgen. Ganzjährig kann eine Wärmepumpe zudem der Warmwasserbereitung dienen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass Wärmepumpen auch umgekehrt betrieben werden können. Indem sie Innenräumen Wärme entziehen und diese nach außen abgeben, dienen sie dann der Kühlung.

Arbeitsauftrag

Im Video unten wird die Funktionsweise der Wärmepumpe näher erklärt.

  1. Sieh dir das Video an und achte dabei besonders darauf, auf welchem Weg die Umweltwärme in der Wärmepumpe in Heizenergie umgewandelt wird und an welchen Stellen Energie und Umweltwärme zugeführt werden.
  2. Ordne die beschrifteten Pfeile so an der Grafik an, dass sie kennzeichnen, an welchen Stellen elektrische Energie und Umweltwärme zugeführt werden und wo Wärmeenergie abgegeben wird.
  3. Finde heraus, wofür die übrigen grafischen Elemente stehen und ordne sie den Pfeilen zu.
  4. Über den Button unten kannst du beliebig viele Pfeile erzeugen. Nutze sie dazu, den Prozesskreislauf in deinem Schema einzuzeichen.
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