Power für die Pumpe

Wärmepumpen sollen leise sein. Das ist klar. Doch möglichst geringe Dezibel-Werte und gesetzliche Lärmvorschriften sind nicht alles. „Relevant ist auch die Tonalität, die Art der Geräusche“, sagt Jan von der Heyden, Laborleiter am Standort Remscheid. So könne ein Geräusch mehr oder weniger störend wirken. Ein Summen etwa könne durchaus wohlklingend sein, während ein helles Klacken, das in einem bestimmten Rhythmus erklingt, so nervtötend sein könne wie ein tropfender Wasserhahn.

In von der Heydens Team arbeiten deshalb auch Psychoakustiker mit, die wissen, welche Töne stören und welche nicht. Um genauer zu untersuchen, wo ein störendes Geräusch entsteht, scannen die Techniker die Wärmepumpen zusätzlich mit einer akustischen Kamera ab, in der nebeneinander mehrere Mikrofone zu einem Bündel verschraubt sind. Diese „Kamera“ verwandelt den Ton in ein „Lärmbild“, das die lauten und leisen Bereiche in verschiedenen Farben zeigt. Damit kein Schall von außen die Messungen stört – zum Beispiel Erschütterungen durch schwere Lastwagen – hat Vaillant das Akustiklabor auf Federn schwebend gelagert.

Das Kreuz mit dem Lärm

Der Lärm ist eine knifflige Angelegenheit, weil es viele potenzielle Störquellen gibt. Wenn Rohre zu dicht nebeneinander liegen, kann es scheppern. Vibrationen aus der Pumpe können über die Rohre bis in die Heizkörper im Haus wandern. Und schlecht gestaltete Lüfter, die die Außenluft ansaugen, können zu Turbulenzen und Pfeifgeräuschen führen. Besonders laut wird es, wenn die Rotorblätter des Lüfters kleine Wirbelschleppen erzeugen, in die die nachfolgenden Rotorblätter hineinschlagen. All das macht es anspruchsvoll, flüsterleise Wärmepumpen zu gestalten. Manchmal reicht Isoliermaterial aus. In anderen Fällen müssen die Techniker das Design verändern und Rohrleitungen anders verlegen. Außerdem kann es nötig sein, Bauteile federnd in der Wärmepumpe zu befestigen.

Zwei Etagen höher ist das EMV-Labor, in dem Jan von der Heydens Kollegen die „elektromagnetische Verträglichkeit“ testen. „Das Labor ist im Grunde ein riesiger Faradayscher Käfig, der ganz aus Metall gebaut ist“, sagt von der Heyden. „Damit schirmen wir elektrische Felder von außen ab, die unsere Messungen verfälschen würden“. Drinnen stehen drei große Antennen, die elektromagnetische Felder erzeugen und auf die Wärmepumpe in der Mitte des Raums abstrahlen. So lassen sich beispielsweise die Felder von Mobilfunkstationen oder großen elektrischen Anlagen simulieren. „Damit finden wir heraus, ob diese künftig die Elektronik unserer Wärmepumpen stören könnten.“ Umgekehrt lässt sich prüfen, ob die schwachen Felder, die die Wärmepumpe selbst erzeugt, ihrerseits andere Geräte stören, zum Beispiel Handys. Keine Frage: Die Wärmepumpenentwicklung ist Hightech.

Einst ein Spielzeug für Nerds

Vor gut 20 Jahren sah das noch anders aus. In Deutschland wurden Wärmepumpen damals stiefmütterlich behandelt. Die Technologie galt als zu kompliziert – als Spielzeug von Energie-Nerds. „Ich kann mich noch gut an die späten 1990er-Jahre erinnern“, sagt Kai Schiefelbein, Vorsitzender der Geschäftsführung der Firma Stiebel Eltron in Holzminden. „Damals wurden wir von der Politik überhaupt nicht ernst genommen. Die Wärmepumpe, die ja Strom als Antriebsenergie nutzt, um Wärme zu erzeugen, galt als ,verkappte Stromheizung‘, die eher der Kernenergie in die Hände spiele. Inzwischen hat sich das Image völlig gewandelt.“ Denn die Geräte sind umweltfreundlich. Aus einer Kilowattstunde elektrischen Stroms erzeugt eine Wärmepumpe rund drei bis fünf Kilowattstunden Wärme – etwa drei- bis fünfmal so viel wie beim Erdgas. Zudem macht sie es möglich, Wärme für Heizung und Heißwasser künftig ganz ohne fossile Rohstoffe zu erzeugen: ohne Erdgas, Erdöl und Kohle.

Dass Deutschland lange zögerlich war, spüre man heute noch, meint Kai Schiefelbein: „Bei Wärmepumpen ist Deutschland im internationalen Vergleich noch immer Entwicklungsland.“ Das zeigt der Blick auf die 2022 neu installierten Anlagen: In Finnland gingen, auf die Zahl der Haushalte umgerechnet, mehr als zehnmal so viele Wärmepumpen in Betrieb, und selbst im warmen Spanien wurden im Verhältnis mehr Anlagen installiert.

Asien wiederum hat bei der Produktion von Wärmepumpen die Nase vorn. „Wir bieten für den europäischen Markt zwar die robusteren und für hiesige Verhältnisse zuverlässigeren Wärmepumpen an“, sagt Kai Schiefelbein. Aber wegen der deutlich höheren Stückzahlen könnten die asiatischen Unternehmen günstiger fertigen. „Das bedeutet für uns, dass wir bei der Produktion mit den Kosten runtergehen müssen“, betont Schiefelbein. „Eine Lösung ist für uns die Funktionsintegration.“ Das bedeutet, Komponenten für die Wärmepumpen so zu designen, dass sie mehrere Funktionen erfüllen – etwa ein Kunststoffteil, das zugleich als Dämpfungsmaterial und Führung für Schläuche, Rohre oder Kabel dient. So muss man weniger Teile zusammenschrauben.

Den Strom effizient nutzen

Mehr Effizienz ist für Kai Schiefelbein eines der wichtigsten Ziele – nicht nur in der Fertigung, sondern auch, wenn die Anlagen in Betrieb sind. „Die wesentliche Größe ist die Menge an Strom, die die Wärmepumpe über ihre Lebenszeit verbraucht. Deshalb ist es sinnvoll, aus dem Strom möglichst viel herauszuholen.“

Dafür gibt es viele Schräubchen im Wärmepumpenkreislauf, an denen die Entwickler noch drehen können – zum Beispiel bei den Wärmetauschern, die die Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen und dann über den Kälte- an den Heizkreislauf des Hauses abgeben. Statt mehrere Rohre zu einem Wärmetauscher zu verlöten und zu verschrauben, sollen künftig verstärkt Bauteile aus einem Guss zum Einsatz kommen, die von vielen winzigen Kanälchen durchzogen sind – etwa sogenannte Aluminium-Micro-Channel-Wärmetauscher, die bereits bei Elektroautos zum Einsatz kommen. Dort führen sie die Wärme besonders effizient von den Motoren ab.

Eine weiterer Ansatz besteht darin, dem Kältemittel künftig noch mehr Wärme zu entziehen. In der Wärmepumpe wird Wärme erzeugt, indem das durch die Umgebung vorgewärmte gasförmige Kältemittel komprimiert und dabei weiter erwärmt wird. Das aufgeheizte Kältemittel gelangt dann in den Verflüssiger, wo es sich wieder ausdehnt und die gespeicherte Wärme über den Wärmetauscher an den Heizkreislauf abgibt. Während es die Wärme abgibt, kühlt sich das Kältemittel wieder ab – und wird dabei erneut flüssig.

Der Trick besteht darin, das Gas im Verflüssiger noch stärker abzukühlen, um dadurch noch mehr Wärme abzugreifen. Das soll durch spezielle Ventile erreicht werden. Darüber hinaus arbeiten die Ingenieure daran, den Kältemittelkreislauf – ähnlich wie bei einem Diesel-Fahrzeug – durch gezieltes Einspritzen von Kältemittel zu optimieren. Das alles wird den Wirkungsgrad der Wärmepumpen weiter steigern.

Noch weiter in die Zukunft blickt der Wärmepumpen-Experte Peter Schossig vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Er betreibt angewandte Forschung für die Industrie und entwickelt Technologien, die frühestens in fünf Jahren reif für den Alltagseinsatz sind. Peter Schossig und seine Kollegen gehörten vor 20 Jahren zu den ersten, die sich für Propan als umweltfreundliches Kältemittel stark machten. In vielen Wärmepumpen kommen heute noch fluorhaltige Kältemittel zum Einsatz, die – wenn sie einmal in die Umwelt gelangt sind – als starkes Treibhausgas wirken.

Vorteilhaftes Propan

„Damals galt Propan als zu gefährlich, weil es brennbar ist“, berichtet Peter Schossig. „Doch es hat viele Vorteile.“ So sei das Treibhauspotential geringer. Zudem erreiche Propan beim Verdichten sehr effizient hohe Temperaturen, liefere also viel Wärme. Inzwischen setzen die deutschen Hersteller Propan in immer mehr Wärmepumpen ein. Dabei achten sie darauf, so wenig Propan wie möglich zu verwenden, um im Fall eines Defekts größere Schäden zu vermeiden.

Auch für Altbauten geeignet

Peter Schossig und seine ISE-Kollegen haben in den vergangenen Jahren auch mit einem Vorurteil aufgeräumt, dass den Wärmepumpen den Start in Deutschland erschwert hatte. So hieß es, dass sich Wärmepumpen nur in gut gedämmten Neubauten und bei Fußbodenheizungen lohnten, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen arbeiten. Altbauten mit bollernden Heizkörpern ließen sich mit Wärmepumpen kaum versorgen, so dachte man. Mit dem Feldtest „WPsmart im Bestand“ hat die Freiburger Forschergruppe gezeigt, dass dem nicht so ist.

Untersucht wurden Gebäude, die zwischen 15 und 170 Jahre alt und unterschiedlich gut saniert waren. Die Ergebnisse sind eindeutig: Die Wärmepumpen konnten selbst schlecht isolierte Altbauten ausreichend beheizen – und erzeugen dabei zwischen 27 und 61 Prozent weniger Kohlendioxid als Gas-Brennwertheizungen. „Wärmepumpen lassen sich also auch im Gebäudebestand in großer Zahl einsetzen“, sagt Peter Schossig. „Voraussetzung ist allerdings, dass man sich eine solche Anlage vor der Sanierung von einem Energieexperten durchrechnen lässt.“

Als Forscher, der weiter in die Zukunft blickt, hat Peter Schossig derzeit auch Aspekte auf dem Schirm, die erst langsam in der Industrie Einzug halten. „Bei der Kreislaufwirtschaft und dem Recycling der Anlagen sehe ich derzeit noch Nachholbedarf“, sagt er. „Noch lassen sich die Anlagen zum Ende ihres Lebens nicht ideal wiederverwerten.“ Der Freiburger Fraunhofer-Forscher mahnt, bei den Wärmepumpen schneller zu sein als bei der Photovoltaik. „Da wurde eine ganze Industrie hochgezogen, ohne von Anfang an auch an eine Kreislaufwirtschaft zu denken.“ Das sollte bei den Wärmepumpen, die jetzt so richtig durchstarten, anders laufen.

Baustein für intelligente Netze

Und noch etwas hat Peter Schossig im Blick: die Wärmepumpe als Teil des intelligenten Stromnetzes der Zukunft. Das intelligente Stromnetz soll künftig die schwankende Produktion von Strom aus Sonnen- und Windenergie mit dem Verbrauch in Einklang bringen. Steht an sonnigen und windigen Tagen mehr elektrischer Strom zur Verfügung als benötigt wird, ließe dieser sich in den Batterien von Elektroautos speichern oder für die Wasserstoffproduktion in Elektrolyseanlagen nutzen. Und auch die Wärmepumpen könnten ihren Teil beitragen: Sie könnten den überschüssigen Strom nutzen, um das Wasser in den Heißwasserspeichern quasi auf Vorrat aufzuwärmen. Es kann dann während des Abends oder am nächsten Tag zum Heizen und Duschen genutzt werden.

Für diesen flexiblen Betrieb werden die Wärmepumpen bereits fit gemacht. So haben die führenden Hersteller bereits Wärmepumpen im Programm, die sich über intelligente Stromzähler – sogenannte Smart Meter – mit dem Stromnetz koppeln lassen. „Das bedeutet aber auch, dass wir das Zusammenspiel mit dem Stromnetz testen müssen“, betont der Ingenieur Thomas Werner, der bei Vaillant einen Stand aufgebaut hat, in dem er die „Systemtechnik“ prüft.

Darin sind alle Komponenten des künftigen Strom-Wärme-Systems miteinander verknüpft – die Wärmepumpe, Heizkörper, eine Brauchwasserleitung, ein Anschluss zu einer Ladestation für Elektroautos, ein weiterer für eine Photovoltaikanlage oder auch ein Stromspeicher. „Damit können wir testen, ob unsere Wärmepumpen künftig in dem komplexen Miteinander der verschiedenen Technologien das leisten, was sie sollen“, sagt Werner.

Der Prüfstand hat den Vorteil, dass hier verschiedene Kombinationen von Geräten und Komponenten durchgetestet werden können – „denn jedes Haus, und jede Installation ist anders“, ergänzt Wärmepumpentechnologie-Leiter Rainer Lang. „Wir nutzen den Systemtechnik-Prüfstand auch dazu, um hier Handwerker und Installateure zu schulen“, berichtet der Vaillant-Experte. „Sie sind unsere wichtigsten Partner, weil sie dafür zuständig sind, in den Häusern die Heizungsanlagen zum Laufen zu bringen.“ Da die Wärmepumpentechnik für viele Handwerksbetriebe noch immer eine relativ junge Angelegenheit ist, arbeitet Vaillant an digitalen Installationshilfen für eine „geführte Inbetriebnahme“ vor Ort. Auf einem Laptop können sich die Handwerker damit Schritt für Schritt durch das Prozedere für die Installation der Anlage klicken.

Den Installateuren das Leben so leicht wie möglich zu machen, damit die Kunden am Ende mit der Anlage zufrieden sind, sei besonders wichtig, sagt Rainer Lang. Dazu gehöre auch, dass Wärmepumpen künftig während des laufenden Betriebs von allein ihren Zustand überwachen und sich selbst optimieren, damit sie besonders effizient arbeiten. Die benötigten Daten könnten über Smart Meter zwischen den Wärmepumpen und ihren Herstellern ausgetauscht werden. Rainer Lang: „Wir bemühen uns, die Digitalisierung des Strommarktes und vor allem des intelligenten Stromnetzes vorwegzunehmen, um in den kommenden Jahren solche und andere digitale Services anzubieten.“ Was auch immer das sein mag: Klar ist schon heute, dass Wärmepumpen weit mehr als eine schnöde Heizung sind.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…