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nPro: Software-Tool zur Planung und Auslegung von Wärmepumpen

Wärmepumpen spielen für zukünftige Energiesysteme eine zentrale Rolle, da sie eine effiziente Schnittstelle zwischen dem Strom- und Wärmesektor darstellen. Die Planung effizienter Wärmepumpen-Systeme ist jedoch anspruchsvoll. Geeignete Software-Tools können dabei helfen, Anlagen und Speicher optimal zu dimensionieren, sodass eine hohe Systemeffizienz und Wirtschaftlichkeit erreicht wird.

Planung von Groß-Wärmepumpen

Zur Versorgung von großen Liegenschaften oder Wärmenetzen sind Großwärmepumpen zentral: Sie ermöglichen, überschüssigen Strom im Stromnetz auf sehr effiziente Weise in Wärme umzuwandeln. Idealerweise werden Wärmepumpen daher durch erneuerbare Energien gespeist und mit Wärmespeichern kombiniert. Die Speicherung von Wärme ist aus wirtschaftlicher Sicht wesentlich effizienter als die Speicherung von Strom, in beispielsweise Batterien. Wärmepumpen mit Wärmespeichern können so Angebotsspitzen der erneuerbaren Energien (Photovoltaik- oder Windkraft-Anlagen) effizient nutzen und ein Abregeln erneuerbarer Energien vermeiden. Großwärmepumpen werden häufig zur Versorgung von Wärmenetzen installiert. Weltweit gibt es bereits unzählige Anwendungsbeispiele, bei denen Wärmepumpen zu einer klimaneutralen Wärmeversorgung von Quartieren und Stadtgebieten beitragen.

Wärmequellen für Groß-Wärmepumpen

Bei der Wahl einer geeigneten Wärmequelle für Groß-Wärmepumpen stehen eine Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten zur Verfügung: Ein typisches Beispiel für den urbanen Raum ist Abwasserwärme. In Abwasserkanälen werden Wärmeübertrager installiert, die die Wärme aus dem Abwasser entziehen. Vorteil von Abwasserwärme ist, dass ganzjährig hohe Temperaturen von rund 12 °C vorliegen. Hohe Quellentemperaturen führen zu einer hohen Effizienz der Wärmepumpe (Leistungszahl, COP). Die Wärmepumpen speisen dann in der Regel Niedertemperatur-Wärmenetze, die umliegende Quartiere mit Wärme versorgen. Eine andere Wärmequelle ist Flusswasser: Flusswasser weist in der Regel ganzjährig Temperaturen von mehr als 0 °C auf und eignet sich daher ebenfalls als Wärmequelle. Vorteilhaft ist hierbei, dass viele große Städte über einen Fluss verfügen, welcher ein großes Potential zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung bietet. Je nach Vorlauftemperatur des Wärmenetzes können so hohe Leistungszahlen erzielt werden und aufgrund der großskaligen Anlagen auch ein wirtschaftlicher Betrieb realisiert werden. Zahlreiche andere Wärmequellen können zum Betrieb von Wärmepumpen erschlossen werden, zum Beispiel U-Bahn-Schächte, Abwärme aus Kühlprozessen (Lebensmittelindustrie oder Rechenzentren), aber auch die typischsten Formen wie Umgebungsluft (Luftwärmepumpe) oder Geothermie (Erdwärmepumpe).

Energiesystem mit Erdwärme- und Luftwärmepumpe sowie einer Kältemaschine mit Wärmerückgewinnung
Abbildung 1: Energiesystem mit Erdwärme- und Luftwärmepumpe sowie einer Kältemaschine mit Wärmerückgewinnung

Tool zur Dimensionierung von Wärmepumpen für Wärmenetze

Zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe muss zwingend ein ganzes Auslegungsjahr sowie wirtschaftliche Parameter herangezogen werden, die es erlauben, den Einsatz der Wärmepumpe für eine Vielzahl von Auslegungspunkten ganzheitlich zu bewerten. Dazu werden oft Simulationsrechnungen durchgeführt, alternativ kann jedoch auch auf sogenannte mathematische Optimierungsmodelle zurückgegriffen werden. Mathematische Optimierungmodelle erlauben es, diejenige Systemkonfiguration zu bestimmen, welche im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit das beste Ergebnis erzielt. Mit Hilfe des nPro-Tools können derartige Auslegungsrechnungen mit wenigen Klicks durchgeführt werden. Hierbei können auch ökologische Faktoren (CO2-Emissionen) mitbetrachtet werden. So kann bei der Anlagenauswahl ein CO2-Preis berücksichtigt werden, der dazu führt, dass ökologischere Systeme ausgewählt werden. Mathematische Optimierungsmodelle weisen gegenüber einfachen Excel-Rechnungen zahlreiche Vorteile auf: Zum einen können sie das Energiesystem mit einer hohen zeitlichen Auflösung simulieren und tragen so fluktuierenden Erzeugungsprofilen von erneuerbaren Energien Rechnung. Zum anderen betrachten sie ein gesamtes Auslegungsjahr, was es ermöglicht, unterschiedliche Betriebsverhalten in den verschiedenen Monaten mit in die Auslegungsentscheidung einfließen zu lassen und die Auslegung nicht nur nach Spitzenlasten durchzuführen.

Im nPro-Tool können 5 verschiedene Arten von Wärmepumpen ausgelegt und simuliert werden.

Auslegung effizienter Wärmepumpen-Systeme

Entscheidende Vorteile von Wärmepumpen gegenüber Verbrennungstechnologien wie Kessel oder BHKWs sind zum einen ihre hohe thermodynamische Effizienz und zum anderen die Möglichkeit neben Wärme auch Kälte bereitzustellen. Für einen effizienten Einsatz von Wärmepumpen müssen jedoch einige Faktoren berücksichtigt werden: Zum einen muss der Temperaturhub, also die Differenz zwischen Quellen- und Senkentemperatur möglichst gering sein. Je kleiner der Temperaturhub, desto höher die Leistungszahl und desto geringer der Stromeinsatz pro kWh Wärme. Da Wärmepumpen vergleichsweise hohe Investitionskosten aufweisen, sollte außerdem auf eine hohe Volllaststundenzahl bei der Auslegung geachtet werden. Für die Spitzenlastdeckung im Winter können andere Systeme wie Power-to-heat-Kessel vorgesehen werden. Ein weiterer Einflussfaktor sind die Taktzeiten: Eine Wärmepumpe sollte nicht allzu oft ein- und ausgeschaltet werden, da jeder Anfahrvorgang zum Verschleiß der mechanischen Komponenten (z.B. Kompressor) führt. Idealerweise wird eine Wärmepumpe daher mehrere Tage am Stück betrieben. Um die Taktzeiten zur erhöhen können Wärmespeicher sowie eine intelligente vorausschauende Regelung eingesetzt werden. Um das volle Potential einer Wärmepumpe auszunutzen, sollten die Wärmepumpe so ausgelegt sein, dass - falls möglich - beide Wärmeströme am warmen und am kalten Ende genutzt werden können: Während am Kondensator der Wärmepumpe der Nutzwärmestrom auf hohem Temperaturniveau anfällt, fällt gleichzeitig am Verdampfer ein Kältestrom an, der ebenfalls genutzt werden kann. Im Optimalfall können beide Seiten der Wärmepumpe direkt zur Deckung von Wärme- und Kältebedarfen genutzt werden. In diesem Fall erzielt die Wärmepumpe sehr hohe Leistungszahlen (Wärmeleistung plus Kälteleistung geteilt durch Antriebsleistung). Man nennt derartige Wärmepumpen auch Kältemaschinen mit Wärmerückgewinnung (englisch: heat recovery chiller), da sie sowohl kühlen als auch die entstehende Abwärme direkt für weitere Prozesse nutzen. Neben Erdwärme- und Luftwärmepumpen können im nPro-Tool auch Kältemaschinen mit Wärmerückgewinnung dimensioniert werden und ihr Einfluss auf die Gesamtperformance des Systems untersucht werden.

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