In dieser Arbeit wird untersucht, ob ein mit einer PV-Anlage inklusive Batteriespeicher, Wärmepumpe und Ladesäulen (Wallboxen) ausgerüstetes Gebäude zu einer Entlastung des Netzes beitragen könnte. Aufgrund der zunehmenden Elektromobilität und des steigenden Strombedarfs wird das Netz in Deutschland früher oder später an seine Grenzen kommen. Deshalb gilt es Wege zu finden, um einer solchen Überlastung entgegenzuwirken und den Netzbezug zu reduzieren oder gar eine autarke Versorgung zu erzeugen.
Die Daten sollen möglichst realitätsnah betrachtet werden weshalb – soweit möglich – reale Daten verwendet wurden. Es soll beleuchtet werden, welcher Autarkiegrad im Jahr 2020 mit den unten genannten Komponenten erreicht werden kann. Dies wird anhand von drei Referenztagen aus jeweils Sommer-, Winter- und Übergangszeit näher betrachtet. Folgende Verbrauchswerte werden in dieser Arbeit genauer analysiert: Last der Mitarbeiter (Grundbedarf Mitarbeiter, Serverräume, Klimaanlage, etc.), Wärmepumpe zur Heizung des Gebäudes und Ladestation für E-Autos. Mithilfe folgender Komponenten soll elektrische Energie erzeugt, ggfs. gespeichert und Energie eingespart werden: Photovoltaikanlage, Batteriespeichersystem und Gebäudeenergiemanagement.
2 Grundlagen und Funktionsweise der Komponenten
2.5 Ladesäule (Wallbox)
3 Analysen und Untersuchungen zur elektrischen Energieerzeugung und Verbrauch
3.1 Allgemeine Anmerkungen zu den Untersuchungen
3.2 PV-Ertragsanalyse
3.3 Lastgangprofilanalysen
3.3.1 Gebäudeenergiebedarf
3.3.2 Energiebedarf Wärmepumpe und Klimaanlage
3.3.3 Energiebedarf der Ladesäulen
4 Bestimmung der Autarkiegrade, mit Ergebnissen und Diskussion
4.1 Bestimmung der Autarkiegrade
4.1.1 Autarkiegradbestimmung: PV-Erzeugung und Gebäudeverbrauch
4.1.2 Autarkiegradbestimmung: PV-Erzeugung und Gebäudeverbrauch inkl. Wärmepumpe
4.1.3 Autarkiegradbestimmung: PV-Erzeugung und Gebäudeverbrauch inkl. Wärmepumpe und Wallbox
4.2 Zusammenfassung der Ergebnisse
4.3 Auswertung der Ergebnisse
5 Kritische Schlussbetrachtung
6 Ausblick
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Quellenverzeichnis
Zusammenfassung
Aufgrund der zunehmenden Elektromobilität und des steigenden Strombedarfs wird das Netz in Deutschland früher oder später an seine Grenzen kommen.
Deshalb gilt es Wege zu finden, um einer solchen Überlastung entgegenzuwirken und den Netzbezug zu reduzieren oder gar eine autarke Versorgung zu erzeugen.
In dieser Arbeit wird untersucht, ob ein mit einer PV-Anlage inkl. Batteriespeicher, Wärmepumpe und Ladesäulen (Wallboxen) ausgerüstetes Gebäude zu einer solchen Entlastung des Netzes beitragen könnte.
Anhand eines Bestandsbürogebäudes wird ermittelt, inwiefern ein Gebäude, das von 8 Uhr morgens bis 18 Uhr abends betrieben wird, mithilfe von Photovoltaik, Batteriespeicher, Wärmepumpe, Klimaanlage, Wallboxen (als Verbraucher) und Gebäudeenergiemanagement autark sein kann. Die hier eingesparte elektrische Energie könnte ggfs. in Elektromobilität Verwendung finden.
Als Referenzjahr für die Untersuchung wird das Jahr 2020 gewählt, in welchem sowohl PV-Erzeugungsdaten (aus einem Gebäude in der Nähe) als auch Lastgangdaten vom Gebäude vorliegen.
Abkürzungsverzeichnis
PV-Modul Photovoltaikmodul
WR Wechselrichter
WP Wärmepumpe
kW Kilowatt
kWh Kilowattstunde
kWp Kilo-Watt-Peak (Kilo-Watt-Spitze)
kVA Kilovoltampere
E-Auto Elektroauto
BAFA Bundesamt für Wirtschaf und Ausfuhrkontrolle
COP Coefficient of Performance (Effizienz der WP)
1 Einleitung
1.1 Problemumfeld
Durch den politischen Wandel in hat die Elektromobilität in Deutschland zugenommen.
„Die Förderung von Elektroautos ist eine Maßnahme, um die Klima- und Umweltschutzziele der Bundesregierung zu erreichen - in Deutschland den Ausstoß des Klimakillers Kohlendioxid bis 2050, um mindestens 80 Prozent zu verringern. Öl wird außerdem immer knapper. Durch den Umstieg auf E-Autos könnte die Abhängigkeit von diesem fossilen Brennstoff reduziert werden.“ [1]
Allerdings birgt die Elektromobilität auch einige Gefahren, wie z.B. die Überlastung des Stromnetzes. Laut aktuellen Zahlen gibt es derzeit rund 600.000 E-Autos, die auf Deutschlands Straßen unterwegs sind – bis 2030 soll sich diese Zahl auf zehn Millionen E-Autos vergrößern. [2]
Doch wie sieht es mit der Infrastruktur aus ? Ist es möglich diese enorme Zahl an E-Autos auch mit elektrischer Energie zu versorgen ? Elektrische Energie ist nicht so einfach speicherbar wie Energie aus fossilen Brennstoffen wie z.B. Öl. Es gibt derzeit zwar elektrische Energiespeicher, sie sind aber sehr teuer in der Anschaffung und müssten dennoch geladen werden.
Welche Menge an elektrischer Energie ca. benötigt wird, um 10 Millionen E-Autos zu laden, verdeutlicht folgendes Gedankenexperiment:
Angenommen jedes E-Fahrzeug habe:
● eine Ladeleistung von 11 kW (AC)
● eine Batteriekapazität von 55 kWh
Die Ladekurve wird hier einfachheitshalber vernachlässigt und es wird eine konstante Ladung von 11 kW angenommen Das würde bedeuten, dass ein Auto fünf Stunden lang mit 11 kW Leistung lädt.
Zudem gilt es den Gleichzeitigkeitsfaktor zu berücksichtigen. Dieser ist eine Abschätzung, wie stark ein System typischerweise ausgelastet werden wird, um eine entsprechende Dimensionierung für den Anschluss treffen zu können. Der Faktor beschreibt - einfach ausgedrückt -wie viele Autos gleichzeitig laden. [3]
Bei einer Ladeinfrastruktur von 500 E-Autos geht man von einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,2 aus. Da keine anderen Werte bekannt sind, wird dieser für das Gedankenexperiment von 10 Millionen E-Autos verwendet. [4]
Ein durchschnittlicher Deutscher fährt morgens zur Arbeit und kommt gegen Nachmittag nach Hause. Da er am nächsten Tag das Auto benötigt, müsste es dann abends geladen werden. Das würde bedeuten, dass mit den oben angenommenen Werten sowie der Annahme, dass die Batterie leer gefahren wird, das Fahrzeug von 16 Uhr 21 Uhr konstant mit 11 kW geladen wird.
Bei 10 Millionen Fahrzeugen und einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,2 ergibt sich folgender Wert für die Ladeleistung:
In diesen 5 h Ladedauer würde dann: elektrische Energie benötigt werden.
Deutschland hat im Jahr 2020 als Vergleich insgesamt 543,6 TWh elektrische Energie verbraucht – wenn man annimmt, dass die Leistung über das Jahr betrachtet, konstant ist, wären dies: [5]
Dieses stark vereinfachte Gedankenexperiment zeigt, dass der Gesamtstromverbrauch, zumindest zeitweise, verdoppelt werden würde.
Hinzu kommt, dass nicht nur E-Autos mit elektrischer Energie versorgt werden sollen, sondern auch die immer häufiger zum Einsatz kommenden Wärmepumpen. Diese starke Erhöhung des elektrischen Energieverbrauches bedeutet, dass Möglichkeiten gefunden werden müssen, um die großen Lasten kostengünstig abzufangen.
Da die Gewinnung elektrischer Energie aus regenerativen Energien, z.B. Photovoltaikanlagen, immer günstiger und effizienter wird, bietet es sich an zu untersuchen, inwieweit eine Entlastung des Netzes durch diese Energiequelle möglich wäre. Je höher der Autarkiegrad, umso weniger wird elektrische Energie aus dem Netz bezogen und umso weniger wird das Netz belastet.
Im Jahre 2019 lag der größte Anteil vom Stromverbrauch in Deutschland mit 45,7 % bei der Industrie, gefolgt von Gewerbe und Handel mit 27,4 %, Haushalte mit 24,6 % und Verkehr mit 2,3 %. [6]
Ein Gebäude, das ‘‘fast‘‘ energieneutral betrieben wird, befindet sich in Memmingen, dass von der Alois Müller GmbH aus Bayern errichtet wurde. Dieses Gebäude hat eine 1,1 MW PV-Anlage, die ca. 90% des Energiebedarfes (Energie für Strom, Kälte, Wärme und Druckluft) decken soll. Um die PV-Energie zu speichern, befindet sich in diesem Gebäude eine 230 kWh Lithiumbatterie. Die restlichen 10% soll eine 200 kW Pellet-Heizanlage und ein Blockheizkraftwerk, das mit Biogas betrieben wird, decken. Die überschüssigen Kälte- und Wärmeenergien werden in einem Pufferspeicher mit Fassungsvermögen von 100.000 Liter gespeichert und können genutzt oder ins Netz eingespeist werden, sodass die benachbarten Gebäude diese Energie nutzen können. Die Gesamte Produktionsplanung ist auf die Photovoltaikanlage ausgelegt, sodass diese optimal genutzt wird.
Das Gebäude beinhaltet ebenso Wallboxen, jedoch war deren Anzahl nicht genannt. [7]
1.2 Aufgabenstellung
In dieser Arbeit soll der Autarkiegrad eines ausgewählten Bürohauses analysiert werden, welches mit Photovoltaikanlage, Batteriespeicher, Wärmepumpe und Ladesäulen ausgerüstet wurde.
Die Daten sollen möglichst realitätsnah betrachtet werden weshalb – soweit möglich – reale Daten verwendet wurden. Es soll beleuchtet werden, welcher Autarkiegrad im Jahr 2020 mit den unten genannten Komponenten erreicht werden kann. Dies wird anhand von drei Referenztagen aus jeweils Sommer-, Winter- und Übergangszeit näher betrachtet.
Folgende Verbrauchswerte werden in dieser Arbeit genauer analysiert:
● Last der Mitarbeiter (Grundbedarf Mitarbeiter, Serverräume, Klimaanlage, etc.)
● Wärmepumpe zur Heizung des Gebäudes
● Ladestation für E-Autos
Mithilfe folgender Komponenten soll elektrische Energie erzeugt, ggfs. gespeichert und Energie eingespart werden:
● Photovoltaikanlage
● Batteriespeichersystem
● Gebäudeenergiemanagement
2 Grundlagen und Funktionsweise der Komponenten
In den folgenden Unterkapiteln werden schrittweise die einzelnen Komponenten in ihren Funktionsweisen untersucht. Die Berechnungen folgen bei den Untersuchungen zu den Lastgängen bzw. Erträgen.
2.1 Photovoltaikanlage
Die Sonnenenergie ist die am häufigsten vorkommende, frei verfügbare Energie der Erde. Sie zählt unter anderem mit der Wind- und Wasserenergie zu den erneuerbaren Energiequellen. Um die Energie der Sonne nutzen zu können, benötigen wir eine Photovoltaikanlage, welche die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie umformt. Eine PV-Anlage besteht aus zwei Komponenten: Zum einen aus den PV-Generatoren, welche die Sonnenenergie in Gleichstrom umwandeln und zum anderen aus einem Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in besser nutzbaren Wechselstrom transformiert.
In Deutschland (und auch in anderen Ländern) sieht man immer häufiger Solarzellen (auch Photovoltaik-Zellen genannt) auf den Dächern von Einfamilienhäusern oder größeren Büro- bzw. Industriebetrieben.
Photovoltaikanlagen haben den Vorteil, dass sie langlebig und wartungsarm sind – Hersteller der PV-Generatoren geben meist eine Garantie von 20 Jahren. Auch aus wirtschaftlicher Sicht macht heutzutage eine PV-Anlage noch Sinn. Die niedrige Einspeisevergütung (so nennt man das Geld, das man für den selbsterzeugten, ins Netz gespeisten Strom bekommt) zwingt Anlagenbetreiber immer mehr dazu ihren Strom selbst zu verbrauchen. Seit dem 01.04.2021 bekommt man für eine Anlage bei Wohngebäuden der Größenordnung 40 kWp bis 100 kWp (kWp ist die Peak Leistung, die auf dem Dach installiert wird) nur noch 5,95 Cent/kWh. [8]
Bezieht man Strom vom Netz, so zahlt man je nach Wohngebiet ca. 30 Cent/kWh, sodass man versucht mehr elektrische Energie selbst zu verbrauchen, um die errichtete Anlage wirtschaftlicher zu betreiben.
2.1.1 PV-Generator
Das Herzstück einer PV-Anlage ist der PV-Generator. Er besteht aus einzelnen Modulen, welche die Energie der Sonne in elektrische Energie umwandeln.
Es gibt drei verschiedene Solarzellentypen:
● Monokristalline Zellen
● Polykristalline Zellen
● Amorphe Zellen/Dünnschichtzellen
Aufgrund des hohen Wirkungsgrades der monokristallinen Zellen (unter Laborbedingungen Wirkungsgrade von über 20%) wird dieses in der folgenden Arbeit verwendet und genauer erläutert. [9]
Monokristalline Solarzellen bestehen aus einkristallinem Silizium. Einkristalline Stäbe werden bei der Herstellung aus dem Silizium gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Diese dünnen Scheiben werden Wafer genannt und haben im Vergleich zu Polykristallinen Zellen einen sehr hohen Siliziumanteil.
Aufbau und Funktionsweise
Solarzellen bestehen aus Silizium, das weder vollständig leitend noch vollständig isolierend ist. Diese Eigenschaft des Siliziums wird zur Stromerzeugung verwendet. Aber wie genau wird aus der Sonne Strom?
Dafür muss man sich zuerst den Aufbau des Siliziums anschauen:
Abbildung 1 Silizium Phosphor-Phosphor Aufbau (Eigene Darstellung)
Silizium hat vier Außenelektronen und ist damit voll besetzt. Jetzt wird in die obere Schicht vom Silizium ein Material mit fünf Außenelektronen gemischt (meistens Phosphor). Das fünfte Außenelektron ist beim Phosphor zu viel und kann sich frei bewegen.
In das untere Silizium wird als nächstes ein weiteres Material eingemischt, das Bor-Atom mit drei Außenelektronen. Bor ist Somit unterbesetzt und hat einen Platz für ein Elektron frei. Das freie Elektron vom Phosphor fließt nun zum Bor, sodass dieses nicht mehr unterbesetzt ist.
Abbildung 2 Silizium Phosphor-Phosphor-Bor Aufbau (Eigene Darstellung)
Es entsteht eine Grenzschicht aus Bor-Atomen. Durch die Verschiebung des Elektrons bilden sich ein Plus- und ein Minuspol. Zwischen diesem Plus- und Minuspol ergibt sich eine Grenzschicht.
Strahlt jetzt Sonnenlicht auf die Solarzelle, wird das vierte Bor-Atom (das Anfangs nicht zum Bor gehörte) angeregt und bewegt sich vom Bor Atom weg. Durch den positiven elektrischen Pol wird das Elektron, das sich vom Bor Atom gelöst hat, angezogen.
Abbildung 3 Silizium Phosphor-Phosphor Aufbau - Bildung der Grenzschicht (Eigene Darstellung)
Das Bor Atom in der Grenzschicht hat jetzt wieder einen Platz frei und nimmt (solange die Sonne scheint) vom weiter unten liegenden Bor Atom ein Elektron auf. Die Elektronen wollen immer zum Pluspol, weshalb immer weiter Elektronen fließen. Durch Metallplatten auf dem positiven und negativen Pol, die mit einem Verbraucher (Wechselrichter etc.) verbunden sind, fließen die Elektronen dann, solange die Sonne scheint, weiter. Die Elektronenbewegung hört auf, wenn die Sonne nicht mehr scheint. [10]
Abbildung 4 Elektronenbewegung - PV-Generator ( Eigene Darstellung)
2.1.2 Wechselrichter
Hauptaufgabe des Wechselrichters ist die Umwandlung des Gleichstroms, der aus dem PV-Generatorfeld erzeugt wird, in den für den Endverbraucher besser nutzbaren Wechselstrom (230 V 50 Hz).
Es gibt unterschiedliche Arten von Wechselrichtern:
● Selbst geführte Wechselrichter (Inselnetz, kein Netz notwendig)
o Anwendungsbereiche: Berghütten, Wetterstationen, Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
● Fremd- oder Netzgeführte Wechselrichter (benötigen zur Funktion eine feste Netzspannung)
o Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen
o Netzkopplung von Windkraftwerken mit variabler Drehzahl
Funktionsweise
Die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom geschieht durch schnelles Ein- und Ausschalten eines elektronischen Schalters, der den Wechselstrom erzeugt. In kurzen Zeitintervallen wird die Spannung zu- und abgeschaltet. Ebenfalls ändert sich die Höhe der Spannung und die Stromstärke, sodass man im Durchschnitt eine Sinusform erhält. Diese Umwandlung geschieht mittels Pulsweitenmodulation. Die Logik der Pulsweitenmodulation ist simpel: Man erzeugt Gleichspannungen in Form von Impulsen unterschiedlicher Breite. In Bereichen, in denen man größere Spannungen benötigt, werden breitere Impulse erzeugt. Die Mittelwerte dieser Impulse nähern sich einer Sinuskurve an. Die Wechselspannung würde bei dieser Schaltfrequenz ungefähr dem Verlauf der lila Kurve ähneln.
Diese Schaltung wird auch Vollbrücken Wechselrichter genannt. An den Klemmen: oben Plus und unten Erde wird eine Gleichspannung angelegt. Die vier Schalter werden bei Wechselrichtern üblicherweise mit IGBTs (Bipolarer Transistor mit isolierter Gate-Elektrode, ist ein Halbleiterbauelement aus der Leistungselektronik) oder auch Thyristoren geschaltet. Dies sind leistungselektronische Schalter, die hohe Schaltfrequenzen ermöglichen (IGBTs bis 30kHz 
30.000 Schaltungen pro Sekunde). Somit erhält man durch die richtige Öffnung bzw. Schließung der Schalter entweder eine positive oder negative Spannung und kann daraus einen Wechselstrom erzeugen. Je höher die Schaltfrequenz, desto besser wird der Sinus dargestellt.
Diese Umwandlung ist notwendig, da unsere Stromnetze und auch die hausinternen Stromleitungen mit Wechselstrom arbeiten. Nach der Umwandlung im Wechselrichter kann der Strom aus der Photovoltaikanlage dann direkt ins Netz eingespeist oder im Haus genutzt werden. Bei Ausfall des Gerätes kann keine Energie an das Stromnetz abgegeben werden.
2.2 Batteriespeicher
Da die Einspeisevergütung (der Preis, den man für den Verkauf des erzeugten Stromes bekommt) immer weiter sinkt, wird die Erhöhung des Eigenverbrauches, des erzeugten Stromes, immer attraktiver. Der große Nachteil hier ist aber das nur 30% des erzeugten Stromes selbst nutzbar sind. Dies liegt daran, dass die PV-Anlage nur in den Mittagsstunden bzw. Vormittag bis Nachmittag) Strom erzeugt. [11]
Man kann den Eigenverbrauch erhöhen, indem man die Lasten auf die Sonnenstunden verteilt. Da die Stromerzeugung aber wetterbedingt ist und sich kurzfristig ändern kann, ist diese Möglichkeit in der Praxis eher schlechter umsetzbar.
Eine Abhilfe für dieses Problem ist seit dem Jahr 2011 die Nutzung eines elektrischen Energiespeichers. Anfangs wurden vermehrt Bleisäure-Batterien eingesetzt, heute dominiert aber die Lithium-Ionen-Batterie. Grund dafür ist, dass Lithium-Ionen-Akkus eine höhere Lebensdauer (bis zu 20 Jahre) besitzen als Bleisäure-Batterien. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass Lithium-Ionen-Akkus eine weitaus höhere Zyklenzahl (damit ist gemeint, wie oft eine Batterie vollständig be- und entladen werden kann) und Entladetiefe besitzen als Blei-Akkus.
Tabelle 1 Vergleich Bleisäure Akku-Lithium-Ionen-Batterie [12]
2020 wurden laut Bundesverband der Solarwirtschaft rund 88.000 Batteriespeicher installiert. Die durchschnittliche Größe eines Heimspeichers liegt bei ca. sieben bis acht Kilowattstunden.
Funktionsweise
Im Folgenden wird nur die Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus betrachtet:
Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus zwei Elektroden, der positiv geladenen Kathode und der negativ geladenen Anode. Diese werden durch einen Elektrolyten getrennt. Beim Entladen gibt die Anode Elektronen ab, die über den äußeren Stromkreis (Verbraucher) zur Kathode wandern. Positiv geladene Lithium-Ionen fließen dann aus der Anode in den Elektrolyten und durch die Membran, diese strömen dann zur Kathode und werden dort eingelagert.
Beim Laden wird dieser Vorgang umgekehrt betrachtet, es wird eine Spannung von außen angelegt, wodurch an der Anode ein Elektronenüberschuss entsteht. Die Lithium-Ionen wandern jetzt von der Kathode zur Anode und lagern sich in der Anode ein. [13]
2.3 Klimaanlage
Eine Klimaanlage gehört zum Bereich der Luft- und Klimatechnik. Klimaanlagen sind dafür bekannt Räume zu kühlen – sie können jedoch auch heizen. Es gibt unterschiedliche Klimaanlagentypen. In dieser Arbeit wird die Split-Klima (Split da sie aus zwei Teilen besteht) betrachtet. Wobei sie in dieser Arbeit nicht einzeln betrachtet wird, da ihr Verbrauch im Gesamtverbrauch des Hauses inbegriffen ist.
Eine Split Klimaanlage besteht aus einem Innen- und einem Außengerät.
Funktionsweise
Eine Klimaanlage hat zwei Wärmetauscher (Spiralförmig) in denen kontinuierlich Kälte durchgeströmt wird. Die Spirale, die außen, also am Klimagerät liegt, wird Verdampfer genannt. Die innen liegende Spirale wird als Kondensator bezeichnet. Das Grundprinzip ist folgendes: Der Verdampfer muss kälter als die Raumtemperatur sein und der Kondensator wärmer als die Umgebungstemperatur. Das kontinuierlich strömende Fluid im Kreislauf entzieht so die Wärme aus dem Raum und gibt diese über den Kondensator an die Umgebung ab.
Um die Luft zu kühlen, benötigt die Klimaanlage noch einen Kompressor und ein Expansionsventil. Der Kompressor erhöht den Druck des Kältemittels. Somit kommt aus dem Verdampfer die kalte Luft und wird unter hohem Druck erwärmt, sodass das Kältemittel heiß wird. Die Temperatur wird somit weiter erhöht, sodass sie deutlich höher ist als die Umgebungstemperatur. Dies erfolgt, damit die Wärme am Kondensator problemlos an die Umgebung ausgestoßen werden kann, da sie ja ein höheres Energieniveau hat als die Außentemperatur. Durch einen Ventilator am Kondensator erleichtert man die Abgabe der Wärme an diesem.
Nachdem die Wärme abgegeben ist, wird das Kältemittel flüssig. Am Ende des Kondensators wird ein Expansionsventil eingesetzt, das nun den Druck des Kältemittels herausnimmt und es somit verlangsamt und weiter kühlt.
Indem man den Druck in der Umgebung reduziert, kann man eine Flüssigkeit zum Kochen bringen. Dieses Phänomen tritt auch innerhalb des Expansionsventils auf:
Mit Abnehmen des Drucks des Kältemittels wird ein Teil des Kältemittels verdampft. Für diesen Vorgang ist Energie erforderlich, die aus dem Inneren des Kältemittels selbst gewonnen wird. Somit sinkt die Temperatur des Kältemittels unterhalb des Niveaus im zu kühlenden Raum.
Das Kältemittel wird jetzt über eine Spirale, die am Verdampfer liegt, geleitet. Die Raumluft wird sodann mithilfe eines Ventilators um die Spirale geleitet, wodurch die Raumtemperatur sinkt und den Raum kühlt.
Das Kältemittel wird zu Dampf und sodann wieder zum Kompressor geführt.
2.4 Wärmepumpe
Derzeit gibt es auf dem Markt viele Möglichkeiten, um Wärme oder Kälte zu erzeugen, jedoch sind wenige so umweltfreundlich wie die Wärmepumpe. Das Prinzip, das den Bau und Betrieb von Wärmepumpen möglich machte, wurde von dem Franzosen Carnot im Jahr 1824 beschrieben. Die Wärmepumpe wurde aber erstmals im Jahre 1856 vom Österreicher Peter Ritter gebaut und in Saline in Ebensee eingesetzt. Die damals beachtliche Leistung von 14 kW wurde für die Reduzierung des Brennstoffeinsatzes bestimmt. Ab 1860 begann rasch die intensive Forschung und Entwicklung in diesem Bereich, sodass knapp 85 Jahre später im Jahre 1945 in Amerika die erste erdgekoppelte Wärmepumpe in Betrieb ging.
Da durch die Wärmepumpentechnologie nicht nur das Wärmen, sondern auch das Kühlen möglich war, gewann die Wärmepumpe immer mehr an Bedeutung. Derzeit gibt es sehr große Anlagen mit mehreren MW Leistungen. [14]
Die Wärmepumpe ist eine zukunftsorientierte Technologie, mit der sich durch Nutzung der Wärme aus regenerativen Energien, beispielsweise aus Luft, Erde oder Wasser, der Wärmebedarf von Gebäuden decken lässt. Sie liefert Immobilienbesitzern eine interessante Alternative zur Wärmebedarfsdeckung durch bekannte fossile Brennstoffe.
Eine Wärmepumpe transformiert bereits vorhandene Wärme (aus Luft/Erde/Wasser) in einem thermodynamischen Kreislauf auf ein höheres Wärmeniveau. Die meisten Wärmepumpen, die heute verwendet werden, basieren auf der Technik der Kompressionswärmepumpe. Diese verwenden einen elektrisch betriebenen Kältemittelverdichter, wodurch sich die erzeugte Wärme aus ¼ elektrischer Energie und ¾ Energie aus Natur (Luft/Erde/Wasser) zusammensetzt. Sie kann also je nach Bauart aus einer kWh elektrischer Energie 4-6 kWh Wärme erzeugen.
Eine wichtige Kennzahl bei der Wärmepumpe ist der COP-Wert. Dieser beschreibt das Verhältnis der abgegebenen thermischen Leistung einer Wärmepumpe 
zur zugeführten elektrischen Leistung 
:
Der COP-Wert zeigt das Verhältnis der Heizleistung zur elektrischen Leistungsaufnahme unter bestimmten, herstellerspezifischen Bedingungen.
Eine ebenso wichtige Größe ist die Jahresarbeitszahl 
, welche das tatsächliche Verhältnis von abgegebener Wärmemenge 
zu zugeführter elektrischer Energie 
beschreibt:
Je niedriger die Heiztemperatur desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Deshalb eignen sich flächendeckende Heizungssysteme, wie beispielsweise die Fußbodenheizung aufgrund ihrer niedrigen Vorlauftemperaturen ideal in Kombination mit der Wärmepumpe.
“Das BAFA legt folgende COP-Werte für elektrisch betriebene Wärmepumpen für die Förderung fest [15]:
• Luft/Wasser-Wärmepumpen: 3,10 (im Betriebspunkt A2/W35)
• Sole/Wasser-Wärmepumpen: 4,30 (im Betriebspunkt B0/W35)
• Wasser/Wasser-Wärmepumpen: 5,10 (im Betriebspunkt W10/W35)“
Beispiel für den COP-Wert:
A2/W35= 2 °C Lufttemperatur / 35 °C Vorlauftemperatur Raumheizung
Wobei der erste Buchstabe für das Temperaturniveau der Wärmequelle (A für Luft, B für Erdreich und W für Grundwasser) und der zweite für die Vorlauftemperatur der Raumheizung steht.
Funktionsweise:
Hinter der Funktionsweise der Wärmepumpe steht eine einfache physikalische Eigenschaft:
Bei dem Phasenübergang von flüssig zu gasförmig (Verdampfen) wird Energie benötigt, während bei dem Übergang von gasförmig zu flüssig (Kondensieren) Energie freigesetzt wird. Diese freigesetzte Energie wird in der Wärmepumpe als Wärmeenergie verwendet.
Im Rohrleitungssystem der Wärmepumpe wird ein spezielles Kältemittel eingesetzt. Dieses Kältemittel ermöglicht den Prozess der Wärmegewinnung durch seine besondere Eigenschaft: es besitzt meistens einen Siedepunkt von 25 °C – 40 °C unter Atmosphärendruck. Die Differenz zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur unter verschiedenen Druckverhältnissen wird dann zu Heiz- oder Kühlzwecken genutzt.
Dabei spielen die Verdampfung, Verdichtung, Verflüssigung und Entspannung des Kältemittels die Hauptrolle. Aus technischer Sicht spricht man hierbei von einem linkslaufenden Prozess, der Umweltwärme mit niederer Temperatur durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Kompression/Verdichtung) auf ein höheres Niveau hebt. Rechtslaufende Prozesse findet man bei Kraftwerken, in denen Teil der zugeführten Wärmeenergie in mechanische Arbeit bzw. elektrische Energie (Strom) umgewandelt wird.
Die zur Verdichtung des Kältemittels benötigte elektrische Energie hängt sowohl von dem Temperaturniveau der Wärmequelle als auch der Heiztemperatur des Gebäudes ab. Dies wird über die Leistungszahl bzw. durch den Durchschnitt des Jahres als Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe beschrieben.
Verdampfung:
Zuerst erwärmt die Umweltwärme ein Kältemittel in der Wärmepumpe, das schon bei niedrigen Temperaturen verdampft. Das zunächst flüssige Kältemittel verändert hierbei unter niedrigen Druck seinen Aggregatzustand von flüssig in gasförmig. Hierbei ist es wichtig, dass die Umgebungstemperatur der Umwelt höher sein muss als die Siedetemperatur, unter bestimmten Druck, des Kältemittels. Ohne diesen Temperaturunterschied ist die Wärmeübertragung von der Umwelt auf das Kältemittel nicht möglich.
Verdichtung:
Anschließend wird das gasförmige Kältemittel mit einem Kompressor verdichtet, wodurch sich das Kältemittel weiter erwärmt. Dieser Verdichter ist elektrisch angetrieben und pumpt das gasförmige Kältemittel nun auf einen höheren Druck, sodass es immer wärmer wird. Je höher die Temperatur des Kältemittels sein muss, desto mehr Strom verbraucht die Wärmepumpe, denn durch höhere Verdichtung kann eine höhere Temperatur des Kältemittels erzeugt werden. Deshalb ist die Wärmepumpe ab einer gewissen Temperatur unwirtschaftlich, da sie mehr elektrische Energie verbraucht als Wärmeenergie erzeugt wird.
Verflüssigung:
Nachdem das Kältemittel durch den Verdichtungsprozess auf eine höhere Temperatur gehoben wurde, wird in einem Wärmetauscher die Wärme des Kältemittels auf das Medium Wasser übertragen, das die eigentliche Wärme an das zu beheizende Gebäude abgibt. Dieser Wärmetausch erfolgt beispielsweise über Plattenwärmetauscher oder Koaxialwärmetauscher. Die Temperatur im Heizungssystem muss dabei niedriger sein als der Kältemitteldampf.
1. Entspannung:
Als letztes hat das flüssige Kältemittel ein hohes Druckniveau und eine niedrige Temperatur. Damit das Kältemittel wieder seinen ursprünglichen Druck bekommt, läuft es durch ein Expansionsventil oder ein Drosselorgan. Dabei entspannt es sich und hat das gleiche Temperatur- und Druckniveau wie am Anfang des Kreisprozesses. Jetzt kann das Kältemittel - wie in Schritt 1 beschrieben - wieder Wärme durch den Verdampfer aufnehmen und der Prozess beginnt von vorne. [16]
Arte von Wärmepumpen:
Eine Wärmepumpe kann die Energie aus der Umwelt aus verschiedenen Wärmequellen entziehen, weshalb es unterschiedliche Wärmepumpen gibt:
● Sole/Wasser Wärmepumpe
Sole/Wasser Wärmepumpen nutzen die Energie der Erdwärme aus. Hierbei wird durch ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel die Energie aus dem Erdreich genutzt, um Wärme zu erzeugen. Bereits ab einem Meter Tiefe beträgt die Temperatur im Erdreich bereits ganzjährig etwa 10 °C.
● Wasser/Wasser Wärmepumpe
Wasser/Wasser Wärmepumpen entziehen dem Grundwasser die Wärme. Das Grundwasser ist im Vergleich zu anderen Wärmequellen energetisch die beste Wärmequelle, da sie auch im Winter hohe Temperaturen besitzt. Dies führt zu hohen Leistungszahlen und einer konstanten Heizleistung. Hier benötigt man zwei verschiedene Brunnen, den einen, um dem Erdreich das warme Wasser zu entziehen und den zweiten, um das „benutzte“ Wasser wieder dem Grundwasser wieder zuzuführen. Diese Brunnen sind je nach Grundwasserbestand 4-50 m tief und benötigen eine wasserrechtliche Genehmigung. [17]
● Luft/Wasser Wärmepumpe
Die Luft/Wasser Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft die Wärme. Diese Wärme wird dann - wie oben beschrieben - zum Heizen des Kältemittels eingesetzt, welches über den Heizkreislauf dem Gebäude zur Verfügung gestellt wird. Da die Außenluft abhängig von der Temperatur ist, erzeugen Luft/Wasser Wärmepumpen eine niedrige Jahresarbeitszahl, im Vergleich zu Sole/Wasser und Wasser/Wasser Wärmepumpen. Ein Vorteil der Luft/Wasser Wärmepumpe ist, dass sie keine Genehmigung für Bohrungen oder Brunnen benötigt und der Aufwand für diese wesentlich geringer ist als für die anderen Wärmepumpenarten.
● Luft/Luft Wärmepumpe
- Arbeit zitieren
- Semih Ülker (Autor:in), 2021, Autarkie eines Bürogebäudes mit Ladesäule. Maßnahmen zur Entlastung des Stromnetzes in Deutschland, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1175821
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