Umweltwärme
Definition des Technologiefeldes
Als Umweltwärme wird Wärme bzw. Kälte bezeichnet, die frei zur Verfügung steht und durch direkte Nutzung oder mittels Wärmetransformation zur Versorgung von Gebäuden oder industriellen Prozessen nutzbar gemacht wird. Neben den natürlichen Wärmequellen Erdreich, Gewässer und Luft wird auch die Abwärme aus Abwasser oder industriellen Prozessen als Umweltwärme bezeichnet. Je nach Medium werden teilweise unterschiedliche Techniken genutzt, um die Wärmequellen zu erschließen. Im Falle der Luft kommen v. a. Wärmepumpen und Rückkühlwerke zum Einsatz. Bei der oberflächennahen Geothermie arbeitet man im Wesentlichen mit Erdsonden, Erdkollektoren, sowie Saug- und Schluckbrunnen. Die Nutzung von Wärme aus stehenden oder fließenden Gewässern erfolgt mittels Wärmeübertrager.
Wärmepumpen sind eine seit vielen Jahrzehnten bekannte Technologie zur Wärmeversorgung, bei der in einem thermodynamischen Kreislaufprozess Umgebungswärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf typischerweise 30 bis 70 °C (bei Raumwärme), 65 °C (Trinkwasser) oder >90 °C (Prozesswärme) gehoben wird. Als Umweltquellen werden vor allem das Erdreich (Sole/Wasser-Wärmepumpen) und die Außenluft (Luft/Wasser-Wärmepumpen) verwendet. Technologisch werden bei elektrisch oder motorisch angetriebenen Wärmepumpen im kleinen Leistungsbereich in der Regel Scroll-Verdichter sowie regelbare elektronische Expansionsventile verwendet. Bei größeren Wärmepumpen werden auch Hubkolbenverdichter und Turboverdichter eingesetzt. Es gibt unterschiedliche Kältemittel, von denen manche (auf fluorierten Kohlenwasserstoffen basierende) den Nachteil eines hohen Global Warming Potentials (GWP) haben. Bei thermisch oder direkt brennstoffbefeuerten Wärmepumpen kommen üblicherweise Sorptionsprozesse zum Einsatz, ähnlich den Prozessen zur thermischen Kälteerzeugung. Unterschieden wird hier zwischen Feststoffsorption (Adsorption) und Flüssigsorption (Absorption).
Kälteerzeugung lässt sich grundsätzlich durch ihre Anwendung und das Temperaturniveau in zwei Kategorien unterteilen: Klimakälte und Prozesskälte. Während Prozesskälte in der Industrie zur Produktion oder Konservierung verderblicher Waren eingesetzt wird, dient Klimakälte fast ausschließlich der Erhöhung des menschlichen Komforts in einem Gebäude. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Bereitstellung von Kälte für IT- und Kommunikationsinfrastrukturen. Die Kälteerzeugung lässt sich nach der aufgewendeten Energie unterteilen in elektrische Kälteerzeuger und thermische Kälteerzeuger. Bei der thermischen Kälteerzeugung wird Wärme genutzt, um Kälte zu erzeugen. Bei der elektrischen Kälteerzeugung mittels Kompressionskältemaschinen wird ein dampfförmiges Kältemittel vom Verdichter komprimiert, anschließend unter Wärmeabgabe im Kondensator abgekühlt und verflüssigt. Nach dem Durchströmen eines Expansionsventils gelangt das Kältemittel in den Verdampfer, wo es unter Wärmeaufnahme (Kälteerzeugung) verdampft. Die thermische Kälteerzeugung erfolgt mit Ab- und Adsorptionskältemaschinen. Sie beruhen auf dem Effekt der Siedetemperaturerhöhung eines Kältemittels durch einen Sorbenten. Kältemittel wird aus dem Verdampfer kommend sorbiert und dann unter Wärmezufuhr auf einem höheren Druckniveau wieder desorbiert. Der desorbierte Sorbent kann anschließend wieder zur Kälteerzeugung genutzt werden.
Aktueller Stand der Technologie
Die Grundtechnologien sind zum größten Teil seit vielen Jahren bekannt und im Markt eingeführt. Bei allen oben angeführten Technologien findet man jedoch eine große Bandbreite des Entwicklungstands. Die Erschließung von Umweltwärme durch Erdsonden oder durch Außenlufteinheiten ist Stand der Technik, auch kalte Fernwärme ist bereits in kommerziellen Vorhaben umgesetzt worden. Entwicklungsschwerpunkt ist daher die Verbesserung der techno-ökonomischen Performance. Einige Weiterentwicklungen, die z. B. mit veränderten Druckbedingungen durch den Einsatz neuer Wärmeträgermedien oder Kältemittel (mit günstigeren GWP-Werten) verbunden sind, erfordern die Erprobung und den Einsatz neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren. Im Bereich der Kompressionswärmepumpen (TRL 5-9) werden neue Komponenten entwickelt, die mit höheren Temperaturniveaus und damit häufig einhergehend höheren Druckniveaus arbeiten können. Thermisch angetriebene Wärmepumpen sind technologisch nicht so weit entwickelt wie die Kompressionswärmepumpen. Im Bereich der Sorptionstechnologie wird unter anderem noch an der Entwicklung neuer Stoffpaare, neuer Komponenten (z. B. Wärmeübertrager) und neuer Systemkonzepte wie mehrstufigen Anlagen gearbeitet. Systeme zum Heizen und Kühlen mit Umweltenergie sind schon heute in vielen, insbesondere in kleinen Wohngebäuden und Gebäuden mit Büronutzung konkurrenzfähig gegenüber fossilen Heiz-, Kühl- und Lüftungstechniken. Die Herausforderungen liegen in größeren Wohngebäuden aufgrund der Anforderungen an die Trinkwasserhygiene sowie in der Sicherung der Installationsqualität.
