Großer Forschungsbedarf bei Wärmepumpen

Die Wärmepumpe wird in absehbarer Zukunft eine herausragende Rolle für die Wärmebereitstellung in Deutschland einnehmen. Die Bundesregierung fördert den Einsatz von Wärmepumpen für die Elektrifizierung der Wärmeversorgung von Gebäuden, Wärmenetzen und Industrie.

Förderfähige Forschungsinhalte bei Wärmepumpen und Kältetechnik

Um den Technologiehochlauf im Gebäudesektor zu beschleunigen und nachhaltig zu gestalten, werden Forschungsprojekte gefördert, die dabei helfen, die Fertigung der Wärmepumpen sowie ihren Betrieb effizienter, umweltverträglicher, kostengünstiger und verlässlicher zu machen. Dies umfasst Forschung und Entwicklung zur Anwendung natürlicher Kältemittel mit geringem Treibhausgaspotenzial und zur Effizienzoptimierung von Komponenten, Kreislauf und Gesamtsystem sowie zur optimierten Betriebsführung. Energetische und akustische Optimierung der Geräte senken die Betriebskosten und verbessern auch die Akzeptanz der Technologie zur Wärmebereitstellung für Wohngebäude.

Forschung und Entwicklung zur Optimierung der Fertigung und Standardisierung von Komponenten und Schnittstellen können ebenfalls zur Kostensenkung beitragen.
Weiterentwicklungen zur Systemauslegung und vereinfachten Installation können weitere Hemmnisse abbauen. Mit dem erwarteten Einsatz von elektrischen Wärmepumpen in einer großen Anzahl von Gebäuden steigen die Rückwirkungen auf das Stromsystem. Daher sollen Konzepte zum netzdienlichen Betrieb von Wärmepumpen und Speichern auf Gebäude- und Quartiersebene weiterentwickelt werden. Betrachtet wird dabei das Verhalten der Anlagen nicht nur als Reaktion auf steuernde Signale der Netzbetreiber, sondern auch hinsichtlich der Systemstabilität.

Nachhaltigkeitsaspekte wie die Verlängerung der Lebensdauer, Reparierbarkeit, Recyclingfähigkeit und das Vermeiden energieintensiver und kritischer Rohstoffe sind aufgrund der großen Stückzahlen im Gebäudebereich von großer Bedeutung.

Großwärmepumpen kommen beim Ausbau der Fernwärmenetze zum Einsatz, um dort die fossilen Energiequellen abzulösen. Entscheidend für die Effizienz neuer Anlagen ist die Auslegung und Einbindung ins Gesamtsystem unter Berücksichtigung der Freiheitsgrade im Wärmenetz. Zusätzliche Forschungsaspekte bestehen unter anderem in der Weiterentwicklung von Großwärmepumpen mit dem Ziel, die Temperaturbereiche anwendungsgerecht auszuweiten, klima- und umweltfreundliche Kältemittel einzusetzen, Fertigungsprozesse zu skalieren und die Lebensdauer zu verlängern. Daneben ist ein flexibler und netzdienlicher Betrieb der Anlagen wichtig, zum Beispiel in Kombination mit Langzeit- und Kurzzeitspeichern zur bedarfsgerechten Wärmeversorgung. Auf diese Weise können Großwärmepumpen für Lastmanagement zur Betriebskostenoptimierung oder als Systemdienstleistung bei gleichzeitig hoher Effizienz und Zuverlässigkeit genutzt werden.

Weitere relevante Wärmepumpen- und Kältetechnik-Forschungsthemen

Industrie-Wärmepumpen dienen der Bereitstellung von Prozesswärme auf niedrigem bis mittlerem Temperaturniveau. Ein Hemmnis für die Verbreitung der Technologie im Industriesektor ist die komplexe Planung, da die Wärmepumpe mit den am Standort vorhandenen Wärmequellen und -senken unterschiedlicher Temperatur und Wärmeleistung sowie gegebenenfalls einem Industrie-Wärmenetz oder Speichern zu verknüpfen und das Gesamtsystem auszulegen ist. Neben der reinen Anlagenentwicklung zur Senkung der Kosten und Erhöhung der Senkentemperaturen, auch über 200 Grad Celsius hinaus, wird für die Etablierung von Industrie-Wärmepumpen in der Breite auch methodische Forschung benötigt, mit der die Auslegung, Planung und Investitionsentscheidung vereinfacht werden kann.

Da der Kältebedarf im Gewerbe dauerhaft hoch sein und in absehbarer Zukunft insbesondere in der Gebäudeklimatisierung weiter zunehmen wird, besteht Forschungsbedarf in der Weiterentwicklung stromgetriebener Kompressions-Kälteanlagen zur Erhöhung der Effizienz und der Nutzung von klimaschonenden Kältemitteln. Insbesondere bei gewerblichen Kälteanlagen werden auch Fortschritte in alternativen Technologien erwartet, etwa bei der Sorptionstechnologie oder der Magnetokalorik.