Gasmotor-Wärmepumpen im Gebäudebereich

Gasmotor-Wärmepumpen kommen in der Regel in Gebäuden zum Einsatz, die mehr als 50 kW Heiz- oder Kühlleistung benötigen. Einsatz findet die Technologie außerdem im Bereich der Klimatisierung. Bei der Wärmeerzeugung nutzt die Gasmotor-Wärmepumpe gleichzeitig die Prinzipien der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und der Wärmepumpe.

Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen

Das Prinzip der Wärmepumpe ist allgemein bekannt: Ein Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck unter Zufuhr von Energie. Zu diesem Zweck wird zum Beispiel Außenluft über einen Verdampfer gezogen. Die in der Luft gespeicherte Energie bringt das Kältemittel bei niedrigem Druck zum Verdampfen. Im zweiten Schritt strömt das verdampfte Kältemittelgas in den Verdichter, wo mechanisch der Druck und die Temperatur erhöht werden. Im dritten Schritt des Kreislaufs gibt das Kältemittel die Wärme ab und verflüssigt sich wieder. Nach erfolgter Expansion des Kältemittels beginnt der Kreislauf von vorne.

Worin unterscheiden sich konventionelle Wärmepumpen und Gasmotor-Wärmepumpen?

Der große Unterschied zwischen konventionellen Wärmepumpen und der Gasmotor-Wärmepumpe ergibt sich im zweiten Schritt des Kältekreislaufs, im Bereich des Verdichters: Während bei elektrischen Wärmepumpen der mechanische Druck im Kompressor mithilfe eines Elekt­romotors aufgebaut wird, nutzen Gasmotor-Wärmepumpen hierfür einen Gasmotor – daher auch der Name. Daraus ergeben sich drei Prinzipien, die das Konzept der Gasmotor-Wärmepumpe nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich interessant machen:

  1. Die mechanische Energie, die im Verdichter benötigt wird, um den Druck zu erhöhen, stellt ein Gasmotor zur Verfügung, welcher dabei weitestgehend ohne elektrischen Strom auskommt. Selbst Gasmotor-Wärmepumpen mit großen Heiz- und Kühlleistungen benötigen so nur eine geringe elektrische Anschlussleistung. Die kleinste "ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpe von Panasonic kommt bereits mit einer elektrischen Leistung von 700 Watt aus – und das bei einer Nennheizleistung von 50 kW und einer Nennkühlleistung von 45 kW.

Quelle: Panasonic
Die "ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpen des Herstellers Panasonic bieten aufgrund der verschiedenen Baugrößen und Bauarten vielfältige Einsatzmöglichkeiten.

  1. Die Abwärme des Gasmotors wird nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung genutzt. Die Gasmotor-Wärmepumpe kann daher bei gleicher Last wesentlich schneller die gewünschten Raumtemperaturen erreichen als eine elektrisch betriebene Wärmepumpe.
  2. Mit den hohen Temperaturen der Motorabwärme können die Gasmotor-Wärmepumpen darüber hinaus über einen Warmwasser-Wärmeübertrager schnell sehr hohe Temperaturen zur Verfügung stellen. Damit empfehlen sich solche Geräte zum Beispiel für Installationen, bei denen sehr heißes oder kurzfristig sehr viel warmes Wasser benötigt wird. So ergeben sich Einsatzmöglichkeiten in der Industrie genauso wie in Hotels oder Krankenhäusern. Die "ECO G"-Wärmepumpen nutzen weiter nicht nur die Abwärme des Motors selbst, sondern können zudem auch die Hitze der Abgase für das System nutzen und so Warmwassertemperaturen von bis zu 75 °C zur Verfügung stellen. Ein solch immenser Temperaturhub ist für elektrische Wärmepumpen auf effiziente Weise praktisch nicht zu schaffen.

Schema des Aufbaus der
Quelle: Panasonic
Aufbau der "ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpen.

Schema des Funktionsprinzips der Gasmotor-Wärmepumpen.
Quelle: ASUE
Gasmotor-Wärmepumpen: Funktionsprinzip.

Entwicklung der Gasmotor-Wärmepumpe

Ursprünglich handelt es sich bei der Gasmotor-Wärmepumpe um eine deutsche Entwicklung: Im Jahr 1981 kam hier erstmals eine Gasmotor-Wärmepumpe mit einem Zweitakt-Erdgasmotor zum Einsatz. Weiterentwickelt wurde die Technologie in den letzten 30 Jahren aber vornehmlich in Japan von großen Technologie-Unternehmen wie beispielsweise Sanyo.

In Japan seien mittlerweile über 600.000 Gasmotor-Wärmepumpen in Betrieb. Nachdem Sanyo 2011 von Panasonic übernommen wurde, gliederte Panasonic die Gas­motor-Wärmepumpen-Technik unter der Produkt-Bezeichnung "ECO G" in das VRF-Produktportfolio ein (VRF = variable refrigerant flow; variabler Kälte­mitteldurchfluss). Seit der Übernahme entwickelt Panasonic, mittlerweile einer der weltweit größten Hersteller von Klimatechnik, die Gasmotor-Wärmepumpe konsequent weiter. Als einer der wenigen Hersteller auf dem Markt kann Panasonic nicht nur die Geräte selbst anbieten, sondern ein komplettes System mit Innengeräten zur Raumklimatisierung, optimierten Wasser-Wärmeübertragern zur Kalt- und Warmwasserbereitung sowie entsprechender Regeltechnik.

Einsatzgebiete und -grenzen von Gasmotor-Wärmepumpen

Deutlich zu unterscheiden sind Gasmotor-Wärmepumpen von den anderen Geräten, die häufig unter dem Begriff "Gas-Wärmepumpen" zusammengefasst werden, wie Absorptions- und Adsorptionswärmepumpen. Bei diesen Geräten wird – vereinfacht ausgedrückt – die Energie einer Gasflamme direkt genutzt, um einen chemischen bzw. physi­kalischen Prozess anzustoßen, um so Wärme zu erzeugen. Die Gasmotor-Wärmepumpe nutzt dagegen einen Gasmotor, um den Kompressor mechanisch anzutreiben.

Nach Angaben des Herstellers Panasonic kann die Anschaffung eines Gasmotor-Wärmepumpen-Systems in der Regel ab einer Heiz-/Kühlleistung von mehr als 50 kW technisch und wirtschaftlich Sinn machen. Insbesondere wenn Gas-Heizkessel in dieser Größenordnung im Bestand ersetzt werden sollen, sei die Gasmotor-Wärmepumpe eine ideale Lösung und ermögliche Einsparpotentiale von über 40 Prozent.

Gerade Hotelbetreiber sind immer auf der Suche nach spektakulären Standorten, um ihre Angebote noch attraktiver zu gestalten – beispielsweise Hotels in den Alpen oder in anderen abgelegenen Gebieten. Nicht immer verfügen diese Standorte jedoch über die ideale Infrastruktur, sprich: Stromversorgung, um ein 130-Zimmer-Hotel komfortabel zu klimatisieren. Hier kommen Gasmotor-Wärmepumpen bevorzugt zum Einsatz:

Im genannten Beispiel sorgen neun "ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpen mit einer Leistung von jeweils 56 kW für eine effiziente Klimatisierung des Gebäudes. Der elektrische Leistungsbedarf beträgt dabei für die gesamte Klimatisierungstechnik knapp unter 10 kW – rein elektrisch betriebene Klimaanlagen würden bei einer Leistung von 9 x 56 kW = 504 kW eine elektrische Leistung von etwa 168 kW benötigen. Das heißt, der geringe Strombedarf der Gasmotor-Wärmepumpen entlastet das Netz stark.

Hierbei gilt es allerdings zu bedenken, dass die Gasmotor-Wärmepumpen der meisten Hersteller nur mit Erdgas betrieben werden können und deshalb auf einen Erdgasanschluss angewiesen sind. Panasonic bietet im Rahmen seiner "ECO G"-Serie aber Wärmepumpen an, die auch netzunabhängig mit Flüssiggas betrieben werden können. Damit macht Panasonic Insellösungen – also größere Anlagen an Standorten mit minimaler ­Infrastruktur – möglich.

Anwendung findet das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung plus Wärmepumpe somit auch in Ballungsräumen, in denen trotz guter Infrastruktur die Belast­barkeit der Strom­netze kritische Grenzen erreicht. Gasmotor-Wärmepumpen können hier dazu beitragen, auch größere Gebäude zu klimatisieren, ohne das Stromnetz zu überlasten.

Ein weiteres Beispiel in diesem Zusammenhang: Gewerbegebäude in Ballungszentren sind in den meisten Fällen auch mit "leistungshungrigen" EDV-Systemen ausgestattet. Große Server benötigen nicht nur Strom, sondern müssen auch zuverlässig gekühlt werden. Um die Kühlung mit rein elektrisch basierten Kühlsystemen wirklich sicherzustellen, müssten die Projektplaner aufwendige Backup-Systeme zur Überbrückung von Stromausfällen ein­planen, um elektrische Kühlsysteme im Bedarfsfall in Betrieb zu halten. Die "ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpen sind aus dieser Perspektive weit weniger anspruchsvoll.

Wirtschaftlichkeit der Gasmotor-Wärmepumpe

Die Entscheidung für eine bestimmte Heiz- bzw. Klimatechnik steht und fällt mit der Effizienz im Betrieb und den Kosten für die Antriebsenergie. Im Vergleich zu Gas-Heizkesseln kommt der Gasmotor-Wärmepumpe zugute, dass sie nicht nur das Gas zur Wärmeerzeugung heranzieht, sondern indirekt auch die in der Außenluft gespeicherte Sonnenenergie nutzt. Dabei kann die Gasmotor-Wärmepumpe Leistungszahlen (COP) von bis zu 1,97 (max. COP inkl. Warmwasserbereitung der Panasonic-"ECO G"-2-Leiter-Gasmotor-Wärmepumpe) erreichen. Das heißt, das Gerät ist in der Lage, die gewonnene Wärme in Relation zum Primärenergieeinsatz fast zu verdoppeln. So kann die Gasmotor-Wärmepumpe im Vergleich zum Gas-Heizkessel den Energieeinsatz – also den Verbrauch an Gas – nahezu halbieren. In der Praxis zeigt sich laut Hersteller, dass sich der Gasverbrauch durch den Einsatz einer Gasmotor-Wärmepumpe im Vergleich zu einem Gaskessel um 30 bis 40 Prozent reduzieren lässt. Dabei ist die Gasmotor-Wärmepumpe aufgrund der Kühlfunktion zudem noch wesentlich vielfältiger einsetzbar.

Des Weiteren kommt es im Gasnetz, anders als bei der Stromerzeugung und dem Stromtransport, kaum zu Umwandlungs- und Energieverlusten. So gesehen arbeiten Gasmotor-Wärmepumpen primärenergetisch betrachtet effizienter als rein strombasierte Systeme. Die Panasonic-"ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpen verfügen zudem über einen Direktverdampfer mit integriertem Warmwasserregister. Aufgrund der Nutzung der Motorabwärme kommen die Geräte nach Herstellerangaben so ohne Abtauung aus: Auf diese Weise kann die Heizleistung auch bis zu einer Außentemperatur von -20 °C ohne Unterbrechung zu 100 Prozent bereitgestellt werden.

Schematische Ansicht des Direktverdampfers und des Warmwasserregisters der
Quelle: Panasonic
Die Panasonic-"ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpen verfügen über einen Direktverdampfer mit integriertem Warmwasserregister: Aufgrund der Nutzung der Motorabwärme kommen die Geräte nach Herstellerangaben so ohne Abtauung aus.

Auch im Bereich der Leistungssteuerung bzw. -anpassung stehen die Gasmotor-Wärmepumpen ihren elektrisch betriebenen "Verwandten" in nichts nach. Der Gasmotor steuert die Motordrehzahl in Abhängigkeit von der Gebäude-Heiz- oder -Kühllast mit einer Präzision, die mit der eines invertergeregelten Verdichters vergleichbar ist. Im Vergleich arbeiten die Gasmotor-Wärmepumpen aber deutlich wirtschaftlicher, wenn es darum geht, höhere Warmwassertemperaturen zur Verfügung zu stellen. Im Kühlbetrieb kann die Motorabwärme für die Warmwasserbereitung genutzt werden, wobei eine Heizleistung von bis zu 30 kW bei einer Wassertemperatur von 75 °C bereitgestellt werden kann. Die Warmwasserbereitung steht bei Außentemperaturen von über 7 °C auch im Heizbetrieb zur Verfügung. Da die Geräte die Abwärme des Motors nutzen, können auch höhere Warmwassertemperaturen ohne Effizienzeinbußen zur Verfügung gestellt werden, während die elektrisch betriebenen Wärmepumpen mit steigender Temperaturspreizung an Effizienz verlieren.

Das Diagramm zeigt, dass die Gasmotor-Wärmepumpe bei gleicher Last wesentlich schneller die gewünschten Raumtemperaturen erreichen kann als eine elektrisch betriebene Wärmepumpe.
Quelle: Panasonic
Die Gasmotor-Wärmepumpe kann bei gleicher Last wesentlich schneller die gewünschten Raumtemperaturen erreichen als eine elektrisch betriebene Wärmepumpe.

Förderung von Gasmotor-Wärmepumpen

Gefördert werden Gasmotor-Wärmepumpen von den gleichen Stellen wie elektrisch betriebene Geräte: Im MAP weicht der Effizienznachweis allerdings leicht vom bewährten Verfahren für elektrische Wärmepumpen ab und es müssen separate Berechnungen vorgelegt werden. Auch das BAFA fördert die Gasmotor-Wärmepumpe zur Raumbeheizung, Warmwasserbereitung und zur Bereitstellung von Prozesswärme über das Programm zur Förderung von effizienten Wärmepumpen mit bis zu 100 Euro pro Kilowatt installierter Nennwärmeleistung (mindestens jedoch 4.500 Euro pro Anlage).

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Betrieb und Wartung von Gasmotor-Wärmepumpen

Deutlich im Vorteil sind Gasmotor-Wärmepumpen bei den Betriebs- bzw. Brennstoffkosten: Denn eine Kilowattstunde Gas kostet 2016 im Schnitt 6,18 Cent – Haushaltsstrom aufgrund von Steuern und EEG-Umlage mittlerweile um die 29 Cent/kWh. Hier profitieren Gasmotor-Wärmepumpen auch von der teilweisen Steuerentlastung für die gekoppelte Erzeugung von Kraft und Wärme (EnergieStG §53b) und werden ähnlich behandelt wie konventionelle Erdgasheizungen, wenn mindestens 60 Prozent des Gases in Heizwärme umgewandelt werden. Dann gilt der verminderte Steuersatz für Erdgas, das ausschließlich zur Erzeugung von Heizwärme genutzt wird. Das sind momentan 5,5 €/MWh anstatt 13,9 €/MWh. Da dieser verminderte Steuersatz vom Erdgaslieferanten bereits so einkalkuliert wurde, bedeutet das in der Praxis, dass keine Energiesteuern nachgezahlt werden müssen. Erhöht sich der Nutzungsgrad für die Heizwärmeerzeugung auf mindestens 70 Prozent, kann sogar eine Steuerentlastung von 4,42 €/MWh gewährt werden, die sich der Betreiber dann im Rahmen der Steuererklärung zurückholen kann. Beide Steuervergünstigungen sind an den Nutzungsgrad des Gases zur Erzeugung von Heizwärme gebunden. Der Gasverbrauch für den Kühlbetrieb reduziert entsprechend den Nutzungsgrad.

Über viele Jahre waren oft die hohen Wartungskosten das "K.O.-Kriterium" für den Einsatz einer Gasmotor-Wärmepumpe. Denn um Störungen zu vermeiden und den einwandfreien Betrieb sicher­zustellen, sollten die Geräte regelmäßig gewartet werden. Der Aufwand für die Wartung betraf zum größten Teil den Gasmotor. Aber aufgrund der stetigen Weiterentwicklung der Motorentechnik und verbesserter Steuerungskonzepte konnte man beispielsweise beim Hersteller Panasonic das Wartungsintervall immer großzügiger gestalten. Mittlerweile muss die Gasmotor-Wärmepumpe erst nach 10.000 Betriebsstunden gewartet werden. Auf ein zeitliches Wartungsintervall hochgerechnet, ergeben sich bei Betriebsbedingungen von durchschnittlich jährlich 1.600 Stunden Heizbetrieb und 600 Stunden Kühlbetrieb insgesamt 2.200 Betriebsstunden pro Jahr. Eine Wartung wäre folglich erst nach 4,6 Jahren notwendig. Dann wird das gesamte Motorsystem gewartet, das Motoröl gewechselt, die Kältemittelmenge gemessen und auch das Sicherheitssystem überprüft. Um Investoren und Betreibern hierbei Sicherheit zu geben, bietet Panasonic Wartungsverträge für die hauseigenen "ECO G"-Gasmotor-Wärmepumpen. Fachpartnern werden zu diesem Zweck aber auch Software-Lösungen zur Verfügung gestellt, wie der "GHP-Checker", eine Diagnose-Software für Inbetriebnahme, Wartung und Systemüberwachung.

Ansicht des kostenlosen
Quelle: Panasonic
Bei der Planung von Systemen mit Gasmotor-Wärmepumpen unterstützen die Hersteller ihre Kunden mittlerweile mit ausgereifter Planungssoftware: Panasonic bietet zu diesem Zweck den kostenlosen "VRF-Designer" an.

Diverse Anlagenkonstellationen mit Gasmotor-Wärmepumpen möglich

Mit der Gasmotor-Wärmepumpe lassen sich die verschiedensten Anlagenkonstellationen realisieren: Die "ECO G"-Geräte werden beispielsweise im Bereich der VRF-Systeme geführt und in den meisten Fällen in einem typischen Direktverdampfer-VRF-System betrieben, um Bürogebäude, Hotels oder Supermärkte zu klimatisieren und mit Warmwasser zu versorgen. Dabei entstehen Systeme, die den Wärme- und Kältebedarf innerhalb eines Gebäudes optimal aufeinander abstimmen und so erhebliche Einsparpotentiale nutzen können.

2- und 3-Leiter- VRF-Klimasysteme:

Je nach Ausführung der Gasmotor-Wärmepumpe lassen sich mit den Geräten 2-Leiter-VRF-Systeme, die entweder kühlen oder heizen können, oder auch 3-Leiter-Systeme, die gleichzeitig Heiz- und Kühlleistung zur Verfügung stellen können, realisieren. Insbesondere bei 3-Leiter-Systemen, bei denen in allen Systemzonen Wärmerückgewinnungsboxen einen gleichzeitigen Heiz- und Kühlbetrieb ermöglichen, sollten die Geräte optimal aufeinander abgestimmt sein und miteinander kommunizieren.

Anbindung an wassergeführte Heizsysteme:

Natürlich können Gasmotor-Wärmepumpen auch als Wärmeerzeuger für wassergeführte Heizsysteme genutzt werden. Verschiedenste Szenarien sind möglich. Im Bestand können die Geräte Gas-Heizkessel ersetzen. Bei einer solchen An­lagenkonstellation wird die Gasmotor-Wärmepumpe über einen speziellen Warmwasser-Wärmeübertrager in das Heizsystem eingebunden.

Hybridanlagen:

Auch Mischsysteme sind möglich. Dabei wird die Gasmotor-Wärmepumpe als VRF-Gerät betrieben, um im Direktverdampfer-Prinzip über passende Innengeräte das Gebäude zu klimatisieren. Gleichzeitig kann die Gasmotor-Wärmepumpe über einen Warmwasser-Wärmeübertrager die Warmwasserheizung bedienen.

Kaltwassererzeugung:

Zudem können Gasmotor-Wärmepumpen auch zur Kaltwassererzeugung genutzt werden, um zum Beispiel Serverräume oder Produktionsprozesse zu kühlen. Auch hier erfolgt die Einbindung über ­einen passenden Wärmeübertrager. Natürlich ist es dann auch möglich, bei Bedarf die entstandene Abwärme zu nutzen.

Montag, 21.11.2016