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Autark mit Wärmepumpen und Speichertechnologie
Mit der Energie- und Wärmewende geht ebenfalls die dezentrale Produktion von Strom, Wärme und Kälte einher. Das heißt, immer öfter wird Energie dort produziert, wo sie auch verbraucht wird. Dafür spielen Wärmepumpen und Speicher eine zentrale Rolle. Zum einfacheren Verständnis haben wir diese Infografik entwickelt.
Im Mittelpunkt stehen elektrische und thermische Speicher. Außerdem elektrische und Sorptions-Wärmepumpen. Entweder als Energieumwandler von Ökostrom oder rückgewonnener Wärme hin zu Wärme auf höherem Temperaturniveau und als Zusatznutzen für die Erzeugung von Kälte zur Klimatisierung von Gebäuden. Oder als Übergabestation im Gebäude, um auf ein brauchbares Temperaturniveau anzuheben. Auf diesem Wege lässt sich auf Sicht für die Beheizung und Kühlung sowie zur Brauchwasserbereitung in Häusern, Wohngebieten, Siedlungen, Quartieren oder ganzen Städten weitestgehend Autarkie von fossilen Energien erzielen. Solche Projekte sind bereits real, wie die folgenden Beispiele belegen.
Mit dem Projekt „JenErgieReal“ werden in verschiedenen Quartieren der Stadt Jena neue Lösungen für eine ganzheitliche und nachhaltige Strom- und Wärmeversorgung im urbanen Raum entwickelt. Dafür werden elektrische Großspeichersysteme sowie Photovoltaik- und Solarthermieanlagen strategisch in Jena verteilt und über eine virtuelle Plattform verbunden.
Mit dem Reallabor IW³ werden in dem stark wachsenden Stadtteil Wilhelmsburg in Hamburg Wärme, Strom und sogar Mobilität effizient miteinander gekoppelt. Zentraler Bestandteil ist die regenerative Wärmeversorgung. Neben bereits vorhandenen Erzeugern wie Windkraft oder Solarthermie bildet die Nutzung von Erdwärme eine Basis für die Wärmeversorgung. Mittels zusätzlicher Einbindung von Wärmepumpen, Power-to-Heat-Anlagen, ein saisonaler Speicher sowie der Verwendung selbst erzeugten erneuerbaren Stroms ist perspektivisch eine CO2- neutrale Versorgung möglich.
Das Projekt „SmartQuart“ in Potsdam integriert Power-to-Heat mit Wärmepumpen und thermischen Speichern in einem Quartier. Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen wird genutzt, um Wärmepumpen anzutreiben und Wärme zu erzeugen. Die erzeugte Wärme wird thermisch gespeichert. Sie kann bei Bedarf an die Gebäude im Quartier abgegeben werden.
In Dänemark werden Power-to-Heat Anwendungen schon seit Jahren in großem Umfang genutzt. Ein Beispiel ist „The Sunstore 4“ in Aarhus. Dort werden Solarwärme, ein riesiger thermischer Speicher, eine Wärmepumpe und eine Dampfturbine kombiniert. Wärme, Kälte und Strom können so ganzjährig erzeugt, gespeichert bzw. direkt verwendet werden.
Das in Planung befindliche Leuchtturmprojekt „Im Bilander“ im Schweizer Brugg integriert Power-to-Heat-Anwendungen mit Wärmepumpen und Speichern. Überschüssiger erneuerbarer Strom wird für die Wärmepumpe genutzt. Wärme und Kälte gehen in thermische Speicher und werden bei Bedarf abgerufen.
Im Schweizer Kanton Waadt betreibt die Coop-Gruppe eine Verkaufsstelle mit großer PV-Anlage und einem 7,8 m³ großen Eisspeicher. Tagsüber solar produzierter Überschussstrom wird verwendet, um diesen nachzuladen und in der Nacht Lebensmittel ohne Kälteanlage zu kühlen.
Was sind eigentlich....
Sorptionswärmepumpen? Im Gegensatz zu elektrisch betriebenen Kompressionswärmepumpen verwenden Sorptionswärmepumpen Adsorptions- oder Absorptionsmaterialien, um den Kältemittelkreislauf zu betreiben. Diese nehmen Gase oder Flüssigkeiten auf und setzen sie bei entsprechender Erwärmung oder Verringerung des Drucks wieder frei. Dadurch wird Wärmeenergie aufgenommen und abgegeben, wodurch die Temperatur am gewünschten Ort erhöht oder gesenkt wird. Sorptionswärmepumpen werden mit verschiedenen Materialien wie zum Beispiel Silikagel, Zeolith oder Lithiumbromid betrieben. Sie werden häufig in der Heizungs- und Klimatisierungstechnik eingesetzt, insbesondere wenn eine Abwärmequelle zur Verfügung steht.
Phase Change Materials (PCM)? PCM-Materialien sind Substanzen die Wärmeenergie während eines Phasenübergangs absorbieren oder abgeben. Dieser Phasenübergang findet in der Regel zwischen festem und flüssigem Zustand statt. PCMs können große Mengen Wärmeenergie aufnehmen bzw. abgeben, ohne dabei ihre Temperatur wesentlich zu ändern. Dieser Phasenwechsel ermöglicht es, Wärmeenergie effizient zu speichern und bei Bedarf wieder freizusetzen. Für Abwärme oder Solarenergie eignen sich PCMs besonders und können neben Wärme- auch Kälteenergie speichern. Es gibt verschiedene Arten von PCM-Materialien, darunter Paraffine, Salze, Metalle und organische Verbindungen. Thermische Batterien? Im Gegensatz zu elektrochemischen Batterien speichert eine thermische Batter
Thermische Batterien? Im Gegensatz zu elektrochemischen Batterien speichert eine thermische Batterie Wärmeenergie. Sie besteht typischerweise aus zwei Speichermedien mit unterschiedlichen Wärmekapazitäten, die durch ein Phasenwechselmaterial getrennt sind. Wird der thermischen Batterie über eine elektrische Heizspirale Wärme zugeführt, wechselt das Phasenwechselmaterial seinen Aggregatzustand. Thermische Batterien können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in solarthermischen Kraftwerken, um die Wärmeenergie der Sonne zu speichern. Sie werden auch in Haushalten oder Gewerbebetrieben verwendet, um überschüssige Photovoltaikenergie zu speichern und für Heizungszwecke oder zur Erzeugung von Warmwasser zu verwenden.
Wärmepumpen als Schlüssel der Energiewende
Wärmepumpen sind essenziell für die Sektorkopplung. Wie tragen sie dazu bei, überschüssigen Ökostrom effizient zu nutzen und CO2-Emissionen zu reduzieren?
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