Die Großwärmepumpe: Funktion, Kosten und Einsatzgebiete im Überblick

Was ist eine Großwärmepumpe?

Eine Großwärmepumpe ist eine große und extrem leistungsstarke Wärmepumpe. Sie dient der Wärmeversorgung großer Gebäude, wie Industriegebäude, oder versorgt über Nah- und Fernwärmenetze ganze Wohnsiedlungen.

Großwärmepumpen nehmen eine Schlüsselrolle bei der Reduktion des Verbrauchs fossiler Energien ein. Sie nutzen neben konventionellen auch brachliegende Wärmequellen wie Abwasser oder industrielle Abwärme und können diese nutzbar machen.

Großwärmepumpen zeichnen sich durch eine hohe Heizleistung aus, die meist zwischen 100 kW und mehreren Megawatt liegt.

Zum Vergleich: 1000 kW entsprechen 1 MW. Die Leistung einer konventionellen Wärmepumpe im Ein- oder Zweifamilienhaus liegt zwischen 7 und 14 kW.

Wo werden Großwärmepumpen eingesetzt?

Grundsätzlich werden Großwärmepumpen überall dort eingesetzt, wo große Mengen Wärme benötigt werden. Besonders relevant sind sie daher für Nah- und Fernwärme, Industrieanlagen oder große Wohnkomplexe.

Zu den Einsatzgebieten einer Großwärmepumpe gehören:

• Nah- und Fernwärmenetze: Großwärmepumpen versorgen Wohnviertel bis ganze Städte mit Wärme, sowohl über lokale als auch über überregionale Netze.
• Industrieanlagen: In der Industrie entstehen große Mengen an Abwärme, die Großwärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau anheben und für verschiedene Prozesse nutzbar machen.
• Großgebäude: Großwärmepumpen werden eingesetzt, um öffentliche Einrichtungen wie Krankenhäuser, Schulen oder Flughäfen zu beheizen.

Wie funktioniert eine Großwärmepumpe?

Eine Großwärmepumpe arbeitet nach demselben Prinzip wie konventionelle Wärmepumpen – nur in größerem Maßstab und mit leistungsfähigeren Komponenten. Vereinfacht gesagt funktionieren alle Wärmepumpen nach dem umgekehrten Kühlschrankprinzip: Der Umgebung wird Wärme entzogen und zum Heizen für das jeweilige System nutzbar gemacht.

Das Funktionsprinzip basiert bei der Großwärmepumpe auf einem geschlossenen Kältemittelkreislauf. Dieser besteht aus vier Hauptkomponenten, welche in einem kontinuierlichen physikalischen Zyklus zusammenarbeiten:

• Verdampfer: Der Verdampfer nimmt die Wärme aus der jeweiligen Wärmequelle auf, wodurch das flüssige Kältemittel verdampft.
• Verdichter: Das gasförmige Kältemittel wird durch einen elektrischen Kompressor verdichtet, wodurch der Druck und die Temperatur stark ansteigen.
• Kondensator: Die Hitze des Kältemittels wird durch einen Wärmetauscher an das jeweilige Heizsystem weitergegeben. Dadurch kühlt das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder.
• Expansionsventil: Das Expansionsventil verringert den Druck auf das Kältemittel, wodurch es weiter abkühlt und vollends verflüssigt. So kann es wieder zurück zum Verdampfer geleitet werden und der Kreislauf beginnt von vorn.

Gut zu wissen: Reversible Großwärmepumpen können nicht nur heizen, sondern auch kühlen. Dabei kehren sie den Heizprozess um, indem sie den Räumen Wärme entziehen und diese an die Umgebung oder ein anderes Medium abgeben.

Sind Großwärmepumpen Hochtemperatur-Wärmepumpen?

Großwärmepumpen können auch Hochtemperatur-Wärmepumpen sein. Das ist aber nicht immer der Fall. Hochtemperatur-Wärmepumpen sind eine spezielle Variante, die besonders hohe Vorlauftemperaturen von über 80–100 °C und mehr bereitstellen können.

Ermöglicht werden die hohen Temperaturen durch einen zweistufigen Kältemittelkreislauf mit zwei Kompressoren, die das Kältemittel noch stärker komprimieren. Hochtemperatur-Großwärmepumpen werden für industrielle Prozesse, die hohe Temperaturen benötigen, oder für Fernwärmenetze eingesetzt.

Welche Arten von Großwärmepumpen gibt es?

Je nach Wärmepumpen-Art gewinnt eine Großwärmepumpe Wärmeenergie aus verschiedenen Quellen. Das können neben den konventionellen Wärmequellen Außenluft, Erdreich und Grundwasser auch Abwasser, Abwärme aus Industrieprozessen oder Oberflächenwasser aus Seen oder Flüssen sein.

• Luft-Wasser-Großwärmepumpe: Erzeugt nutzbare Wärme aus Umgebungs- oder Abluft
• Sole-Wasser-Großwärmepumpe: Bezieht Wärme über Erdsonden oder Erdkollektoren aus dem Erdreich
• Wasser-Wasser-Großwärmepumpe: Saugt Grund-, Oberflächen- oder Abwasser an und macht die enthaltene Wärme nutzbar

Wie viele Großwärmepumpen gibt es in Deutschland?

In Deutschland sind derzeit 60 Großwärmepumpen in Betrieb, die eine Gesamtleistung von 180 MW bereitstellen.

Zum Vergleich: In Dänemark sind bereits 178 Großwärmepumpenanlagen mit über 580 MW Gesamtleistung in Betrieb. Auch in anderen Ländern wie Schweden, Norwegen oder der Schweiz ist der Ausbau von Großwärmepumpen in Wärmenetzen weiter fortgeschritten.

Trotz ihres großen Potenzials für eine nachhaltige Wärmeversorgung kam der Ausbau von Großwärmepumpen in Deutschland zunächst schleppend voran.

Die Gründe dafür sind:

• geeignete Wärmequellen (Flüsse, industrielle Abwärme etc.) stehen nicht flächendeckend zur Verfügung
• komplexe und zeitaufwendige Auflagen, die in der Planung berücksichtigt werden müssen
• hohe Kosten für Anschaffung und Installation, die Kommunen, Stadtwerke und Unternehmen stemmen müssen
• umfangreiche infrastrukturelle Anpassungen, die nötig sind, um die Großwärmepumpe in bestehende Wärmenetze und Gebäudestrukturen einbinden zu können; das führt zu zusätzlichem Planungsaufwand und weiteren Kosten

Aufgrund der kommunalen Wärmeplanung, die Städte je nach Größe bis Mitte 2026 oder 2028 vorlegen müssen, kommt der Ausbau von Großwärmepumpen in Bewegung: Die Gesamtleistung, die Großwärmepumpen in Deutschland bereitstellen, hat sich zwischen 2023 und 2025 von 60 MW auf 180 MW verdreifacht. Hinzu kommt eine Leistung von weiteren 1,5 GW* aus Projekten, die sich aktuell im Bau oder in der Planung befinden.

Was kostet eine Großwärmepumpe?

In der Regel liegen die Investitionskosten einer Großwärmepumpe zwischen mehreren 10.000 und mehreren 100.000 €. Die Kosten für eine Großwärmepumpe hängen stark von der Leistung, der Wärmequelle sowie der Einbindung in ein bestehendes Wärme- oder Fernwärmenetz ab.

Die finalen Kosten setzen sich aus folgenden Komponenten zusammen:

• Investitionskosten: Planung, technische Komponenten und Erschließung der Wärmequelle
• Fördermittel: Staatliche Zuschüsse, wie von der BEW (Bundesförderung für effiziente Wärmenetze), reduzieren die Investitionskosten erheblich

Wie hoch ist die Effizienz einer Großwärmepumpe?

Eine Großwärmepumpe erreicht wie konventionelle Wärmepumpen Wirkungsgrade zwischen 300 und 500 %. Das entspricht einem COP (Coefficient of Performance) von 3–5. Das bedeutet, dass sie 1 kWh Strom in 3–5 kWh Nutzwärme umwandeln kann.

Wie dezentrale Wärmepumpen im Ein- oder Zweifamilienhaus arbeiten auch Großwärmepumpen äußerst effizient. Bei der Nutzung ganzjährig konstanter Wärmequellen wie Abwärme kann der Wirkungsgrad der Großwärmepumpe auch höher sein als der einer konventionellen Wärmepumpe.

Der Effizienzgrad ist maßgeblich von verschiedenen Faktoren abhängig:

• Temperatur der Wärmequelle: Die Nutzung stabiler Wärmequellen wie Abwasser, Flusswasser, Geothermie oder Industrieabwärme ist besonders effizient. Diese Quellen besitzen ganzjährig relativ konstante Temperaturen, wodurch Großwärmepumpen besonders hohe Wirkungsgrade erreichen.
• Vorlauftemperatur: Je geringer die Differenz zwischen Vorlauf- und Zieltemperatur ist, desto weniger muss die Wärmepumpe arbeiten, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
• Kaskadenschaltung: Bei der Kaskadierung werden zwei oder mehr Wärmepumpen zu einem gemeinsamen Heizsystem zusammengeschaltet, sodass nicht eine einzige Wärmepumpe die gesamte Heizlast eines Gebäudes oder Wärmenetzes allein decken muss. So können auch hohe Heizlasten effizient gedeckt werden.

Gut zu wissen: Ab einer Leistung von etwa 2 MW sind alle Großwärmepumpen Sonderanfertigungen, die vom Hersteller entsprechend der speziellen Bedürfnisse des Projekts angefertigt werden. In den kleineren Leistungsklassen werden die Anlagen – wie konventionelle Wärmepumpen auch – in Serie produziert.

Fazit: Großwärmepumpe als Schlüsseltechnologie für die Wärmewende

Großwärmepumpen sind der Schlüssel für die Dekarbonisierung von Städten und Industrie. Sie machen große, ungenutzte Wärmequellen nutzbar – ohne die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Wie konventionelle Wärmepumpen arbeiten sie effizient und klimaschonend.

Die Einbindung von Großwärmepumpen in deutschen Wärmenetzen schreitet trotz hoher Investitionskosten und komplizierter Planungsverfahren voran. Um die weitere Installation von Großwärmepumpen zu fördern, sind der Abbau regulatorischer Hürden sowie der Ausbau von Wärmenetzen wichtige Schritte.

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