Großwärmepumpen

Wärmepumpen erschließen Wärme aus der Umwelt oder aus Abwärme, die ohne Anhebung der Temperatur häufig nicht für die Wärmeversorgung genutzt werden kann. Elektrisch angetriebene Wärmepumpen benötigen dafür Strom, setzen vor Ort aber keine Brennstoffe zur Wärmeerzeugung ein. Wie klimafreundlich sie arbeiten, hängt insbesondere von ihrer Effizienz, der Stromerzeugung und möglichen Kältemittelverlusten ab. Strom aus erneuerbaren Energien verbessert ihre Klimabilanz.

Großwärmepumpen arbeiten nach demselben Prinzip wie Wärmepumpen für einzelne Gebäude, stellen aber deutlich höhere Wärmeleistungen bereit. Sie werden häufig ab etwa 100 Kilowatt Heizleistung eingeordnet; eine einheitliche Abgrenzung gibt es nicht. Mehrere Anlagen können zu einem größeren System kombiniert werden.

Eine elektrisch angetriebene Großwärmepumpe nimmt Wärme aus einer Quelle auf, etwa aus Luft, Wasser oder industrieller Abwärme. Im Verdampfer nimmt ein Kältemittel diese Wärme auf und verdampft. Ein Verdichter erhöht Druck und Temperatur des Kältemittels. Anschließend gibt es die Wärme an das Wärmenetz oder einen industriellen Prozess ab und verflüssigt sich dabei. Über ein Expansionsventil wird der Druck wieder abgesenkt; der Kreislauf beginnt erneut. Das Prinzip entspricht dem eines Kühlschranks – bei der Wärmepumpe wird jedoch die abgegebene Wärme genutzt.

Die Effizienz hängt vor allem vom Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmeabgabe sowie von der Anlagen- und Betriebsweise ab. Je kleiner dieser Temperaturhub, desto günstiger sind grundsätzlich die Voraussetzungen. Die Leistungszahl COP beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung an einem bestimmten Betriebspunkt. Die Jahresarbeitszahl beschreibt das entsprechende Verhältnis der Energiemengen über ein Jahr. Für Vergleiche muss dieselbe Bilanzgrenze gelten, insbesondere beim Strombedarf für Pumpen und andere Hilfsaggregate.

Großwärmepumpen liefern Wärme für Nah- und Fernwärmenetze, größere Gebäude und Quartiere sowie für industrielle Prozesse. Sie können Umweltwärme und Abwärme auf die jeweils benötigte Temperatur anheben und vorhandene Wärmeerzeuger ergänzen oder ersetzen. An Kraftwerksstandorten können sie beispielsweise bestehende Infrastruktur zur Gewässerwärmenutzung nutzen. Für industrielle Prozesse stehen auch Hochtemperaturwärmepumpen zur Verfügung; welche Temperaturen erreichbar sind, hängt von Wärmequelle, Kältemittel und Anlagenkonzept ab.

Flüsse, Seen, Grundwasser und Abwasser können erhebliche Wärmemengen für die Versorgung über Wärmenetze bereitstellen. Ihre Eignung hängt unter anderem von Temperatur, verfügbarem Wasserstrom und Entfernung zum Wärmebedarf ab. Grundwasser und Abwasser bieten häufig vergleichsweise günstige und stabile Quelltemperaturen. Flüsse und Seen unterliegen dagegen jahreszeitlichen Schwankungen und können im Winter deutlich abkühlen. Das nutzbare Potenzial ist standortspezifisch zu ermitteln; Gewässerökologie, zulässige Temperaturänderungen und weitere Nutzungen begrenzen den Wärmeentzug. Bei Abwasser ist zudem der störungsfreie Betrieb der Abwasserbehandlung sicherzustellen.

Ja, eine Großwärmepumpe kann neben Wärme auch Kälte bereitstellen, wenn die Anlage entsprechend ausgelegt und eingebunden ist. Sie entzieht beispielsweise einem Gebäude oder einem industriellen Prozess Wärme und gibt diese auf einem höheren Temperaturniveau an ein Wärmenetz oder einen anderen Wärmeabnehmer ab. Werden Kühlung und Wärmeversorgung gleichzeitig benötigt, lässt sich die eingesetzte Energie besonders effizient nutzen. Ob eine Anlage zwischen Heiz- und Kühlbetrieb wechseln oder beides gleichzeitig bereitstellen kann, hängt vom Anlagenkonzept ab.

Entscheidend sind die langfristige Verfügbarkeit und die Temperatur der Wärmequelle, das Lastprofil und die Temperaturen des Wärmenetzes sowie ein geeigneter Standort. Stromnetzanschluss, Flächenbedarf, Schallschutz, Kältemittel- und Sicherheitskonzept sowie erforderliche Zulassungen sollten frühzeitig abgestimmt werden. Für die Wirtschaftlichkeit sind neben Investitionskosten insbesondere Stromkosten, Jahresarbeitszahl und Auslastung maßgeblich. Speicher, weitere Wärmeerzeuger und eine passende Betriebsstrategie können Flexibilität und Versorgungssicherheit verbessern.

Es gibt keine pauschale Genehmigungspflicht allein aufgrund der Bezeichnung „Großwärmepumpe“. Welche Erlaubnisse, Genehmigungen oder Anzeigen erforderlich sind, hängt von Wärmequelle, Standort, Bauwerken, Kältemittel und Einbindung in bestehende Anlagen ab. Häufig müssen mehrere Verfahren nebeneinander oder nacheinander geführt werden. Bei der Entnahme und Wiedereinleitung von Gewässer- oder Grundwasser ist in der Regel eine wasserrechtliche Erlaubnis erforderlich. Bei der Nutzung von gereinigtem Abwasser kann eine Anpassung bestehender wasserrechtlicher Zulassungen nötig sein. Auch geschlossene Systeme ohne Wasserentnahme sind auf wasserrechtliche Anforderungen zu prüfen. Die folgende Übersicht dient als erste Orientierung; sie ersetzt keine Prüfung des Einzelfalls:

Typische Prüfschritte

1. Vorhaben einordnen: Standort, Wärmequelle, Leistung, Kältemittel und mögliche Lagerung festlegen. Frühzeitig mit den zuständigen Bau-, Naturschutz-, Wasser- und eventuell Immissionsschutzbehörden abstimmen.
2. Baurecht prüfen: Für eigenständige Großanlagen, wie z. B. die Einhausung der Großwärmepumpe, ist meist eine Baugenehmigung erforderlich. Zu prüfen sind unter anderem Standortzulässigkeit, Abstände, Statik, Brandschutz und Schallschutz.
3. Immissionsschutz prüfen: Eine eigene Genehmigung nach BImSchG ist oft nicht erforderlich. Sie kann aber etwa bei bestimmten Kältemittelmengen - insbesondere bei Ammoniak ab 3 t - oder bei einer wesentlichen Änderung an einem bereits genehmigten Anlagenstandort nötig sein. Lärm- und Betreiberpflichten gelten auch ohne BImSchG-Genehmigung.
4. Wasserrecht prüfen: Bei Nutzung von Fluss-, See- oder Kläranlagenwasser ist regelmäßig eine gesonderte wasserrechtliche Zulassung erforderlich. Entnahme, Rückleitung, Gewässertemperatur, Mindestwasserführung und Fischschutz sind zu betrachten. Sollte auch ein BImSchg- Verfahren geführt werden, so wird diese Zulassung nicht automatisch durch ein BImSchG-Verfahren ersetzt.
5. Naturschutz früh berücksichtigen: Schutzgebiete, Biotope und geschützte Arten werden meist im Bau-, Wasser- oder Immissionsschutzverfahren mitgeprüft. Die Standortlage der Großwärmepumpe und mögliche Auswirkungen bestimmen, welche Untersuchungen nötig sind.
6. Je nach Vorhaben können weitere Anforderungen hinzukommen, etwa aus Bergrecht, Schifffahrtsrecht, Denkmalschutz oder Betriebssicherheit. Eine immissionsschutzrechtliche Genehmigung kann andere Zulassungen einschließen; wasserrechtliche Erlaubnisse und Bewilligungen bleiben davon grundsätzlich ausgenommen. 

Für den Antrag sind je nach Vorhaben typischerweise technische Beschreibungen und Lagepläne sowie Nachweise zu Schall, Sicherheit, Statik, Gewässerwirkungen und Naturschutz erforderlich. Die Behörden können Genehmigungen mit Auflagen verbinden.

Die BAFA-Handreichung „Großwärmepumpen in der Fernwärme – Handreichung zur Planung und Genehmigung“ erläutert technische und rechtliche Anforderungen, enthält Checklisten und behandelt insbesondere Luft-, Gewässer- und Abwasserwärmepumpen. Die kostenpflichtige VDI 4646 „Anwendung von Großwärmepumpen“ unterstützt die Planung und Bewertung nicht standardisierter Anlagen. Beide Angebote ersetzen keine projektspezifische Fachplanung oder Abstimmung mit den zuständigen Behörden.

Alle Informationen zu Handreichungen finden Sie auch hier.

Das Informationsportal Großwärmepumpen bietet eine Datenbank geplanter und umgesetzter Projekte sowie separate Produkt- und Herstellerdatenbanken. Es wurde von Fraunhofer IEG im Auftrag der LEA LandesEnergieAgentur Hessen entwickelt. Weitere Praxisbeispiele und Informationen zur Einbindung in Wärmenetze bietet das Kompetenzzentrum Kommunale Wärmewende (KWW). Projektangaben und Herstellerdaten sind eine Orientierung, ersetzen aber keine Eignungsprüfung für den eigenen Standort.