Sogenannte Großwärmepumpen stellen eine entscheidende Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung dar, die weit über das einzelne Gebäude hinausgeht und ganze städtische Quartiere sowie Industrieanlagen klimafreundlich versorgen kann. In der Praxis spricht man von Großwärmepumpen ab einer thermischen Heizleistung von etwa 500 Kilowatt (kW), wobei diese gewaltigen Anlagen im industriellen Maßstab bis zu über 50 Megawatt (MW) an Leistung erbringen können.
Im Gegensatz zu kompakten Haushaltswärmepumpen, die in Einfamilienhäusern arbeiten und Temperaturen von meist bis zu 60 Grad Celsius im Vorlauf erreichen, sind Großwärmepumpen modular aufgebaute Anlagen, die Vorlauftemperaturen von bis zu 130 Grad Celsius und teilweise mehr erzielen. Dies macht sie für die Einspeisung in bestehende Fernwärmenetze und für anspruchsvolle industrielle Prozesse unabdingbar.
Ein wesentlicher Vorteil ihrer Einsatzmöglichkeiten ist der enorme Beitrag zur Sektorenkopplung: Großwärmepumpen wandeln überschüssigen Ökostrom aus Windkraft oder Photovoltaik hochgradig effizient in Wärme um. Diese Wärme kann in Kombination mit gigantischen Fernwärmespeichern zeitlich entkoppelt genutzt werden, was aktiv zur Flexibilisierung und Stabilisierung des Stromnetzes bei einem Überangebot an erneuerbaren Energien beiträgt.
Die Einsatzgebiete von Großwärmepumpen sind vielfältig und erstrecken sich über große Fern- und Nahwärmenetze, ausgedehnte Wohnanlagen, Krankenhäuser, Gewerbe-bauten bis hin zu Industriestandorten, bei denen direkte Prozesswärme oder auch Prozesskälte benötigt wird.
Wo die Energie herkommt: Großwärmepumpen erschließen neue Quellen
Während konventionelle dezentrale Wärmepumpen primär auf Außenluft oder Erdreich angewiesen sind, nutzen Großwärmepumpen Quellen mit enormem Energiepotenzial auf einem niedrigen Temperaturniveau. Im Zuge des derzeitigen Markthochlaufs findet hier ein Wandel statt: Historisch bedingt nutzen viele Bestandsanlagen primär industrielle Abwärme, doch moderne Neuanlagen konzentrieren sich zunehmend auf die Erschließung natürlicher Gewässer wie Flüsse und Seen oder nutzen kommunale Abwasserströme.
Zahlreiche Beispiele aus Deutschland demonstrieren dies eindrucksvoll: In Stuttgart-Münster nutzt das Energieunternehmen EnBW die Abwärme aus dem Kühlwasser eines Restmüllheizkraftwerks, um mit einer 24-MW-Anlage rund 10.000 Wohnungen kontinuierlich und witterungsunabhängig zu versorgen. Durch diesen Einsatz lassen sich jährlich rund 15.000 Tonnen CO2-Emissionen vermeiden. In Mannheim wurde direkt am Rhein eine Großwärmepumpe mit 20 MW Leistung installiert, die das Flusswasser als klimafreundliche Wärmequelle nutzt, um ein sehr großes Fernwärmenetze zu speisen und 3.500 Haushalte zu beheizen. In Herne wiederum erprobt ein Chemiewerk von Evonik in Zusammenarbeit mit Uniper derzeit eine neuartige Hochtemperatur-Wärmepumpe, die 25 bis 30 Grad Celsius warmes industrielles Kühlwasser auf beeindruckende 130 Grad erhitzt. Diese bahnbrechende Anlage zur Versorgung von 1.000 Haushalten ist eine der ersten in Deutschland, die einen solch massiven Temperatursprung von über 100 Grad erfolgreich meistert.
Kosten und Betriebskosten
Trotz all dieser technologischen Errungenschaften stehen Großwärmepumpen in Deutschland vor großen wirtschaftlichen Herausforderungen. **Derzeit können sie ohne staatliche Förderungen oft nicht wirtschaftlich rentabel betrieben werden**. Grund dafür sind vor allem die hohen Betriebskosten, die durch teure Strompreise, Netzentgelte und gesetzliche Umlagen für Endverbraucher stark belastet werden, was ihnen im Vergleich zu fossilem Erdgas Nachteile bringt.
Auch die einmaligen Investitionskosten für den Bau derartiger Anlagen sind eine enorme Hürde und schwanken stark. Eine umfassende Datenanalyse des EWI von 75 Projekten in Deutschland belegt, dass die tatsächlichen Investitionskosten oftmals höher ausfallen als bisherige Kostenschätzungen in der Fachliteratur. Erstaunlicherweise gibt es dabei nur eine geringe Korrelation zwischen der Leistung der jeweiligen Anlage und den resultierenden Investitionskosten. Vielmehr werden die Kosten durch sehr spezifische Projektfaktoren dominiert, wie etwa aufwendige bauliche Anpassungen an bestehende Wärmenetze oder enge Platzverhältnisse, wie sie am Kraftwerksstandort in Stuttgart vorkommen. Auch die Wahl teurer Kernkomponenten, insbesondere der leistungsstarken Verdichter und der umweltfreundlichen Kältemittel, treibt die Projektkosten unvorhergesehen in die Höhe. Zur Veranschaulichung: Für das 20-MW-Projekt in Stuttgart wurden voraussichtliche Investitionen von etwa 17 Millionen Euro kalkuliert, während die kleinere Hochtemperatur-Pilotanlage in Herne einen niedrigen einstelligen Millionenbetrag in Anspruch nahm.
Entwicklung und zukünftige Weiterentwicklung
Trotz dieser Hürden befindet sich der deutsche Markt für Großwärmepumpen am Beginn eines massiven Markthochlaufs. **Die installierte Leistung von etwa 180 bis 200 MW Mitte der 2020er Jahre könnte sich auf Basis bereits angekündigter Vorhaben bis zum Jahr 2030 auf knapp 1.150 MW annähernd versechsfachen**. Ein Blick auf skandinavische Vorreiter zeigt das gigantische Potenzial der Technologie: Allein in das städtische Fernwärmesystem der schwedischen Hauptstadt Stockholm speisen Großwärmepumpenanlagen bereits rund 420 MW Wärme ein.
Wissenschaftliche Untersuchungen von Instituten wie Fraunhofer IEG und Agora Energiewende attestieren der Technologie überragende Potenziale für die weitere Zukunft. Großwärmepumpen könnten bis zum Jahr 2045 rund 70 Prozent der gesamten Fernwärmeversorgung in Deutschland abdecken. Um dieses ambitionierte Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, wäre es jedoch notwendig, die Ausbaugeschwindigkeit enorm zu steigern und durchschnittlich etwa 1 bis 1,5 Gigawatt (GW) an neuer Großwärmepumpenleistung pro Jahr zu installieren, was dem Neubau hunderter Anlagen jährlich entspräche.
Damit dieser Wandel vollzogen werden kann, müssen die Rahmenbedingungen durch die Politik dringend optimiert werden. Wissenschaftler und Betreiber fordern einen verlässlichen Ausbaupfad, der durch eine verbindliche kommunale Wärmeplanung gestützt wird, sowie den dringenden Abbau der beschriebenen finanziellen Nachteile bei den Betriebskosten. Zudem müssen die Produktionskapazitäten der Industrie durch eine weitreichende Standardisierung von Anlagenmodulen ausgeweitet werden. Um diese Integration zu beschleunigen, fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz Großprojekte wie das „Reallabor der Energiewende GWP“, bei dem an fünf verschiedenen Kraftwerksstandorten die effiziente Systemeinbindung erforscht wird. Wenn all diese regulatorischen und technischen Maßnahmen greifen, werden Großwärmepumpen die zentrale Basis bilden, um die Wärmewende erfolgreich, klimaschonend und zukunftssicher umzusetzen.