Verdampfen mit Sonnenkraft

Über 75 Prozent der Wohnungen in Deutschland werden mit Heizöl und Gas beheizt. Laut dem Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft ließen sich 30 Millionen Tonnen CO2 einsparen, wenn veraltete Heiztechniken ausgetauscht würden, durch neue Heizkessel – oder durch Erneuerbare Energien. Dabei nutzen Wärmepumpen die regenerativen Energien aus der Erde, der Sonne oder der Luft. Sie heizen elektrisch, d.h. ohne Verbrennung oder Flamme. Wärmepumpen nehmen bei einem niedrigen Temperaturniveau einen Wärmestrom auf und geben ihn bei einem höheren Temperaturniveau wieder ab.

Johannes Rullof beschäftigt sich seit vier Jahren mit der Funktionsweise von Wärmepumpen und ihrem Optimierungspotenzial. Erst als Student im Masterstudiengang Maschinenbau, jetzt als Promovend am Cologne Institute for Renewable Energy (CIRE), in einem kooperativen Verfahren mit der Universität Luxemburg. Die Funktionsweise eines Wärmepumpenkreislaufs ist eigentlich einfach: Die Wärme aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft geht auf ein Kältemittel über, das die Eigenschaft hat, wenn es Wärme aufnimmt, bereits bei relativ niedrigen Temperaturen zu verdampfen. Das jetzt gasförmige Kältemittel ist aber noch zu kalt, um ein Haus mit Wärme zu versorgen. Um die Temperatur anzuheben, wird es in einem Verdichter komprimiert. Das Gas wird heiß, steht nun unter hohem Druck und kondensiert, die thermische Energie wird an das Heizungssystem abgegeben. Anschließend wird über ein Expansionsventil der Druck des Kältemittels wieder abgesenkt, die Temperatur fällt und das Kältemittel wird wieder flüssig. Dann wird es wieder dem Verdampfer zugeführt: Der Kreislauf schließt sich.

Maschinenbauer Johannes Rullof hat einen Prototyp entwickelt, bei dem der Verdampfer einer Wärmepumpe in ein Photovoltaik-Modul integriert ist, kurz PVT-direkt. (Bild: Costa Belibasakis/TH Köln)

In seiner Promotion hat Johannes Rullof den Prototyp eines photovoltaisch/thermischen Hybrid-Solarmodulkollektors (PVT) entwickelt. Dieser Prototyp vereint einen mikrokanal-basierten Verdampfer einer CO2-Wärmepumpe mit einem Photovoltaik-Modul, an dessen Design Rullof mehrere Monate getüftelt hat. „Das PVT-Modul ist sehr effizient“, erklärt er. „Der Wirkungsgrad der Photovoltaik erhöht sich durch die Wärmeabfuhr am Modul während der Verdampfung. Und die Verdampfungstemperatur des Kältemittels lässt sich durch die Solarstrahlung erhöhen, was zu einer besseren Effizienz der Wärmepumpe führt. Außerdem ist das Hybridmodul platzsparend, vor allem auf kleinen Dachflächen. Die Dachoptik wird so auch homogener.“ Der Installationsaufwand des für die Anlage notwendigen thermischen Absorbers hielte sich dabei in Grenzen, denn „bei neuen Häusern oder Gebäuden, die energetisch saniert werden, sind Photovoltaik-Anlagen mittlerweile eigentlich Standard. Und im Vergleich zu Luftwärmepumpen ist der sogenannte ‚PVT-Konvektionsstrahlungsverdampfer‘ auch schallfrei, da das System keinen Ventilator benötigt.“

Ein CO2-Verdampfer-Modul um den CO2-Ausstoß zu verringern, das klingt für den Laien vielleicht paradox. Aber die chemische Verbindung dient als Kältemittel und wird nicht eigens produziert, sondern als Abfallprodukt zweitverwertet. „Das ist durchaus üblich und bedarf auch keiner großen Mengen von CO2“, so Rullof. Auch in den Klimaanlagen von elektrischen Pkws wird CO2 verwendet. Ab Januar 2019 wird sich Rullof mit diesen Komponenten beschäftigen, dann startet er als Entwicklungsingenieur beim Automobilzulieferer Hanon Systems in Kerpen. Die Prinzipien sind ähnlich, doch die Anwendungsprobleme unterschiedlich. Seine Doktorarbeit wird er dann bis zum Sommer nebenher finalisieren.

Das Forschungsprojekt „PVT-direkt Hybrid-Solarmodulkollektor auf der Basis von CO2-Direktverdampfung in Mikrokanälen“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Programm FHprofUnt gefördert. Beteiligte Wissenschaftler an der TH Köln sind Prof. Dr. Ulf Blieske, Prof. Dr. Klaus J. Lambers, Prof. Dr. Christian Dick, Prof. Dr. Rene Cousin, Prof. Dr. Christopher Humpert, Prof. Dr. Martin Bonnet, Johannes Rullof, M. Eng.. Die Projektpartner sind Aluminium Féron GmbH & Co. KG, Hydro Aluminium Rolled Products GmbH, SAPA Precision Tubing Tonder A/S, und Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Dachziegelwerke Nelskamp GmbH, Universität Luxemburg.