TEA-PUMP – Techno-ökonomische Analyse thermo­elektrischer Module als Effizienz- und Leistungs­steigerung für Wärmepumpen im Wohnbau

Ausgangssituation / Motivation

Hocheffiziente, leistbare Energietechnologien sind wesentliche Komponenten zur Umsetzung klimaneutraler Gebäude und Städte. Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie zur Energiewende und sollen bis zum Jahr 2040 25% des Wärmebedarfs nationaler Gebäude abdecken. Vergleichsweise hohe Investitionskosten, geringe Leistungsgrößen und begrenzt vorhandene Aufstellflächen hemmen eine rasche Marktdurchdringung von Wärmepumpen im großvolumigen städtischen Wohnbau. 

Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung der genannten Marktbarrieren ist der Einsatz thermo­elektrischer Module im Kältekreis von Kompressionswärmepumpen. Damit lassen sich, wie Erkenntnisse aus dem Automobilsektor zeigen, die Effizienz der Technologie und/oder deren Heiz- und Kühlleistung substanziell steigern.

Inhalte und Zielsetzungen

TEA-Pump zielt übergeordnet darauf ab, Leistung und Effizienz von Luft-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen in den Leistungsklassen 20kW bis 100kW, wie sie in großen Stückzahlen zur Dekarbonisierung der Wärme- und Kälteversorgung des großvolumigen städtischen Wohnbaus benötigt werden, substanziell zu steigern. 

Konkret soll im Rahmen einer Simulationsstudie sondiert werden, ob und unter welchen Randbedingungen in den Kältekreis kommerziell verfügbarer Kompressionswärmepumpen für großvolumige Wohngebäude integrierte thermo-elektrische Module im Vergleich zu gängigen effizienzsteigernden Maßnahmen aus techno-ökonomischer Sicht wettbewerbsfähig sind.

Die angestrebten quantitativen Zielsetzungen im Vergleich zum Stand-der-Technik Wärmepumpen für das Zielsegment stellen sich wie folgt dar:

• COP-Steigerung im Heiz- und im Kühlbetrieb um mind. +10% bei gleichbleibender Leistung
• Erhöhung der Heiz- und der Kühlleistung um 10% bis 30%
• Amortisationszeit von bis zu max. 10 Jahren

Methodische Vorgehensweise

Das Projekt TEA-Pump untersucht die techno-ökonomische Machbarkeit thermoelektrischer Elemente (TEM) in Wärmepumpen (WP) anhand eines systematischen und iterativen Ansatzes. Die methodische Vorgehensweise gliedert sich in vier Arbeitspakete:

1. WP-Konfigurationen mit TEM: Verschiedene Kältekreiskonfigurationen mit TEM werden definiert und mit bestehenden Effizienzmaßnahmen verglichen. Key Performance Indicators (KPIs) ermöglichen eine quantitative Bewertung.
2. Numerische Modellierung & Simulation: Validierte Komponentenmodelle dienen als Basis für Simulationen und Sensitivitätsanalysen, um Effizienzpotenziale im Vergleich zu herkömmlichen WP zu identifizieren.
3. Techno-ökonomische Analyse: Die wirtschaftliche Machbarkeit der optimierten WP-Konfigurationen wird unter Berücksichtigung technischer, regulatorischer und marktspezifischer Faktoren bewertet.
4. Verwertungsstrategie & Patente: Potenzielle Schutzrechte für innovative WP-Konzepte mit TEM werden geprüft, und eine Strategie für die Weiterentwicklung und experimentelle Validierung wird erarbeitet.

Erwartete Ergebnisse

Das Hauptergebnis ist ein umfassender Überblick von aus technischer und ökonomischer Sicht erfolgversprechenden Wärmepumpen-Kältekreis­konfigurationen mit thermoelektrischen Elementen in verschiedenen Leistungsklassen für diverse Kategorien von großvolumigen urbanen Wohn­gebäuden (Größe, Baustandards, Klimazonen, etc.) unter Berücksichtigung der Voraussetzungen nationaler Wärmepumpenhersteller. Zudem ist die Patentierung vielversprechender Kältekreiskonfigurationen mit thermoelektrischen Elementen geplant.

Die Ergebnisse werden im Falle eines positiven Projektverlaufs in ein anschließendes Projekt der industriellen Forschung überführt und dort auf Prototypen-Ebene im Labor experimentell validiert. TEA-Pump kann aufgrund seines Innovationsgehalts und attraktiven Marktpotenzials zu einer Technologieführerschaft „Made in Austria" führen. 

Das Projekt leistet einen Beitrag zur Umsetzung klimaneutraler Gebäude, Quartiere und Städte, stärkt den Innovationsstandort Österreich und führt mittelfristig zur Schaffung nachhaltiger qualifizierter Arbeitsplätze.

Projektleitung

AIT – Austrian Institute of Technology GmbH

Jerik Catal, MSc
Giefinggasse 2
A-1210 Wien

Tel.: +43 (664) 88 964 974
E-Mail: jerik.catal@ait.ac.at
Web: www.ait.ac.at