Pioniere, Technik, Meilensteine: Die Geschichte der Wärmepumpe

Die Geschichte der Wärmepumpe reicht in der Schweiz bereits bis ins Jahr 1877 zurück, als die erste Anlage in der Saline Bex in Betrieb genommen wurde. Tatsächlich wurden die Grundlagen jedoch noch früher gelegt – schon 1852 bewies William Thomson, bekannt als Lord Kelvin, dass Kältemaschinen auch effizient zum Heizen genutzt werden können. Diese frühe Erkenntnis legte den Grundstein für eine Technologie, die heute aus der modernen Heiztechnik nicht mehr wegzudenken ist.

Ein besonders bemerkenswerter Meilenstein in der Entwicklung war die Installation einer Wärmepumpe im Rathaus Zürich, die mit einer nominalen Wärmeleistung von 100 kW arbeitete und den Fluss Limmat mit seiner durchschnittlichen Temperatur von 7°C während der Heizperiode als ideale Wärmequelle nutzte. Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist dabei beeindruckend effizient: Mit einer typischen Leistungszahl (COP) zwischen 4 und 5 kann sie das Vier- bis Fünffache der eingesetzten elektrischen Energie als Wärmeenergie bereitstellen. Zwischen 1937 und 1955 wurden in der Schweiz etwa 60 Wärmepumpen gebaut und in Betrieb genommen, die hauptsächlich Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abwärme als Wärmequellen nutzten.

In diesem Artikel betrachten wir die faszinierende Entwicklung der Wärmepumpentechnologie von ihren theoretischen Anfängen bis zu ihrer heutigen Bedeutung. Wir untersuchen die wichtigsten Pioniere, technischen Durchbrüche und Meilensteine, die dazu beigetragen haben, dass der Marktanteil für Wärmepumpen bei Einfamilienhaus-Neubauten in der Schweiz nach 1998 auf über 75% angestiegen ist.

Frühe Grundlagen der Wärmepumpentechnik (1755–1850)

Die Anfänge der modernen Wärmepumpentechnologie finden sich bereits im 18. Jahrhundert, als Wissenschaftler begannen, die grundlegenden physikalischen Prinzipien der Wärmebewegung zu erforschen. Diese frühe Forschung legte den Grundstein für eine Technologie, die heute eine Schlüsselrolle in der klimafreundlichen Heizungstechnik spielt.

William Cullen und die erste Kälteerzeugung durch Verdampfung

Im Jahr 1755 führte der schottische Arzt und Chemiker William Cullen ein bahnbrechendes Experiment durch, das als Geburtsstunde der Kältetechnik gilt. Cullen zeigte, dass durch gezielte Verdampfungsprozesse künstlich Kälte erzeugt werden kann. Bei seinem Versuch brachte er Diethyläther durch Unterdruck zum Verdampfen. Dieser Prozess entzog der Umgebung des Reaktionsgefässes Wärme, wodurch geringe Mengen Eis entstanden.

Tatsächlich gelang es Cullen, durch die Evakuierung eines teilweise mit Wasser gefüllten Gefässes Eis zu erzeugen. Seine Experimente demonstrierten erstmals die Kühlwirkung verdunstender Flüssigkeiten. Diese erstmalige Nutzung thermodynamischer Prozesse zur “Kälteerzeugung” wird in der Fachliteratur häufig als das Geburtsjahr der Kältetechnik bezeichnet.

Cullens Entdeckung bildete die wissenschaftliche Grundlage für alle späteren Entwicklungen in der Kälte- und Wärmepumpentechnik. Allerdings dauerte es noch mehrere Jahrzehnte, bis diese Erkenntnisse in praktische Anwendungen umgesetzt werden konnten.

Jacob Perkins’ Kompressionskältemaschine von 1834

Einen entscheidenden Fortschritt in der Entwicklung der Wärmepumpentechnologie brachte der US-amerikanische Ingenieur und Erfinder Jacob Perkins (1766-1849). Perkins, der 1819 nach England ausgewandert war, baute 1834 die erste funktionsfähige Kompressionskältemaschine. Diese Maschine verwendete Äther als Kältemittel und wurde am 14. August 1835 unter dem Namen “Äthereismaschine” patentiert.

Seine Erfindung, patentiert als “Apparatus for Producing Cold and Cooling Fluids”, markierte einen bedeutenden Meilenstein in der Geschichte der Kälteerzeugung. Obwohl Perkins’ Maschine primär für industrielle Zwecke und nicht für die Gebäudekühlung konzipiert war, enthielt sie bereits alle wesentlichen Komponenten einer modernen Wärmepumpe.

Das von Perkins verwendete Kältemittel Äther hatte jedoch einen gravierenden Nachteil: In Verbindung mit Luftsauerstoff bildete es hochexplosive Peroxide. Daher neigten die Äthereismaschinen manchmal zu gefährlichen Explosionen. Trotz dieses Problems gilt das Jahr 1834 als Geburtsjahr der modernen Kompressionsdampfkältemaschine.

Lord Kelvins Heizmaschinen-Theorie von 1852

Der entscheidende theoretische Durchbruch kam schliesslich im Jahr 1852 durch William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin (1824-1907). Der britische Physiker und Mathematiker veröffentlichte in diesem Jahr seine wegweisende Abhandlung “Heating Machine”. Darin beschrieb er die theoretischen Grundlagen für die Funktionsweise der Wärmepumpe und stellte als Erster fest, dass Wärme durch Energiezufuhr vom kalten in den warmen Bereich fliessen kann.

Thomsons zentrale Erkenntnis war, dass auf Kompression basierende Kältemaschinen nicht nur zur Kühlung, sondern auch zum Heizen genutzt werden können – und das mit einem geringeren Energieverbrauch als herkömmliche Heizsysteme. Er bewies, dass diese Maschinen deutlich energieeffizienter sind als traditionelle Heizmethoden. Sein Prinzip basierte auf dem Joule-Thomson-Effekt und setzte damit einen bedeutenden Meilenstein in der Entwicklung moderner Heiztechnologien.

Bereits 1848 hatte Thomson bedeutende Arbeiten zur Thermodynamik auf Basis der Carnotschen Wärmetheorie verfasst und unter anderem die später nach ihm benannte absolute Temperaturskala eingeführt. Seine Überlegungen zur Thermodynamik waren zunächst noch fehlerbehaftet, doch der Ideenaustausch mit James Prescott Joule ab 1847 überzeugte ihn von einer dynamischen Theorie der Wärme.

Thomson argumentierte schon 1852, dass die Energiedissipation ein irreversibler Prozess sei. Diese Erkenntnis führte ihn zu der Schlussfolgerung, dass das Universum in einem “Wärmetod” enden würde, sofern kein kreativer Prozess den unvermeidlichen Verlust mechanischer Energie in Wärme umkehren würde.

Die theoretischen Arbeiten von William Cullen, Jacob Perkins und Lord Kelvin legten somit innerhalb eines knappen Jahrhunderts die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für die moderne Wärmepumpentechnologie. Ihre Pionierleistungen ermöglichten später die industrielle Anwendung und kontinuierliche Weiterentwicklung dieser energieeffizienten Heiztechnik.

Erste Anwendungen in Industrie und Salzgewinnung (1850–1918)

Die ersten praktischen Anwendungen der Wärmepumpentechnik entstanden nicht etwa im Bereich der Gebäudeheizung, sondern in der Industrie – insbesondere bei der Salzgewinnung, die traditionell einen enormen Energiebedarf hatte. Für die Produktion von Kochsalz mussten früher ganze Wälder abgeholzt werden, da für die Gewinnung von 1 kg Salz etwa 3 kg Wasser verdampft werden mussten.

Brüdenkompression in der Saline Ebensee (1857)

Ein Meilenstein in der frühen Anwendung der Wärmepumpentechnik war die Patentanmeldung des österreichischen Ingenieurs Peter von Rittinger. Er meldete 1853 in Österreich das erste Patent für eine Anlage mit Beheizung durch Brüdenkompression an. Das Verfahren sollte bei der Salzgewinnung zum Einsatz kommen und einen Kolbenkompressor zur Verdichtung der Brüden (beim Eindampfen entstehende Dämpfe) nutzen. Der Antrieb des Kompressors war über ein Wasserrad geplant.

Auf Basis seiner theoretischen Überlegungen von 1855 berechnete Rittinger, dass durch die Brüdenkompression gegenüber direkter Holzfeuerung eine Energieeinsparung von bis zu 80% möglich sei. Mit der Inbetriebnahme seiner “Dampfpumpe” im Jahr 1857 realisierte er die erste bekannte Wärmepumpe für reine Heizzwecke mit einer Leistung von 14 kW für die Saline Ebensee.

Allerdings blieb die Anlage ein Experiment. Sie funktionierte zwar mit reinem Wasser, versagte jedoch im Betrieb mit Sole, da sich Beläge (Fouling) auf dem Wärmetauscher bildeten. Die Versuche wurden deshalb 1858 eingestellt, ohne dass die Anlage kommerziell genutzt werden konnte. Neben den Problemen mit Belagsbildung durch Gips und Kalk war auch der ungeeignete Batch-Verdampfer mit zu vielen Unterbrechungen für die Salzentnahme ein Hindernis.

Erste Wärmepumpe der Schweiz in Bex (1877)

Der entscheidende Durchbruch gelang dem Schweizer Paul Piccard von der Universität Lausanne zusammen mit dem Ingenieur J.H. Weibel von Genf. Sie entwickelten 1876 eine Salzgewinnungsanlage mit Brüdenkompression, die mit einem mechanischen Schälwerkzeug zur Beseitigung von Fouling ausgestattet war.

Diese erste Wärmepumpe der Schweiz wurde 1877 in der Saline Bex in Betrieb genommen. Im Gegensatz zu Rittingers Experiment handelte es sich um eine kontinuierlich arbeitende Anlage, die etwa 175 kg Kochsalz pro Stunde produzieren konnte. Der verwendete Kompressor ähnelte einer Dampfmaschine und wurde von einem Wasserrad angetrieben.

Der als “Piccard-Apparat” oder “Weibel-Piccard-Verdampfer” bezeichnete Prozess erwies sich als grosser Erfolg. Ab 1981 wurden weitere Anlagen dieser Art für österreichische, französische und deutsche Salinen gebaut.

Carl von Lindes Beitrag zur Industrialisierung der Kältetechnik

Während die Brüdenkompression die erste Wärmepumpenanwendung für reine Heizzwecke darstellte, leistete Carl von Linde den bedeutendsten Beitrag zur Industrialisierung der Kältetechnik. Im Unterschied zu seinen Vorgängern entwickelte er seine Maschinen mit einem wissenschaftlichen Ansatz und legte grossen Wert auf Qualität in der Fertigung.

Nach der Fertigstellung seiner Konstruktionspläne im Januar 1873 meldete von Linde seine Erfindung zum Patent an. Die erste verkaufte Linde-Kältemaschine, eine Weiterentwicklung des Ursprungsmodells, kam 1877 bei der Dreherschen Brauerei in Triest zum Einsatz und war dort bis 1908 in Betrieb.

Aufgrund seines grossen Erfolgs gründete von Linde 1878 sein eigenes Unternehmen. Seine verbesserte Maschine mit horizontalem, doppelt wirkendem Zylinder wurde ein enormer Erfolg und Gegenstand zahlreicher Patente. Die wichtigsten Kunden blieben bis zum Ende des 19. Jahrhunderts die Brauereien. Bis 1890 stattete von Linde 445 Brauereien mit insgesamt 747 Kältemaschinen aus.

Ab 1881 stieg mit dem kommunalen Aufbau von Schlachthöfen auch der Bedarf an Kühlhäusern für die Lagerung von Fleisch und anderen Lebensmitteln. Von Lindes Kältemaschine wurde unter Lizenz von vielen Firmen gebaut, darunter in Deutschland durch Augsburg (spätere MAN), in der Schweiz durch Sulzer und in den USA durch Fred Wolf. Dadurch wurde Ammoniak rasch zum wichtigsten Kältemittel und bis 1900 waren die meisten grundlegenden Erfindungen bereits erfolgt.

Schweizer Pionierleistungen im 20. Jahrhundert

Die Schweiz nimmt eine Vorreiterrolle in der Entwicklung der Wärmepumpentechnologie ein. Schweizer Pionierarbeiten bei Brüdenkompressionsanlagen, Erdwärmesonden, Abwassernutzung als Wärmequelle sowie bei der Entwicklung ölfreier Kolbenkompressoren und Turbokompressoren sind in der Fachwelt anerkannt. Im 20. Jahrhundert wurden mehrere wegweisende Projekte realisiert, die internationale Massstäbe setzten und den Ruf der Schweiz als Innovationsstandort für Wärmepumpentechnik festigten.

Wärmepumpe im Zürcher Rathaus (1938)

Ein internationaler Meilenstein der Wärmepumpentechnik wurde 1937/38 durch die Firma Escher Wyss geschaffen. Diese installierte im Zürcher Rathaus eine Wärmepumpe, die als Ersatz für die bis dahin genutzten Einzelraumholzöfen diente. Der Grund für diese innovative Lösung war durchaus praktischer Natur: Für eine herkömmliche zentrale Kohleheizung fehlte schlicht der notwendige Lagerplatz für den Brennstoff, da das Gebäude keinen Keller besitzt und direkt in der Limmat steht.

Als Wärmequelle diente – und dient bis heute – das Wasser der Limmat mit einer mittleren Temperatur von 7°C während der Heizperiode. Das Flusswasser wurde dabei um etwa 1,5 Kelvin abgekühlt, während die nominale Wärmeleistung der Anlage 100 kW betrug. Besonders bemerkenswert: Die Anlage erreichte eine Heizungsvorlauftemperatur von 60°C und verfügte für die Spitzenlastdeckung über einen elektrisch beheizten Boiler.

Eine absolute Neuheit für Europa war zudem, dass die Wärmepumpe im Sommer auch zur Kühlung der Räume eingesetzt werden konnte. Während ihrer beeindruckenden Betriebsdauer von 63 Jahren versorgte sie das historische Gebäude zuverlässig mit Wärme, bis sie schliesslich im Jahr 2001 durch eine neue, effizientere Anlage ersetzt wurde. Um dieses aussergewöhnliche Stück Technikgeschichte zu bewahren, wird die älteste noch betriebsbereite Wärmepumpe Europas bis heute einmal pro Woche für eine Stunde in Betrieb genommen.

Brüdenkompression in der Saline Riburg (1941)

Ein weiteres bedeutendes Projekt realisierte Escher Wyss 1941 in der Saline Riburg – eine Brüdenkompressionsanlage zur Salzgewinnung mit einer jährlichen Produktionskapazität von 40.000 Tonnen Kochsalz. Der zeitliche Kontext ist hierbei besonders interessant: Aufgrund des Zweiten Weltkriegs herrschte Kohlemangel, weshalb die Saline Riburg die erste kohlebeheizte, energiesparende Verdampferanlage mit Thermokompression baute.

Bereits zwei Jahre später, 1943, wurde auch die Saline Schweizerhalle in eine Brüdenkompressionsanlage umgebaut. Beide Anlagen wurden im Laufe der Zeit auf höhere Kapazitäten umgerüstet und weisen heute eine beeindruckende Gesamtverdampfungsleistung von rund 80 MW auf. Diese frühen industriellen Anwendungen der Wärmepumpentechnik stellten eine wichtige Brücke zwischen theoretischem Wissen und praktischer Nutzung dar.

Einführung des Rotasco-Kompressors durch Escher Wyss

Ein wesentlicher technischer Fortschritt, der die Wärmepumpentechnologie entscheidend voranbrachte, war die Einführung des Rotasco-Kompressors durch Escher Wyss im Jahr 1936. Dieser innovative Rollkolbenkompressor wurde speziell für die erste grössere europäische Wärmepumpe im Zürcher Rathaus entwickelt und eingesetzt.

Die Wahl fiel auf diesen Kompressortyp, um Lärm und Vibrationen zu minimieren – ein wichtiges Kriterium für den Einsatz in einem repräsentativen öffentlichen Gebäude[162]. Der Rotasco-Kompressor stellte eine bedeutende technische Innovation dar und trug massgeblich zum Erfolg des Pionierprojekts bei.

Der Erfolg der Wärmepumpe im Zürcher Rathaus führte zu weiteren Anwendungen in der Stadt. So erhielt das neue Hallenbad City ebenfalls eine Wärmepumpenanlage, die die Abwärme aus einer benachbarten Transformatorenstation nutzte. Eine weitere Anlage gewann Wärme aus dem Seewasser des Schanzengrabens.

Selbst der Schweizer Bundesrat entschied sich mitten im Zweiten Weltkrieg 1942 – durchaus als Bekenntnis zur Unabhängigkeit – für den Bau einer Wärmepumpe, die das Limmatwasser nutzte. Bemerkenswert an dieser unter dem Walcheplatz neben dem Kaspar-Escher-Haus errichteten Anlage war, dass hier erstmals weltweit Wärmepumpen in ein Fernwärmenetz integriert wurden.

Die Schweizer Pionierleistungen bildeten somit einen entscheidenden Grundstein für die weitere Entwicklung und Verbreitung der Wärmepumpentechnologie in Europa und weltweit.

Technologische Meilensteine und Rückschläge (1950–1990)

Zwischen Fortschritt und Stagnation pendelte die Wärmepumpentechnologie in den Jahrzehnten zwischen 1950 und 1990. Während einerseits bedeutende technische Innovationen entstanden, erlebte die Branche andererseits durch schwankende Energiepreise dramatische Höhen und Tiefen.

Einfluss der Ölkrisen auf die Wärmepumpennachfrage

In den 1950er und 1960er Jahren fielen die Erdölpreise kontinuierlich, was zu einer ausgeprägten Stagnation bei Wärmepumpen-Verkäufen und deren Weiterentwicklung führte. Glücklicherweise ging das wertvolle Wärmepumpen-Know-how trotzdem nicht verloren, da die parallele Weiterentwicklung von Klimatisierungsgeräten die technologischen Grundlagen bewahrte.

Das Erdölembargo von 1973 markierte jedoch einen entscheidenden Wendepunkt in der Geschichte des 20. Jahrhunderts. Die Ölpreise stiegen innerhalb kurzer Zeit um mehr als 300%. Daraufhin erhielten zuvor belächelte alternative Energien und rationelle Energieeinsatz plötzlich hohe öffentliche Priorität. Diese Tendenz verstärkte sich durch die zweite Erdölkrise von 1979/1980 noch weiter.

Diese veränderten wirtschaftlichen Rahmenbedingungen begünstigten die Wärmepumpentechnik enorm und führten zu einem regelrechten Boom. Allerdings endete dieser abrupt gegen Ende der 1980er Jahre – bedingt durch zu viele inkompetente Anbieter und erneut sinkende Ölpreise nach 1981.

Die in dieser Zeit in der Schweiz entwickelten Wärmepumpen für Ein- und Zweifamilienhäuser nutzten vorwiegend Umgebungsluft sowie das Erdreich als Wärmequelle. Mit einer Leistungsspanne von 10-50 kW erreichten sie bescheidene Jahresarbeitszahlen von lediglich 1,9 bis 2,3.

Einführung von Scroll- und Schraubenkompressoren

Die 1970er und 1980er Jahre brachten bedeutende Modernisierungen bei den technologischen Komponenten. Plattenwärmeübertrager eroberten in den 1970er Jahren den Kälte- und Wärmepumpenmarkt. Zusätzlich begann die Fertigung von Scroll- und Schraubenkompressoren, die eine höhere Effizienz und Zuverlässigkeit boten.

Ein weiterer Meilenstein war die Einführung von Mikroprozessoren, die eine verbesserte Regelungstechnik ermöglichten. Ab den frühen 1990er Jahren begannen die hermetischen Scrollkompressoren schliesslich, die traditionellen Kolbenkompressoren zu verdrängen.

In den 1980er Jahren wurden ausserdem zahlreiche von Gas- und Dieselmotoren angetriebene Wärmepumpen gebaut. Diese erwiesen sich jedoch als nicht erfolgreich, da sie nach einigen Betriebsjahren mit zu häufigen Pannen und zu hohen Unterhaltskosten zu kämpfen hatten.

Erste Erdwärmesonden in der Schweiz (ab 1974)

Bei der Entwicklung der bis etwa 1980 oft belächelten Erdwärmesondentechnik waren Schweizer Pioniere massgeblich beteiligt. Jürg Rechsteiner (Multi-Energie, Aadorf) gilt dabei als der Schweizer Pionier beim Übergang von horizontalen Erdkollektoren zu vertikalen Erdwärmesonden.

Bemerkenswert ist, dass Rechsteiner seine ersten koaxialen Stahlsonden bereits 1974 in den sandigen Boden von Lustenau im benachbarten Österreich rammte. Dies geschah deutlich früher als bisher angenommen, denn lange Zeit ging man davon aus, dass die ersten Erdwärmesonden erst um 1980 in Deutschland und der Schweiz ausgeführt wurden.

Parallel dazu wurden die frühesten dokumentierten Erdwärmesondenbohrungen in Mitteleuropa von der Gungl-Bohrgesellschaft im Spätsommer 1974 in Schönaich (Kreis Böblingen) durchgeführt. Für die Umrüstung eines bestehenden Gebäudes zur monovalenten Beheizung mit einer erdgekoppelten Wärmepumpe wurden dabei fünf Erdwärmesonden mit 50-55 m Tiefe installiert.

Beeindruckend ist die Langlebigkeit dieser frühen Anlage: Sie wurde etwa 30 Jahre lang betrieben und entsprach bereits den heutigen Anforderungen hinsichtlich der Temperaturdifferenzen zwischen Soletemperatur und ungestörter Untergrundtemperatur.

Allerdings war der Weg nicht ohne Rückschläge. Bei den ersten koaxialen Stahlsonden kam es zu häufigen Leckagen zwischen den 2,5 m langen Sonden-Elementen, was den Ruf der Erdwärmesonden zunächst ruinierte.

Moderne Wärmepumpen und Umweltaspekte (ab 1990)

Ab den 1990er Jahren begann in der Wärmepumpentechnik eine neue Ära, geprägt von Umweltbewusstsein und dem Streben nach höherer Energieeffizienz. Die Branche reagierte auf die wachsenden Umweltprobleme und erneut steigenden Ölpreise. Nach 1998 wuchs der Marktanteil für Wärmepumpen bei Einfamilienhaus-Neubauten in der Schweiz beeindruckend auf über 75%.

Einführung natürlicher Kältemittel wie Propan (R290)

Die Geschichte der Kältemittel unterlag einem bedeutenden Wandel. Von 1930 bis Anfang der 1990er Jahre dominierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) den Markt. Allerdings führte ihre schädigende Wirkung auf die Ozonschicht 1995 zum Verbot in Deutschland. Die als Ersatz eingeführten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) vermieden zwar die Ozonproblematik, trugen jedoch erheblich zum Treibhauseffekt bei.

Ein entscheidender Fortschritt war die Einführung natürlicher Kältemittel wie Propan (R290). Dieses natürlich vorkommende Gas bietet herausragende Vorteile: Es besitzt kein Ozonabbaupotenzial und hat ein äusserst niedriges Treibhauspotenzial (GWP) von nur 3, verglichen mit einem GWP von 2088 bei dem häufig verwendeten synthetischen Kältemittel R410A. Dies macht es zu einer umweltverträglichen Alternative, die nicht von der europäischen F-Gase-Verordnung betroffen ist.

Propan zeichnet sich darüber hinaus durch ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften aus. Diese ermöglichen nicht nur eine hohe Effizienz im Anlagenbetrieb, sondern auch Vorlauftemperaturen von bis zu 75°C – selbst bei Aussentemperaturen von minus 15°C. Dadurch eignen sich moderne Propan-Wärmepumpen besonders gut für Altbauten mit herkömmlichen Heizkörpern, ohne dass umfassende Sanierungen oder Fussbodenheizungen erforderlich sind.

Jahresarbeitszahl (JAZ) als Effizienzmass

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) etablierte sich als wichtigste Kennzahl für die Effizienz von Wärmepumpen. Sie beschreibt das Verhältnis der über ein Jahr abgegebenen Wärmeenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie. Eine JAZ von 4 bedeutet beispielsweise, dass die Heizanlage mit 1 kWh Strom 4 kWh Wärme produziert – ein Wirkungsgrad von beeindruckenden 400%.

Moderne Wärmepumpen erreichen je nach Typ unterschiedliche JAZ-Werte. Luft-Wasser-Wärmepumpen erzielen typischerweise 2,5 bis 3, Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdkollektoren 3,5 bis 4, mit Erdsonden 4 bis 4,5, während Wasser-Wasser-Wärmepumpen Spitzenwerte von etwa 5 erreichen können.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Effizienz: Die Wärmequelle, die Vorlauftemperatur, die Gebäudedämmung, die Klimazone sowie das individuelle Nutzungsverhalten. Eine niedrigere Vorlauftemperatur – idealerweise um 35°C – führt zu höherer Effizienz, weshalb sich Flächenheizungen besonders gut eignen.

Bemerkenswert ist, dass Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln wie R290 hinsichtlich der Energieeffizienz mit herkömmlichen FKW/HFKW-Wärmepumpen konkurrieren können. Dennoch wird die JAZ nicht allein durch das Kältemittel bestimmt. Relevanter als der GWP-Wert ist die Summe aus dem direkten und indirekten globalen Erwärmungspotenzial (TEWI), weshalb eine hohe Energieeffizienz einen höheren GWP-Wert des Kältemittels bis zu einem gewissen Grad ausgleichen kann.

STIEBEL ELTRONs Propan-Wärmepumpe von 1993

Als Pionier präsentierte STIEBEL ELTRON bereits 1993 die erste Propan-Wärmepumpe auf dem europäischen Markt. Diese Vorreiterrolle unterstreicht die frühe Entwicklung von Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln in Europa.

Die Umstellung von synthetischen auf natürliche Kältemittel war keinesfalls trivial. Da beide unterschiedliche thermodynamische und chemische Eigenschaften aufweisen, erforderte die Umstellung eine Neukonstruktion oder zumindest Anpassung der Hauptkomponenten wie Wärmeübertrager und Kompressoren sowie der Regelungsstrategie. Zusätzlich stellten Materialkompatibilität und Minimierung der Kältemittelfüllung weitere Herausforderungen in der Entwicklung dar.

Heutzutage sind Propan-Wärmepumpen eine zukunftssichere, klimaschonende Alternative für Neu- und Bestandsgebäude. Moderne Propan-Wärmepumpen erreichen Energie-Effizienzklassen bis A+++ und bieten damit sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile. In Deutschland wird der Kauf von Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln durch einen zusätzlichen Effizienz-Bonus von 5% im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude unterstützt. Mehr dazu unter folgenden Link: https://www.stiebel-eltron.ch/de/home/magazin/geschichte-waermepumpe.html

Zukunftsperspektiven und aktuelle Entwicklungen

Wärmepumpentechnologie entwickelt sich heute in vielversprechenden Richtungen weiter – mit innovativen Anwendungen weit über den klassischen Einsatz im Eigenheim hinaus.

Grosswärmepumpen in Fernwärmenetzen

Fernwärmenetze bilden einen wichtigen Baustein der Energiewende. Grosswärmepumpen mit Leistungen ab 500 kW könnten zukünftig bis zu 70% der deutschen Fernwärme bereitstellen. Allerdings wurden bis Anfang 2023 lediglich 30 Grosswärmepumpen mit einer Gesamtleistung von etwa 60 Megawatt in Deutschland installiert. Zum Vergleich: Allein die grösste Wärmepumpe Dänemarks erreicht 70 Megawatt.

Um die Klimaziele zu erreichen, wäre ein jährlicher Ausbau von etwa 4 Gigawatt neuer Grosswärmepumpenleistung bis 2045 erforderlich – das entspricht 340 bis 410 Anlagen pro Jahr. Diese Anlagen nutzen natürliche Wärmequellen wie Flusswasser, Geothermie oder industrielle Abwärme und können damit das Stromnetz entlasten.

Nullenergiehäuser mit Wärmepumpen

Ein Nullenergiehaus erzeugt über das Jahr gerechnet die gesamte benötigte Energie selbst. Die Kombination aus Wärmepumpe und Photovoltaikanlage ist hierbei besonders effektiv. Das erste Minergie-P-Haus der Schweiz in Dintikon erreichte eine ausgeglichene Energiebilanz durch eine Wärmepumpe, 4,5 m² Sonnenkollektoren und eine 49,5 m² grosse Photovoltaikanlage.

Obwohl solche Systeme höhere Anfangsinvestitionen erfordern – der Mehraufwand für das Minergie-P-Standard betrug etwa 80.000 Fr. – bieten sie langfristige Vorteile. Eine Doppelhaushälfte in Bergneustadt spart beispielsweise jährlich 20,47 Tonnen CO₂ durch ihr Nullenergiekonzept.

Politische Förderung und CO₂-Einsparpotenzial

Die politische Unterstützung für Wärmepumpen wächst. In Deutschland und der Schweiz gibt es zahlreiche Förderprogramme für den Einbau von Wärmepumpen. Laut dem Bundesverband Wärmepumpe sollen bis 2030 insgesamt 6 Millionen Wärmepumpen in Deutschland installiert werden.

Das CO₂-Einsparpotenzial ist beachtlich: Eine Wärmepumpe spart durchschnittlich 2.620 kg CO₂ pro Jahr gegenüber fossilen Heizsystemen. Über eine Lebensdauer von 20 Jahren summiert sich dies auf 52 Tonnen CO₂. Ausserdem “rettet” eine Wärmepumpe jährlich knapp 8 m² arktische Eisfläche, da jede Tonne CO₂ etwa 3 m² Eisverlust verursacht.

Schlussfolgerung

Die Geschichte der Wärmepumpentechnik zeigt eindrucksvoll, wie aus einer theoretischen Idee von Lord Kelvin im Jahr 1852 eine revolutionäre Heiztechnologie entstanden ist. Besonders die Schweiz spielte dabei eine entscheidende Vorreiterrolle – angefangen bei der ersten Wärmepumpe in der Saline Bex 1877 bis hin zum internationalen Meilenstein im Zürcher Rathaus 1938.

Zweifellos haben die Ölkrisen der 1970er Jahre das Interesse an dieser Technologie massgeblich befeuert, wenngleich sinkende Energiepreise zeitweise für Rückschläge sorgten. Trotzdem entwickelte sich die Technik stetig weiter. Tatsächlich waren die frühen Pioniere ihrer Zeit weit voraus – sie legten bereits vor über 140 Jahren den Grundstein für eine Technologie, die heute als Schlüsselelement der Energiewende gilt.

Bemerkenswert bleibt der technologische Fortschritt: Von frühen Brüdenkompressionsanlagen über den innovativen Rotasco-Kompressor bis hin zu modernen Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln wie Propan. Gleichzeitig verbesserte sich die Effizienz dramatisch – moderne Anlagen erreichen heute Jahresarbeitszahlen von bis zu 5, was einem Wirkungsgrad von beeindruckenden 500% entspricht.

Unbestritten liegt die Zukunft der Wärmepumpentechnik in ihrer weiteren Integration in Fernwärmenetze, Nullenergiehäuser und smarte Energiekonzepte. Angesichts des enormen CO₂-Einsparpotenzials von durchschnittlich 2.620 kg pro Jahr und Anlage wird diese Technologie für den Klimaschutz immer wichtiger. Schliesslich belegt der bemerkenswerte Marktanteil von über 75% bei Einfamilienhaus-Neubauten in der Schweiz die gesellschaftliche Akzeptanz dieser nachhaltigen Heiztechnologie.

Die Wärmepumpe hat somit in weniger als zwei Jahrhunderten den Weg von einem wissenschaftlichen Experiment zur unverzichtbaren Säule nachhaltiger Energieversorgung zurückgelegt – ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie technologische Innovation und Umweltbewusstsein Hand in Hand gehen können.

FAQs

Q1. Wann wurde die erste Wärmepumpe in der Schweiz installiert? Die erste Wärmepumpe der Schweiz wurde 1877 in der Saline Bex in Betrieb genommen. Diese Anlage produzierte in kontinuierlichem Betrieb rund 175 kg Kochsalz pro Stunde.

Q2. Welche bedeutende Wärmepumpenanlage wurde in den 1930er Jahren in Zürich installiert? 1938 wurde im Zürcher Rathaus eine wegweisende Wärmepumpenanlage installiert. Diese nutzte das Wasser der Limmat als Wärmequelle und konnte im Sommer auch zur Kühlung eingesetzt werden.

Q3. Wie hat sich die Effizienz von Wärmepumpen im Laufe der Zeit verbessert? Moderne Wärmepumpen erreichen heute Jahresarbeitszahlen von bis zu 5, was einem Wirkungsgrad von 500% entspricht. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren Modellen.

Q4. Welche Rolle spielen natürliche Kältemittel in modernen Wärmepumpen? Natürliche Kältemittel wie Propan (R290) gewinnen zunehmend an Bedeutung. Sie haben ein sehr niedriges Treibhauspotenzial und ermöglichen hohe Vorlauftemperaturen, was sie besonders für Altbauten geeignet macht.

Q5. Wie sieht die Zukunft der Wärmepumpentechnologie aus? Die Zukunft der Wärmepumpentechnik liegt in der Integration in Fernwärmenetze, Nullenergiehäuser und smarte Energiekonzepte. Grosswärmepumpen könnten zukünftig bis zu 70% der Fernwärme bereitstellen und spielen eine wichtige Rolle beim Erreichen der Klimaziele.