Die Waschmaschine mit Luft-Wasser-Wärmepumpe
Halbierter Stromverbrauch im Alltagsbetrieb!
Hintergrund
Im Bereich von Haushaltsgeräten gibt es ungemein viel ungenutztes Potential,
um den Energiebedarf zu reduzieren. Bislang war Strom billig, und die mit
der Stromerzeugung verbundenen Auswirkungen auf den Klimawandel wurden nicht
ernst genug genommen. Daher hat sich der Stand der Technik teilweise über
Jahrzehnte wenig bewegt. In der heutigen Zeit beginnt das Umdenken - und
damit ist es auch an der Zeit, sich ein alltägliches Haushaltsgerät
vorzunehmen: Die Waschmaschine.
Gerätebestand in Deutschland
Derer gibt es allein in Deutschland unglaublich viele. Nach den Daten des
Statistischen Bundesamtes gab es in Deutschland im Jahr 2021 annähernd 38 Millionen
Haushalte, und von diesen besaßen 96,2% (mindestens) eine Waschmaschine. Es
dürfte also gut 36,5 Millionen Waschmaschinen in deutschen Haushalten geben -
und die verbrauchen, alle zusammen, enorm viel Strom. Das genaue
Nutzungsverhalten ist schwer zu ergründen, aber wenn man den Jahresverbrauch
pro Gerät grob mit 150 kWh abschätzt, ergibt sich ein gesamter
Jahresverbrauch aller Waschmaschinen von 5,5 Terawattstunden (TWh). Zum
Vergleich: Das kürzlich vom Netz gegangene Kernkraftwerk Isar 2 speiste
jährlich typischerweise etwa 11,5 TWh ins Netz ein. Man sollte also nicht
unterschätzen, wie viel Haushaltsgeräte ausmachen. Wenn man zu den
Waschmaschinen noch die Geschirrspülmaschinen hinzunimmt, kommt man
größenordnungsmäßig auf diesen Wert. Ein ganzes Großkraftwerk läuft
rechnerisch also nur für die Wasch- und Spülmaschinen in den Haushalten!
Und nun kommt die für viele wohl überraschende Aussage: Heutige
Waschmaschinen verbrauchen im Alltagsbetrieb, also in den 30°C, 40°C und
60°C Programmen, die man üblicherweise verwendet, etwa doppelt so viel
Strom, wie technisch eigentlich machbar wäre. Und das liegt
alleine an der Art und Weise, wie das Waschwasser erwärmt wird. Lediglich im (vergleichsweise kalt waschenden) Eco40-60 Programm sind heutige Waschmaschinen halbwegs sparsam.
Der Heizstab
Zur Wassererwärmung dient, seit vielen Jahrzehnten unverändert, ein elektrischer
Heizstab. So wie dieser hier:
Er wandelt elektrische Energie 1:1 in Wärme um. Aus 1 Kilowattstunde (kWh)
Strom wird 1 kWh Wärme, die dem Waschwasser zugeführt wird.
Ein Blick über den Tellerrand
In der Heizungstechnik ist eine solche reine Elektroheizung auch bekannt -
etwa in Form von Nachtspeicheröfen, oder von Heizlüftern. Auch diese wandeln
Strom 1:1 in Wärme um. Das wurde inzwischen aber (zu Recht!) als ineffizient
erkannt. Wer heute einen Neubau errichtet, heizt diesen nicht mit
Nachtspeicheröfen. Und wer seine Öl- oder Gasheizung ersetzt, steigt nicht
auf Heizlüfter um. Nein - es gibt da eine wesentlich effizientere Lösung: Die
Wärmepumpe!
Diese ist gerade dabei, in der Heizungstechnik ihren großen Siegeszug
anzutreten. Wie der Energiefluss bei einer solchen Wärmepumpe aussieht,
lässt sich kinderleicht erklären, hier am Beispiel einer
Luft-Wasser-Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus:
Die Wärmepumpe wird elektrisch angetrieben und entzieht ihrer Umgebung -hier
der Außenluft- Wärme, um diese dann als Nutzwärme bei höherer Temperatur an
das Gebäude abzugeben. Die Breite der Pfeile in obiger Skizze ist dabei in
etwa maßstäblich: Die Wärmepumpe schafft es üblicherweise, etwa das
Dreifache dessen an Wärmeenergie abzugeben, was an elektrischer Energie
eingesetzt wurde. Somit generiert die Wärmepumpe aus 1 kWh Strom dann 3 kWh
nutzbare Wärme. Die restlichen 2 kWh an Energie holt sich sich aus der
Umgebungsluft. Diesen Faktor von 3 bezeichnet man als die Leistungszahl oder
den COP ("Coefficient of Performance") der Wärmepumpe. Aufgrund
dieser Eigenschaft ist die Wärmepumpe wesentlich effizienter als eine reine
Elektroheizung, sie verbraucht im Vergleich nur ein Drittel des Stroms.
Wärmepumpe für die Waschmaschine
Während die Wärmepumpe in Haushaltsgeräten prinzipiell schon vertreten ist,
nämlich bei Wäschetrocknern, die durch Wärmepumpentechnik einen großen
Sprung bei der Energieeffizienz erreicht haben, ist sie in der Waschmaschine
bislang noch nicht angekommen. Auf dem deutschen Markt findet man nur
Waschmaschinen mit Heizstab. In der Schweiz gibt es zumindest schon einen
Ansatz mit einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Den wirklich durchschlagenden
Spareffekt bringt in der Waschmaschine aber die gleiche Technik, die gerade
vor Hausfassaden und in Vorgärten Einzug hält: Die Luft-Wasser-Wärmepumpe,
die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzt. Hier kommt er nun - der Beweis,
dass es geht:
Der Prototyp
Das Konzept der Waschmaschine mit Luft-Wasser-Wärmepumpe ist mittlerweile so
weit gediehen, dass es einen funktionstüchtigen und voll alltagstauglichen
Prototypen gibt, der beeindruckende Verbrauchswerte an den Tag legt. So
sieht er aus:
Hervorgegangen ist dieser aus einer Serienwaschmaschine mit etwas
verringerter Bautiefe. Waschmaschinen sind verbreitet 60 Zentimeter breit,
60 Zentimeter tief und 85 Zentimeter hoch. Das ist der marktübliche
Formfaktor. Hier wurde dagegen eine etwas "schlankere" Waschmaschine mit nur
48 cm Tiefe als Ausgangsgerät verwendet. Ihre Trommel bietet dennoch 7 kg
Nennfüllmenge und ist nicht kleiner als die Trommel mancheiner "großen"
Waschmaschine (mit 60 cm Tiefe), die in früheren Jahren vom Band lief. In
den so gewonnenen Platz auf der Rückseite (48 cm statt 60 cm) wurde
nachträglich ein Wärmepumpenaggregat eingebaut, so dass der Prototyp das
übliche Maß von 85 x 60 x 60 Zentimetern einhält.
Die Wärmepumpe nutzt die Raumluft als Wärmequelle. Sie saugt diese ein,
kühlt sie etwas ab und bläst sie anschließend auf der Rückseite der
Waschmaschine wieder aus. Der Prototyp darf daher nicht auf Kontakt zur Wand
stehen, sondern sollte etwa 30 cm Wandabstand einhalten. Zukünftige
Ausführungen können eine frontseitige Luftführung verwenden, um
unterbaufähig zu werden.
Um die (oft gestellte) Frage vorwegzunehmen, ob diese Waschmaschine den Raum
abkühlt und dadurch im Winter zusätzliche Heizkosten verursacht: Das kommt
ganz darauf an, was man nach dem Waschgang mit dem warmen Abwasser macht!
Pumpt man es warm in den Abfluss, so hat man eine (im Sommer angenehme)
Kühlwirkung. Gibt man die Abwasserwärme dagegen an die Raumluft zurück, so
verhält sich die Waschmaschine im Raum wärmeneutral. Sie "leiht" sich die
Wärme dann nur aus und gibt sie anschließend zurück.
Die Verbrauchswerte
Nun zur entscheiden Frage: Wie viel Strom spart diese Waschmaschine?
Die Wärmepumpe schafft bis zu 60°C Wassertemperatur. Mit Ausnahme der (im
Alltag seltenen) Kochwäsche, bei der für den letzten Temperaturhub von 60°C
auf 90-95°C weiterhin ein Heizstab benötigt wird, können alle Waschprogramme
monovalent mit Wärmepumpe gefahren werden. Deren Heizleistung entspricht
recht genau der des Heizstabs, so dass die Programmdauer unverändert
bleibt. Ein 30°C-Programm dauert weiterhin etwa 1 Stunde, ein 40°C
Programm bleibt bei 1 Stunde und 20 Minuten. Der Programmablauf bleibt
unverändert, so dass es aus Sicht der Wäsche keinen Unterschied gibt und das
Waschergebnis sich nicht verändert. Die Wärmepumpe macht sich lediglich beim
Stromverbrauch bemerkbar - und das ganz erheblich!
Der Prototyp verfügt weiterhin über einen Heizstab, so dass
Vergleichsmessungen möglich sind. Die identischen Textilien wurden
nacheinander mit Heizstab und mit Wärmepumpe gewaschen und die
Verbrauchswerte verglichen. Für ein 30°C Programm, ein 40°C Programm und ein
60°C Programm ergaben sich folgende Werte:
| Waschprogramm |
Verbrauch mit Heizstab |
Verbrauch mit Wärmepumpe |
relative Ersparnis |
| 30°C |
0,39 kWh |
0,20 kWh |
49% |
| 40°C |
0,81 kWh |
0,35 kWh |
57% |
| 60°C |
1,23 kWh |
0,64 kWh |
48% |
Die Leistungszahl der Wärmepumpe (COP) sinkt mit steigender
Wassertemperatur. Bei Aufheizung auf 40°C liegt sie um 3,1, bei 60°C bei
etwa 2,3. Andererseits ist der Anteil der Wassererwärmung am gesamten
Stromverbrauch der Waschmaschine umso höher, je wärmer gewaschen wird. Etwa
im 30°C-Programm machen sich die anderen Verbraucher wie Motor und
Laugenpumpe anteilig stärker bemerkbar. Diese beiden gegenläufigen Effekte
führen dazu, dass sich bei 40°C ein Optimum einstellt, bei dem die
Wärmepumpe mehr als eine Halbierung des Stromverbrauchs bewirkt. Bei 30°C
wird der Verbrauch nahezu halbiert, bei 60°C liegt man ebenfalls knapp
unterhalb der 50%-Marke. Bei abwechselnder Verwendung von 30°C, 40°C und
60°C-Programmen hat man im Mittel damit recht genau eine Halbierung des
Stromverbrauchs.
Für besonders Interessierte hier noch die Leistungs-Messdaten für zwei Vergleichswaschgänge bei 60°C. Obwohl die exakt
identischen Textilien gewaschen wurden und mittels Waage bis auf wenige Gramm auf die gleiche Restfeuchte präpariert wurden,
war der Programmablauf nicht exakt identisch. Im Durchlauf mit Heizstab sind bis zum Ende der Heizphase 9,3 Liter Wasser zugeflossen, wohingegen es im Wärmepumpen-Durchlauf 11,2 Liter waren. Das erklärt die -trotz etwa gleicher Heizleistung- längere Heizphase mit Wärmepumpe:
Auch zeigt sich, dass infolge zufälliger Variationen beim ersten Zwischenschleudern (Unwuchterkennung) der Programmdurchlauf mit Heizstab etwas länger dauerte. Sehr deutlich ist zu erkennen, mit wie viel weniger elektrischer Leistung die Wärmepumpe im Vergleich zum Heizstab auskommt. Der kontinuierliche Anstieg der Leistungsaufnahme mit steigender Wassertemperatur (von etwa 500 auf 800 Watt) ist ein typisches Verhalten ungeregelter Wärmepumpen.
Aktueller Status
Der oben vorgestellte Prototyp zeigt, was die Wärmepumpentechnik in der Waschmaschine leisten kann, und läuft seit einem halben Jahr zuverlässig im Alltagsbetrieb. Ein früherer Prototyp hat bereits ein gewisses Medienecho hervorgerufen, siehe Süddeutsche Zeitung vom 27.11.2022 [Externer Link zum Artikel]. Damit hat ein Haushalt von 36,5 Millionen in Deutschland die Energiewende beim Wäschewaschen vollzogen. Nun wird es Zeit, dass weitere folgen.
Wirtschaftlichkeit
Zur (oft gestellten) Frage der Amortisation: Leider wird sehr oft die Lösung gewählt, die wirtschaftlich am billigsten kommt - und nicht die klimafreundlichste ist. Energiesparmaßnahmen, die am Ende nicht auch Geld sparen, werden meist nicht umgesetzt. So stellt sich die Frage, ob sich eine Wärmepumpen-Waschmaschine finanziell rechnet. Dazu eine kurze Abschätzung: Ein Haushalt, dessen Waschmaschine bislang 150 kWh im Jahr verbraucht, wird etwa 75 kWh im Jahr sparen. Die Strompreise sind momentan sehr volatil. Die staatliche Preisbremse liegt zur Zeit bei 40 Cent pro Kilowattstunde. Neuabschlüsse von Stromlieferverträgen lagen Ende 2022 teils bei 60 Cent, momentan gehen diese wieder in Richtung 30 Cent. Rechnet man mit 40 Cent, so entspricht die jährliche Ersparnis 30 Euro.
In den Umbau des Prototypen auf Wärmepumpe sind etwa 300 Euro an Materialkosten geflossen. Bei Fertigung von Wärmepumpen-Waschmaschinen in sehr großer Stückzahl dürften die Mehrkosten gegenüber einer konventionellen Waschmaschine mit Heizstab nur noch im Bereich zwischen 100 und 150 Euro liegen. Ein Blick auf den Markt für Wäschetrockner zeigt anhand des Preisunterschiedes zwischen Wärmepumpentrocknern und altmodischen Kondenstrocknern, dass die Industrie in Großserie durchaus Wärmepumpen zu solchen Preisen produzieren kann. Bei angenommenen 150 Euro Mehrkosten und 30 Euro jährlicher Ersparnis ergibt sich mit 5 Jahren eine Amortisationszeit, die innerhalb der Lebensdauer einer Waschmaschine liegt.
Mögliche Erweiterungen
Mit der Luft-Wasser-Wärmepumpe alleine ist das Sparpotential übrigens noch keineswegs ausgeschöpft. Mögliche zukünftige Ausbaustufen, die der jetzige Prototyp noch nicht abdeckt, finden sich hier.
Interessiert?
Anfragen von Waschmaschinenherstellern und Unternehmern, die der Waschmaschine mit Luft-Wasser-Wärmepumpe zum Markteintritt verhelfen können, sind willkommen.
Sie können sich vorstellen, eine solche Waschmaschine in Ihrem Haushalt zu verwenden, um Strom zu sparen? Auch dann gerne Kontakt aufnehmen. Ab einer gewissen Zahl von Interessierten sollte es möglich sein, eine erste Kleinserie auflegen zu lassen, oder einen Umbau-/Nachrüstsatz zu entwickeln.
Kontakt:
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