Wundertechnik im Blick: So funktioniert die Wärmepumpe im E-Auto

Spätestens seit dem Heizungsgesetz der Ampel-Regierung sind Wärmepumpen in aller Munde. Obwohl Wirtschaftsminister Habeck eine direkte Einbau-Verpflichtung in der überarbeiteten Fassung aufheben musste, bleibt der Kernbestandteil bestehen: Gemäß dem Gebäudeenergiegesetz müssen neu installierte Heizungen ab 2024 zu zwei Drittel mit erneuerbaren Energien und nicht mehr durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe betrieben werden. In neuen Gebäuden dürften sich elektrische Wärmepumpen ab dem kommenden Jahr also durchsetzen. In modernen Elektroautos sind sie längst verbreitet.

Denn anders als Otto- oder Diesel-Motoren in konventionellen Autos, die durch die Verbrennung von Kraftstoff nebenbei genug Wärme zum Heizen erzeugen, bleibt Elektroautos dafür nur der Strom aus dem Akku. Schließlich erzeugen E-Maschinen durch ihren hohen Wirkungsgrad bei der Arbeit kaum Verlustwärme. Dagegen wirken Verbrennungsmotoren wie fahrende Lagerfeuer. Um es in einem Elektroauto ähnlich gemütlich warm zu haben, braucht es allerdings nicht zwangsläufig eine Wärmepumpe.

Unterschied zum Heizwiderstand

Elektrisch heizen können E-Autos nämlich auch ohne die Wundertechnik. Gerade wenn es um das schnelle Aufheizen von Komponenten, Sitzen oder Lenkrad geht, sind meist sogenannte Heizwiderstände im Einsatz. Fließt Strom durch diese speziell geformten Leiter hindurch, erhitzen sie sich sehr schnell und geben die Wärme an ihre Umgebung ab. Durchlauferhitzer funktionieren auf diese Weise genauso wie Fußbodenheizung, Heizlüfter oder Tauchsieder. Eine besondere Form dieser Technik sind die überhitzungssicheren PTC-Widerstände (steht für: Positive Temperature Coefficient).

Elektroautos nutzen diese PTC-Elemente auch für die Erwärmung der Innenraumluft. Dazu sind die Heizwiderstände in einem Wärmetauscher verbaut, durch den vom Gebläse angesaugte Luft strömt. Dieser Aufbau kann einen ausgekühlten Innenraum sehr schnell aufheizen, verbraucht allerdings auch viel Strom. Soll der Fahrzeug-Innenraum über längere Zeiträume warm gehalten werden, können Wärmepumpen ihren größten Vorteil ausspielen: ihre Effizienz.

Komplizierter Aufbau

Im Gegensatz zu einfachen Heizdrähten, die zum Arbeiten einfach nur Strom brauchen, ist der Aufbau einer Wärmepumpe deutlich komplizierter. Die vier Kernkomponenten sind Verdampfer, Verflüssiger (Kondensator), Verdichter (Kompressor) und das Expansionsventil. Diese Bauteile sind über Leitungen und Schaltungen auf unterschiedlichen Wegen miteinander verbunden. Hinzu kommen Leitungen, die von und zu anderen Fahrzeugkomponenten sowie zum Wärmetauscher des Innenraums führen.

Allein die Vielzahl an Bauteilen macht Wärmepumpen deutlich teurer als klassische PTC-Heizer. Hinzu kommt eine sehr komplexe elektronische Steuerung des Systems. In einem Audi Q8 e-tron beispielsweise wählt die Elektronik dank einer Vielzahl von Sensoren, Ventilen und Pumpen stets einen von über 200 möglichen Schaltzuständen aus. Moderne Elektroautos gewinnen durch raffinierte Auslegung des Thermomanagements allerdings auch an Gesamteffizienz, indem sie die Wärme – beziehungsweise Kälte – gezielt dorthin disponieren, wo sie gerade benötigt wird.

Das Prinzip Wärmepumpe

Bis eine Wärmepumpe wirklich Wärme erzeugt, muss sie zunächst einen Kreislauf in Gang setzen. Wie bei einer Klimaanlage oder einem Kühlschrank spielt dabei ein spezielles Kühlmittel die entscheidende Rolle. Dieses Kühlmittel wechselt innerhalb eines geschlossenen Systems den Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig und wieder zu flüssig. Dabei nimmt es an einer Stelle Wärme auf und gibt sie an anderer Stelle ab.

Der Vorteil: Je nachdem welche Stelle im Kreislauf man anzapft, wird entweder gekühlt oder geheizt. In einem Kühlschrank wird die Wärme etwa aus dem Innenraum "gezogen" und an die Umgebung abgegeben. In einem Elektroauto kann dieser Prozess durch die etwas komplexere Verschaltung von Leitungen und Ventilen sogar umgekehrt werden. Eine Wärmepumpe, die im Winter heizt, kann also im Sommer die Funktion der Klimaanlage übernehmen. Die wesentlichen Komponenten dafür sind die gleichen.

So funktioniert der Kreislauf

Der Prozess des Heizens beginnt beim Verdampfer. Der nimmt die Wärme aus Innenraum, Komponenten oder Umgebung des Fahrzeugs auf und verwandelt das Kältemittel damit in einen gasförmigen Zustand. Dazu reichen je nach Auslegung der Anlage auch sehr niedrige Umgebungstemperaturen, sogar unterhalb von 0 °C. Je wärmer es ist, desto effizienter arbeitet das Prinzip.

Ein elektrisch angetriebener Kompressor erhöht den Druck dieses Gases und erhitzt es dadurch. Anschließend wird das erhitzte Gas in einen Kondensator geleitet, wo es seine Wärme an den Wärmetauscher abgibt und wieder in einen flüssigen Zustand übergeht. Das flüssige Kältemittel wird dann durch das Expansionsventil geleitet, wodurch der Druck abfällt und das Kältemittel erneut verdampft. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Nachteil: Trägheit und Geräusche

Auf Kurzstrecken würde die Zeit für eine ausreichende Wärmeproduktion kaum ausreichen. Hier ist gezieltes Heizen von Kontaktflächen wie Sitzpolstern oder Lenkradkranz deutlich schneller und effizienter. Sogar die Luftheizung über PTC-Elemente wäre auf der Kurzstrecke ergiebiger. Im Idealfall befinden sich ohnehin beide Heizsysteme an Bord eines Elektroautos und werden situationsabhängig genutzt. Mittlerweile agieren Hochvolt-PTC-Widerstände sogar als Zuheizer im Wärmepumpen-Kreislaufsystem.

Ein weiterer Nachteil von Wärmepumpen ist das Geräusch. Schließlich müssen für den Klimatisierungsprozess Kompressor und Pumpen laufen, was man vor allem während der Standklimatisierung hört. Das Heizen mit PTC-Elementen ist dagegen lautlos – vom Lüftergeräusch des Innenraumgebläses einmal abgesehen.

Vorteil: Effizienz

Wie die Leistungsangaben der Elektro-Motoren wird auch die elektrische Heizleistung in Watt (oder Kilowatt) angegeben. Große Zuheizer können dabei schon mehrere kW aus dem Akku ziehen – produzieren dabei im gleichen Maße Wärme. Die Wärmepumpe wandelt die elektrische Energie dagegen in mechanische Energie für den Wärmetransport um. Das dauert zwar länger, ist aber effizienter. Weil die Wärmepumpe auch Energie aus Umgebungsluft, Komponenten und Innenraum nutzt, erzeugt hier ein Kilowatt elektrische Leistung bis zu drei Kilowatt Heizleistung.

Zum schnellen Aufheizen des Innenraums nutzen intelligente Systeme also die PTC-Zuheizer, um danach die Wärmepumpe zu aktivieren. Bis zu einer Außentemperatur von etwas unter null Grad Celsius kann die dann effizient die Wohlfühltemperatur halten, die für viele Autofahrer und Insassen um 22 Grad liegt. Wird es kälter, verliert auch die Wärmepumpe deutlich an Effizienz, sodass das PTC-Zuheizen wieder sinnvoller wird.

Vorteil: Entfeuchtung

Bei feuchter Witterung und beschlagenen Scheiben spielt die Wärmepumpe eine weitere Stärke aus: Mit ihr ist es möglich, die frische Luft zunächst zu kühlen und dabei zu entfeuchten und anschließend ohne elektrischen Heizer wieder zu erwärmen. Die warme trockene Luft kann nun reichlich Feuchtigkeit aus dem Innenraum aufnehmen. Konventionelle Heizsysteme von elektrisch betriebenen Fahrzeugen müssten hier zweimal Energie aufwenden.