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Elektrowärmepumpe

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Definition: eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe

Englisch: electric heat pump

Kategorien: elektrische Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.04.2010; letzte Änderung: 22.10.2016

Eine Elektrowärmepumpe ist eine mit einem Elektromotor angetriebene Wärmepumpe, genauer eine Kompressionswärmepumpe. Die allermeisten Wärmepumpen für die Heizung von Gebäuden und die Warmwasserbereitung sind Elektrowärmepumpen. Besonders für kleinere Wärmepumpen bietet sich der elektrische Antrieb an, da dies zu einer relativ kompakten, kostengünstigen, leisen und wartungsarmen Konstruktion führt.

Für Kleinwärmepumpen ist der elektrische Antrieb meist die einzig sinnvolle Lösung. Bei hohen Leistungen kommen auch andere Lösungen in Frage.

Insbesondere manche großen Wärmepumpen werden jedoch nicht elektrisch angetrieben, sondern z. B. mit einem Verbrennungsmotor. Dies hat den Vorteil, dass die Abwärme des Motors zusätzlich zur Heizung verwendet werden kann, während die Abwärmenutzung in großen Kraftwerken (→ Kraft-Wärme-Kopplung) häufig schwer realisierbar ist. Für kleine Anlagen sind jedoch Elektrowärmepumpen die einzige sinnvoll einsetzbare Wärmepumpentechnologie, abgesehen von Absorptionswärmepumpen.

Für elektrische Wärmepumpen kommen dieselben Wärmequellen in Frage wie für alle anderen Wärmepumpen: das Erdreich (über Erdwärmesonden, Erdwärmekörbe, Erdregister), das Grundwasser, Eisspeicher, warme Abluft oder Abwässer, sowie die Außenluft.

Luft/Wasser-Elektrowärmepumpen gibt es einerseits in Form von Kompaktgeräten, wo sich die gesamte Wärmepumpentechnik in einem Gehäuse befindet, und andererseits in Form von Split-Wärmepumpen mit separatem Innen- und Außengerät.

Obwohl elektrische Energie eingesetzt wird, spricht man in der Regel nicht von Elektrowärme, da die erzeugte Wärme größtenteils aus einer anderen Quelle stammt.

Leistungsregelung von Elektrowärmepumpen: Taktbetrieb, Drehzahlregelung, Druckentlastung

Eine Wärmepumpenheizung muss nur selten die maximale Heizleistung bringen, läuft also meistens im Teillastbetrieb. Die Reduktion der abgegebenen Leistung wird jedoch in der Regel durch Taktbetrieb realisiert: Das Aggregat läuft jeweils für einige Zeit mit voller Leistung und wird dann wieder für einige Zeit abgeschaltet. Dies ist zwar technisch am einfachsten realisierbar, vermindert aber leider die mögliche Jahresarbeitszahl und somit die Energieeffizienz erheblich (um über 10 %).

Der Taktbetrieb von Wärmepumpen z. B. im Heizungsbereich ist ineffizient. Leistungsgeregelte Wärmepumpen sind etwas aufwendiger, aber wesentlich effizienter.

Viel besser ist ein modulierender Betrieb mit variabler Drehzahl. Eine stufenlose Drehzahlregelung ist über einen Umrichter (Gleichrichter plus Wechselrichter (Inverter)) möglich, aber bereits die Möglichkeit von wenigen (zwei oder drei) verschiedenen Drehzahlstufen ist bereits sehr hilfreich. Die so reduzierte Leistung führt nämlich zu geringen Temperaturdifferenzen zwischen Vorlauftemperatur und Kondensatortemperatur sowie zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der des Verdampfers, so dass die Wärmepumpe effektiv gegen eine geringere Temperaturdifferenz arbeiten muss. Ein zusätzlicher Vorteil bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe kann die für die meiste Zeit reduzierte Geräuschentwicklung sein. Der Nachteil dieser sogenannten Inverter-Wärmepumpen (oder modulierenden Wärmepumpen) ist lediglich ein etwas höherer technischer Aufwand. Natürlich muss die Drehzahlregelung so ausgeführt werden, dass der Wirkungsgrad des Elektromotors nicht (oder zumindest nicht wesentlich) reduziert wird. Dies ist mit moderner Leistungselektronik problemlos möglich.

Es gibt auch bereits modulierende Elektrowärmepumpen mit einem anderen technischen Ansatz zur Leistungsreduktion. Hier erfolgt z. B. bei einem Scroll-Verdichter eine zeitweise Druckentlastung über ein zusätzliches elektrisch gesteuertes Ventil. Obwohl die Motordrehzahl unverändert bleibt, vermindert die Druckentlastung die aufgenommene Leistung, da der Verdichter dann leichter läuft. Zwar wird so der Wirkungsgrad des Verdichters etwas reduziert, aber dafür werden Verluste bei einer Drehzahlregelung vermieden und der technische Aufwand vermindert. Insgesamt dürfte die erreichte Effizienz etwas niedriger sein als bei Inverter-Geräten.

Andere Verfahren, die einen Eingriff in den Kältemittelkreislauf erfordern – etwa mit Heißgasbypass – haben sich diesbezüglich weniger bewährt; sie verursachen höhere Verluste der Effizienz.

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz einer Elektrowärmepumpe in einem bestimmten Betriebszustand wird durch die Leistungszahl quantifiziert. Dies ist die Nutzwärmeleistung dividiert durch die zugeführte elektrische Leistung. Wie im Artikel über Wärmepumpen erläutert wird, hängt dieser Wert nicht nur von der technischen Qualität der Wärmepumpe ab, sondern auch von den Betriebsbedingungen, und zwar von den Temperaturen der Nutzwärme und der genutzten Umweltwärme.

Energiefluss bei Gaskraftwerk und Elektrowärmepumpe

Abbildung 1: Energiefluss bei der Kombination eines modernen Gaskraftwerks mit einer Elektrowärmepumpe mit Leistungszahl 4. (Die geringfügigen Energieverluste im Stromnetz und dem Elektromotor wurden vernachlässigt.) Dies ist ein sehr günstiger Fall; ältere Kraftwerke in Kombination mit weniger effizienten Wärmepumpenanlagen ergeben eine deutlich schlechtere Energieeffizienz. Andererseits gibt es auch noch effizientere Wärmepumpen, die nur gegen eine geringe Temperaturdifferenz arbeiten müssen.

Um die Effizienz einer Wärmepumpenanlage mit der z. B. eines Heizkessels vergleichen zu können, muss natürlich auch die Stromerzeugung im Kraftwerk mit berücksichtigt werden. Für den Vergleich mit Gasheizkesseln liegt es nahe, ein Gaskraftwerk anzunehmen, zumal solche Kraftwerke häufig den zusätzlichen Strombedarf im Winter decken. Ein modernes Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk kann einen Wirkungsgrad von bis zu ca. 60 % haben. Beim Elektromotor der Wärmepumpe mögen z. B. 55 % ankommen (nach Abzug von Verlusten im Stromnetz), und eine Wärmepumpe der Leistungszahl 4 kann daraus 220 % Nutzwärme erzeugen, bezogen auf das eingesetzte Erdgas (siehe Abbildung 1). Dies ist weitaus besser als ein Wirkungsgrad von ca. 100 % bei einem Heizkessel. Auch die klimaschädlichen CO2-Emissionen fallen entsprechend nicht einmal halb so hoch aus. Bei Verwendung von Windenergie fällt die CO2-Bilanz nochmals wesentlich besser aus.

Allerdings kann die Situation in der Praxis auch wesentlich weniger günstig aussehen. Winterstrom wird z. T. auch in älteren Gaskraftwerken mit deutlich niedrigerem Wirkungsgrad erzeugt, und zum Teil auch in Kohlekraftwerken. Zudem erreichen viele Wärmepumpen nicht so hohe Leistungszahlen bzw. Jahresarbeitszahlen; beispielsweise erreichen Luft/Wasser-Wärmepumpen meist eher Jahresarbeitszahlen in der Gegend von 3, und ihre geringen Leistungszahlen gerade an den kältesten Wintertagen, wo vermehrt auch ineffiziente Reservekraftwerke benötigt werden, belasten die CO2-Bilanz besonders stark. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber einem Heizkessel wird deswegen nicht immer erzielt; die CO2-Emissionen können sogar höher liegen.

Stromtarife für Wärmepumpen; Wirtschaftlichkeit

Wirtschaftlichkeit aus Sicht des Betreibers

Die Amortisation von Wärmepumpen ist nicht einfach, wenn der Strom stark mit Abgaben belastet ist.

Die meisten Energieversorgungsunternehmen bieten spezielle deutlich vergünstigte Stromtarife für den Betrieb von Wärmepumpen an (ähnlich wie sonst für Elektroheizungen, oft auch über den gleichen Tarif). Dies ist in der Regel mit der Nutzung von Rundsteuertechnik verbunden, mit der der Verteilungsnetzbetreiber solche “unterbrechbare Verbrauchseinrichtungen” z. B. maximal dreimal pro Tag für zwei Stunden abstellen darf, wenn es einen Engpass im Stromnetz gibt. Für die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpenheizungen sind diese tariflichen Vergünstigungen entscheidend. Wenn beispielsweise ein normaler Haushaltsstromtarif von 24 Cent pro Kilowattstunde gezahlt werden müsste und eine effiziente Wärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von 4 erreicht (was in den meisten Fällen leider nicht der Fall ist), ergibt dies Betriebskosten von 24 Cent / 4 = 6 Cent pro Kilowattstunde. Dies ist zwar noch etwas günstiger als für Erdgas bei Einsatz in einem modernen Brennwertkessel, jedoch wäre eine Amortisation der hohen Installationskosten so kaum möglich. Wenn dagegen ein Wärmepumpen-Stromtarif mit z. B. 15 ct/kWh verfügbar ist, ergibt sich ein Wärmepreis (wieder mit JAZ = 4) von nur 3,75 ct/kWh und somit eine erhebliche Einsparung gegenüber Erdgas und vor allem im Vergleich mit Heizöl. Für schlechtere Jahresarbeitszahlen (z. B. 3) wird die Amortisation aber selbst dann schwierig, zumindest solange die Gaspreise relativ niedrig bleiben. (Die Betreiber zentraler Wärmepumpenanlagen können deutlich tiefere Strompreise erhalten, so dass die Wirtschaftlichkeit hier anders ist als beim hier diskutierten Betrieb durch Endverbraucher.)

Aus Sicht des Verbrauchers ist bei der Planung zu berücksichtigen, dass ein Wärmepumpentarif meist nur vom Grundversorger am jeweiligen Standort angeboten wird. Wenn dieser also den Tarif erheblich anhebt, besteht oft keine Chance, durch einen Stromanbieterwechsel eine massive Erhöhung zu vermeiden; es besteht eine starke Abhängigkeit vom lokalen Stromversorger. Diese Befürchtung ist keineswegs nur rein theoretisch begründet; beispielsweise hat die EnBW (in Baden-Württemberg) in 2011 ihre Wärmepumpen-Stromtarife massiv erhöht. Es ist zu erwarten, dass andere Stromanbieter hier folgen werden, da die starke Reduktion der Stromtarife für Wärmepumpen (und Elektroheizungen) wirtschaftlich kaum zu rechtfertigen ist.

Es wird kritisiert, dass Stromtarife für Wärmepumpen in Deutschland mit diversen Abgaben und Steuern belastet werden, die für andere Methoden der Erzeugung von Heizwärme (etwa mit Erdgas-Heizkesseln) nicht erhoben werden [1]. Dies kann als eine Diskriminierung angesehen werden, die die energieeffizientere Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen gegenüber der ineffizienteren Erdgasnutzung in Heizkesseln benachteiligt und somit die Realisierung von Energieeffizienzpotenzialen behindert. Insbesondere geht es um die EEG- und die KWK-Abgabe, die Stromsteuer (“Ökosteuer”), das Netznutzungsentgelt und um Kosten für CO2-Zertifikate, während die Konzessionsabgaben auch auf Erdgas für Heizkessel erhoben werden. Zusätzlich wird auch auf die genannten Abgaben noch die Mehrwertsteuer erhoben. In Ref. [1] wird gefordert, die oben genannten Abgaben für Wärmepumpenstrom nicht zu erheben (außer der Konzessionsabgabe), wenn er in hoch effizienten Wärmepumpen (z. B. mit Jahresarbeitszahl von mindestens 4) genutzt wird. Eine zusätzliche Bedingung könnte sein, dass nur CO2-arm erzeugter Strom genutzt wird, wobei dies in der Praxis wohl wenig bewirken würde, da man die entsprechenden Strommengen einfach auf dem Papier den Elektrowärmepumpen zuordnen kann. Als Resultat einer solchen bedingten Befreiung von Abgaben auf Wärmepumpenstrom kann erhofft werden, dass zusätzliche besonders effiziente Wärmepumpen installiert würden und so der Primärenergiebedarf für den Heizungsbereich sinken würde. Allerdings würde zumindest eine Befreiung vom Netzentgelt bedeuten, dass zusätzliche Kosten auf andere Stromverbraucher umgelegt werden müssten. Man beachte, dass Elektrowärmepumpen den größten Energiebedarf in den kältesten Wochen haben (noch etwas mehr als Elektroheizungen) und somit signifikant zum Bedarf an Netzkapazitäten beitragen.

Wirtschaftlichkeit aus Sicht des Stromanbieters und der Volkswirtschaft

Die Energieversorgungsunternehmen haben vor Jahrzehnten begonnen, mit einer aggressiven Strategie in den Wärmemarkt einzudringen. Es wurden massiv verbilligte Tarife für Nachtspeicherheizungen angeboten, begleitet von Zuschüssen für den Bau von Elektroheizungen und Werbekampagnen. Ohne diese Strategie wäre es kaum möglich gewesen, eine größere Verbreitung von Elektroheizungen zu erreichen. In Kauf genommen wurde dabei, dass diese Strategie zwar zu erheblichen Umsatzsteigerungen führte, aber auch die Kosten für Stromerzeugung und Stromnetze steigerte. Unter den Bedingungen der Strompreisaufsicht und mangelnden Wettbewerbs hatte die Umsatzsteigerung Priorität, da höhere Kosten über die Stromtarife vor allem für Kleinverbraucher (Haushaltsstromkunden) problemlos weitergegeben werden konnten. Es entstand also eine Quersubventionierung der Energieverschwendung in Elektroheizungen auf Kosten der Kleinverbraucher. Unter den heutigen Umständen am Strommarkt – stärkerer Wettbewerb, Möglichkeit des Stromanbieterwechsels – wäre die Entwicklung wohl kaum so weit gegangen.

Das Aufkommen der Elektrowärmepumpen führte zu einer Anpassung der Strategie. Statt für Elektroheizungen wird nun für Wärmepumpen geworben. Im Vergleich zu den Elektroheizungen sind diese auch weitaus effizienter – selbst bei mageren Leistungszahlen bzw. Jahresarbeitszahlen, die Elektrowärmepumpen oft kaum besser aussehen lassen als Gasheizungen. Da dieser Verbesserung aber auch massiv höhere Investitionskosten gegenüber stehen, ist die Verbreitung von Elektrowärmepumpen in Deutschland (anders als z. B. in der Schweiz) relativ gering geblieben.

Heizungswärmepumpen nutzen genauso wie Elektrospeicherheizungen keineswegs nur überschüssige Kraftwerks- und Netzkapazitäten. Immerhin aber nutzen sie diese Kapazitäten relativ effizient.

Die ursprüngliche Rechtfertigung für verbilligte Heizstromtarife war im Wesentlichen, dass man damit nur das “Nachtstromtal” ausnutze, also sonst nicht nutzbare Kapazitäten der Kraftwerke und der Stromnetze. Durch den starken Zuwachs an Elektroheizungen verschwand das Nachtstromtal allerdings vielerorts komplett; die Spitzenlast in den Stromnetzen wird nun oft in kalten Winternächten erreicht. Eine gewisse Rechtfertigung verbleibt nur dadurch, dass Elektrowärmepumpen wie Elektroheizungen über Rundsteueranlagen vom Energieversorger zeitweise abgeschaltet werden können, wenn die Netzlast zu hoch wird. Dieses Lastmanagement hat freilich nur einen begrenzt entlastenden Effekt, da nur wenige Stunden Betriebsunterbrechung pro Tag vom Verbraucher akzeptiert werden und an kalten Tagen kaum noch Zeiten niedriger Last auftreten. Übrigens ist das Lastmanagement auch der Grund, warum ein Stromanbieterwechsel für Wärmepumpentarife schwer möglich ist: Das Lastmanagement muss über den lokalen Versorger erfolgen.

Volkswirtschaftlich gesehen ist die Quersubventionierung größerer Verbraucher auf Kosten der Kleinverbraucher schädlich. Sie hat zu einer wesentlichen Erhöhung der Kosten für Kraftwerke und Stromnetze geführt und damit zu höheren durchschnittlichen Strompreisen. Dies liegt daran, dass Anlagen, die nur in einigen kalten Wochen des Winters voll ausgelastet sind, schwer amortisierbar sind. In Zeiten der Energiewende kommt dazu noch die Problematik, dass zwar das Angebot an Solarstrom aus Photovoltaik massiv zunimmt, dies aber mehr im Sommer als im Winter. Eine Angebotslücke entsteht am ehesten im Winter – genau dann, wenn Elektroheizungen und Wärmepumpen am meisten Strom benötigen. Fossil befeuerte Kraftwerke, insbesondere Kohlekraftwerke und Gaskraftwerke, sind dann stark gefordert.

Interessant ist diesbezüglich der Vergleich der weit verbreiteten Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Elektroheizungen. Luft/Wasser-Wärmepumpen können zwar je nach Umständen (z. B. benötigte Vorlauftemperatur) Jahresarbeitszahlen von ca. 3 erreichen, aber an kalten Wintertagen sinkt die Leistungszahl häufig deutlich unter 2 ab. Es kann sogar vorkommen, dass ein großer Teil der Heizlast dann von einem Elektroheizstab erbracht werden muss, also mit Leistungszahl 1. Somit ist die Netzbelastung an kalten Wintertagen zwar meist deutlich geringer als bei einer Elektroheizung, aber längst nicht so massiv geringer, wie es der Jahresstromverbrauch erwarten ließe. Dies bedeutet, dass bei Luft/Wasser-Wärmepumpen die für die Stromerzeugung und -verteilung entstehenden Kosten pro bezogener Kilowattstunde noch höher liegen als bei Elektroheizungen. Dies wäre aus volkswirtschaftlicher Sicht ein guter Grund, zumindest für Luft/Wasser-Wärmepumpen (soweit sie ganzjährig betrieben werden, also monovalent) keine erheblich vergünstigten Stromtarife anzubieten.

Ökologische Bewertung von Elektrowärmepumpen

Die in der Diskussion der wirtschaftlichen Bewertung diskutierten Aspekte sind zum guten Teil auch für die ökologische Bewertung von Elektrowärmepumpen für Heizungszwecke relevant. Insbesondere stellt sich hier die Frage, woher der Strom kommt, der durch die Wärmepumpen zusätzlich gebraucht wird, und zwar vor allem an kalten Wintertagen. Rein von der technischen Seite her stellt sich das so dar:

Strom für Heizungswärmepumpen kann kaum aus Photovoltaik kommen, da er gerade an den trüben Wintertagen vermehrt benötigt wird. Windenergie passt schon eher.

Mittellastkraftwerke liefern den Großteil des Stroms für Heizungswärmepumpen. Soweit es effiziente GuD-Kraftwerke sind, ist das ökologisch immerhin deutlich besser als Gasheizungen. Mit Kohlekraftwerken ist es ökologisch nicht sehr gut.

Ein weiterer Aspekt ist der der Zusätzlichkeit von Quellen für erneuerbare Energie. Beispielsweise kann Windstrom nur dann sinnvoll den Wärmepumpenheizungen zugeordnet werden, wenn dafür auch zusätzliche Windenergieanlagen gebaut werden. Davon kann aber nur ausgegangen werden, wenn Ökostrom (mit garantierter ökologischer Qualität) verwendet wird, was aus Kostengründen wohl meist nicht der Fall ist.

Der Strommix für den Wärmepumpenbetrieb entspricht nicht dem Strommix des Landes!

Ein häufig gemachter Fehler ist, den Strommix des Landes für die ökologische Bewertung von Wärmepumpen (und anderen Verbrauchern) heranzuziehen. Dies führt z. B. zu dem erstaunlichen (und angesichts des starken Stromhandels auch völlig unrealistischen) Resultat, dass der Einsatz von Elektrowärmepumpen in der Schweiz ein großer Beitrag zum Klimaschutz wäre, in Deutschland jedoch nicht. Es liegt auf der Hand, dass die ökologische Wirkung einer entweder in Deutschland oder in der Schweiz zusätzlich nachgefragten Kilowattstunde genau dieselbe ist. Der Denkfehler besteht in der falschen Annahme, dass für zusätzlich nachgefragte Strommengen derselbe Strommix zur Anwendung käme wie der durchschnittliche Strommix des jeweiligen Landes. In Wirklichkeit wird eine zusätzliche Nachfrage kaum die Produktion von Kernenergie und Wasserkraft vermehren, sondern am ehesten die mit fossilen Energieträgern.

Aus diesen Überlegungen wird klar, dass Klimaschutz mit Elektrowärmepumpen möglich ist, aber nur mit Einschränkungen:

Der hier diskutierte Klimaschutz-Effekt ist der wichtigste Teil einer umfassenden ökologischen Bewertung. Weniger wichtig sind die Emissionen giftiger Schadstoffe in Kraftwerken wie auch bei den zum Vergleich herangezogenen Heizkesseln. Allerdings führt auch hier wieder der Beitrag der Kohlekraftwerke zu relevanten Einflüssen, da dort erhebliche Emissionen z. B. an Schwermetallen wie Quecksilber, Cadmium, Blei und Arsen auftreten.

Literatur

[1]Gerhard Luther, “Anforderungen an einen Wärmepumpentarif”, http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ThOptHz/HLH2011nr09_WP-Tarif_final_6p.pdf, HLH Band 62 Nr. 9 (2011)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Kompressionswärmepumpe, Wärmepumpe, Wärmepumpenheizung, Elektroheizung, Stromtarif, Heizstrom, unterbrechbare Verbrauchseinrichtung, Strommix, Ökostrom, Lastmanagement
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

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