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Wärmepumpen für die Energiewende

Erschienen 2021-01-13 im RP-Energie-Blog (als E-Mail-Newsletter erhältlich!)

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Autor: , RP-Energie-Lexikon, RP Photonics Consulting GmbH

Inhalt: Wärmepumpen können und müssen einen erheblichen Beitrag zur Energiewende im Heizungsbereich leisten. Der Artikel gibt einen Überblick über die Möglichkeiten und Grenzen dieser Strategie.

Rüdiger Paschotta

Eine besondere Herausforderung bei der Energiewende für den Klimaschutz ist der Wärmesektor, und insbesondere die Beheizung von Gebäuden. Es ist klar, dass die Wärmepumpenheizung hierbei eine große Rolle spielen muss, da wir nicht allzu viele andere Lösungen haben. Ein Stück weit können wir zwar Biomasse (insbesondere Holz) für die Substitution fossiler Brennstoffe verwenden, aber die beispielsweise in Deutschland auf nachhaltige Weise gewinnbaren Mengen reichen bei weitem nicht aus, um einen großen Teil des Bedarfs an Erdgas und Heizöl zu ersetzen.

In diesem Artikel möchte ich nun einen kurzen Überblick darüber geben, was die Möglichkeiten und Grenzen einer Wärmepumpen-Strategie sind.

Grundsätzliche Vorteile

Als wichtigster Vorteil der Wärmepumpenheizung wird häufig deren hohe Energieeffizienz angeführt – dass nämlich mit einer Kilowattstunde Strom (als meistens verwendeten Primärenergieträger) mehrere Kilowattstunden Heizwärme gewonnen werden können. Sie werden deswegen vielleicht überrascht sein, wenn ich genau diesen Punkt relativiere: Der scheinbar wundersamen Energievermehrung stehen erhebliche Energieverluste bei der Stromerzeugung gegenüber. (Dies lässt sich auch durch Überlegungen zur Exergie nachvollziehen, was zusätzliche Einsichten ergibt.) Solange die Wärmepumpenheizung beispielsweise mit Strom aus Kohlekraftwerken betrieben wird, ist tatsächlich nicht viel gewonnen. Deutlich besser sieht es bereits bei Gaskraftwerken aus, solange es sich um die in der Mittellast oft verwendeten Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke handelt, weil diese einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweisen. Immerhin ist die Energienutzung damit schon wesentlich effizienter als mit einer Gasheizung.

Wirklich interessant wird es aber erst, wenn Ökostrom verwendet wird. Dieser kann nämlich weitestgehend CO2-frei gewonnen werden, womit die ganze Heizung klimaneutral sein kann. Durch die Energiewende beispielsweise in Deutschland, die selbst von konservativen Bundesregierungen zwar erheblich gebremst, aber nicht auf Dauer aufgehalten werden kann, wird der deutsche Strommix immer “grüner”. Somit werden Wärmepumpenheizungen (mit Elektrowärmepumpe) selbst nach ihrer Errichtung ständig noch umweltfreundlicher.

Grundsätzlich sehe ich den wesentlichsten Vorteil der Heizung mit Elektrowärmepumpe darin, dass man im Lauf der Zeit die Stromerzeugung viel leichter klimaverträglich gestalten kann als eine Vielzahl dezentraler Heizungsanlagen, die auf Brennstoffe angewiesen sind. Während man in grünen Kreisen gerne das Loblied auf die dezentrale Energieversorgung sinkt, erlaubt hier gerade die zentrale Stromversorgung – natürlich mit einem Mix von großen und dezentralen Kraftwerken – eine effektive und vergleichsweise kostengünstige Lösung.

Im Prinzip gilt zwar dasselbe für die Elektroheizung, aber gegen diese spricht natürlich deren Ineffizienz: Sie braucht ein Mehrfaches der Menge elektrischer Energie, verglichen mit der Wärmepumpenheizung, und klimaverträglichen Strom werden wir bis auf weiteres nicht im Überfluss haben. Selbst wenn man seine Elektroheizung also mit Ökostrom decken würde, wäre es sicherlich vernünftiger, z. B. die vierfache Anzahl von Häusern mit der gleichen Strommenge mit Wärmepumpen zu beheizen und entsprechend mehr für das Klima zu erreichen.

Außerdem gibt es noch das Problem der Abgasemissionen dezentraler Heizungsanlagen – ein Stück weit bei Heizöl und Erdgas, aber in viel größerem Ausmaß für Holzfeuerungen (Stichwort Feinstaub und Stickoxide). Zwar können Holzpellets einigermaßen schadstoffarm verbrannt werden, und große Forderungen für Stückholz oder Hackschnitzel können mit effektiven Abgasreinigungsanlagen ausgestattet werden, jedoch wird die Luftqualität vielerorts durch Kleinstforderungen mit Holz massiv verschlechtert. Dies ist leider auch in unserem heilklimatischen Luftkurort Bad Dürrheim mancherorts ein Problem. Mit Wärmepumpen statt Kleinstfeuerungen hätte man dies nicht.

Einsatz von Wärmepumpen im Neubau

Bei Neubauten lässt sich meistens ziemlich problemlos eine Wärmepumpenheizung realisieren. Dies liegt zum guten Teil daran, dass diese nun in aller Regel mit einer Niedertemperatur-Flächenheizung ausgestattet sind – meistens in Form einer Fußbodenheizung, manchmal auch als Deckenheizung oder Wandheizung. Die entsprechend niedrige benötigte Vorlauftemperatur der Heizungsanlage erlaubt dann eine relativ hohe Energieeffizienz der Wärmepumpe, also eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) und einem entsprechend niedrigen Stromverbrauch. Im Idealfall kann die Wärmepumpe eine Wärmequelle auf nicht allzu niedrigem Temperaturniveau nutzen, beispielsweise eine Erdwärmesonde oder eine Grundwassersonde.

Weniger günstig ist der Einsatz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe, da die Außenluft eben gerade dann sehr kalt ist, wenn man die Heizung am meisten benötigt, und auch weil das Problem der wiederum effizienzmindernden Vereisung des Verdampfers (vor allem an feuchten Standorten) auftritt. Jedoch kann auch mit diesem Ansatz eine akzeptable Effizienz erreicht werden, wenn eine bessere Option am jeweiligen Standort nicht zur Verfügung steht.

Beim Neubau eines Wohngebäudes oder auch eines gewerblichen Gebäudes würde ich deswegen in den meisten Fällen eine Wärmepumpenheizung als die beste Lösung ansehen – soweit man gleich den nicht mehr so langen Weg zum Passivhaus geht.

Einsatz in Altbauten

Wesentlich schwieriger ist die Lage in Altbauten – insbesondere in denen, die noch keine energetische Sanierung erfahren haben. Diese brauchen nicht nur sehr viel Heizwärme, sondern dies meist auch noch vor auf einem recht hohen Temperaturniveau, was einen effizienten Wärmepumpenbetrieb sehr erschwert. In vielen Fällen ist eine Sanierung mit nachträglicher effektiver Wärmedämmung (z. B. als Wärmedämmverbundsystem) mehr oder weniger die Voraussetzung für den Umstieg auf eine Wärmepumpe. Dies reduziert auch wesentlich die nötige Vorlauftemperatur, wenn auch meist nicht auf das ideal niedrige Niveau einer Fußbodenheizung. Im Prinzip lässt sich auch eine solche nachrüsten, aber natürlich zu erheblichen Kosten.

Unser eigenes Haus kann hier als Beispiel dienen. Durch eine umfassende energetische Sanierung wurde der Gasverbrauch ca. 3,5-fach reduziert. An den kältesten Tagen kommt man nun mit rund 40 °C Vorlauftemperatur aus. Leider ist aber die Errichtung von Erdwärmesonden hier nicht gestattet, und die Nutzung der Außenluft mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ist schwierig, da es auf gut 700 m Höhe häufig sehr kalt wird. Selbst ein nicht extrem kalten, aber doch nasskalten Tagen ist wegen der Vereisung des Verdampfers ein effizienter Wärmepumpenbetrieb kaum möglich.

Es ist hier also nicht leicht, den letzten Schritt zu einer klimaneutralen Beheizung zu machen. Immerhin ist die Klimabelastung bereits massiv geringer als vor der Sanierung des Hauses; es ist zu hoffen, dass in den nächsten Jahren die Gebäudesanierung vielmehr an Tempo zulegt, um das Problem zumindest ein gutes Stück weit zu mindern.

Ein denkbarer weiterer Schritt wäre die Ergänzung der Gasheizung durch eine Luft/Wasser-Wärmepumpe zu einer bivalenten Anlage. Für einen guten Teil der Heizperiode wären die Betriebsbedingungen für die Wärmepumpe gut genug, und an den anderen Tagen (wie auch für das Warmwasser) müsste eben wieder die Gasheizung einspringen. Grob geschätzt könnten auch an unserem kalten Standort die CO2-Emissionen nochmals halbiert werden, wenn wir die Wärmepumpe mit Ökostrom betreiben. Im nächsten Abschnitt erläutere ich noch einen weiteren Aspekt dieses Ansatzes.

Bivalenter Ansatz und Netzkapazitäten

Wenn in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren eine große Anzahl von Elektrowärmepumpen dazukommt, wird dies einen wesentlichen Einfluss auf die im Winter benötigten Strommengen haben. Luft/Wasser-Wärmepumpen sind hier besonders problematisch, da sie immer gerade dann an Effizienz verlieren, wenn man am meisten Heizwärme benötigt. Günstig ist zwar, dass Windenergie in unseren Breiten im Winter mehr liefert als im Sommer, aber es gibt eben auch dann Windflauten.

Der vermehrte Einsatz bivalenter Wärmepumpen hätte den großen Vorteil, dass diese im Falle von Engpässen der Stromversorgung abgeschaltet werden könnten. Somit könnte ein wesentlich höherer Anteil des Wärmebedarfs mit Wärmepumpen gedeckt werden, schon ohne dass die Kapazitäten der Stromerzeugung massiv ausgebaut werden.

Schon heute wäre es beispielsweise in unserem Haus möglich, Ökostrom zu einem deutlich günstigeren Wärmetarif zu erhalten, der die gelegentliche Abschaltbarkeit über den Stromversorger beinhaltet. Leider krankt dies daran, dass wir dafür einen zusätzlichen Stromzähler bräuchten, was über den dann höheren Grundpreis einen guten Teil der Einsparung zunichte machen würde. Hinzu käme die teure Verlegung einer zusätzlichen Stromleitung von diesem Zähler zur Wärmepumpe, die leider gerade auf der entgegengesetzten Seite des Hauses liegen müsste. Solche Probleme der Wirtschaftlichkeit treten vor allem bei Gebäuden mit relativ geringem Wärmebedarf auf, wo solche Zusatzkosten naturgemäß stärker ins Gewicht fallen.

Wesentlich günstiger würde es aussehen für größere Anlagen, beispielsweise für größere Mehrfamilienhäuser, Hotels, Verwaltungsgebäude etc. Auch Nahwärmenetze können mit Elektrowärmepumpen ausgestattet werden, die zu günstigen Zeiten (bzgl. Temperaturen und momentanem Strompreis) die Wärmeversorgung übernehmen oder ergänzen und damit Emissionen zu günstigen Kosten reduzieren. Mir scheint, dass es hier noch große Potenziale zu nutzen gäbe.

Erschwert wird dieser Ansatz in Deutschland leider dadurch, dass Strom relativ teuer ist, während Öl und Gas momentan noch relativ billig sind. Selbst mit einem Wärmepumpentarife Kleinverbraucher können die Betriebskosten einer Gasheizung kaum unterboten werden, was die Amortisation der Kosten für eine Wärmepumpe sehr schwierig macht. Die Energiepolitik ist also gefordert, einerseits die CO2-Bepreisung endlich entschieden voranzutreiben und andererseits den Wärmepumpenstrom preislich zu entlasten. Eine weitere Aufgabe wäre, eine möglichst gute Integration von vielen Elektrowärmepumpen in der Energieversorgung voranzutreiben – idealerweise in Zusammenarbeit mit der Industrie. Beispielsweise könnte so ein ineffizienter Wildwuchs von Ansätzen vermieden werden bei der Einführung zeitlich variabler Strompreise, die die Energienutzung volkswirtschaftlich besser optimieren würden. Vielleicht bekommen wir ja dieses Jahr noch eine Bundesregierung, die tatkräftig an Lösungen arbeitet anstatt vorwiegend am Bremsen der Energiewende.

Fazit

Wie gezeigt können und müssen Wärmepumpen einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz im Heizungssektor bringen. Während dies für Neubauten relativ einfach realisierbar ist, ist es im Altbaubestand wesentlich schwieriger. Jedoch wird man auch hier mit kreativen, der jeweiligen konkreten Lage angemessenen Lösungen viel erreichen können. Insbesondere sollte der bivalente Ansatz mehr und mehr verfolgt werden, vor allem bei etwas größeren Anlagen. Wenn die Energiepolitik mal richtig loslegt, Werden wir hier sicherlich einiges erreichen können, während es bislang nur recht schleppend vorangeht.

Dieser Artikel erschien als Teil des RP-Energie-Blogs von Dr. Rüdiger Paschotta. Sie können Links auf diese Seite setzen, da ihre Adresse permanent ist, und die Seite auch zitieren. Siehe auch das RP-Energie-Lexikon.

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