Wärmepumpen weit vorn

Effiziente Technologien zur Wärmerzeugung auf dem Prüfstand

Nach Plänen des BMWK sollen bis 2030 bis zu 6 Mio. Wärmepumpen neu installiert werden. Dieser verstärkte Rollout der Technologie ist ein wichtiger Baustein für das Erreichen der Klimaneutralität in Deutschland. Allerdings herrscht im Markt nach wie vor Skepsis darüber, wie effizient Wärmepumpen bei der Wärmeversorgung im Gebäudesektor sind und ob es ökonomisch sinnvoll ist, auch in Bestandsgebäuden auf die Technik zu setzen. Nachfolgend zeigen theoretische und praktische Beispiele, wie mit erneuerbarem Strom ein Gebäude am effizientesten beheizt werden kann und welche Effizienz die Wärmepumpe bereithält.

Im Rahmen der Energiewende und der Einhaltung des 1,5-Grad-Klimaschutzpfads wird Deutschlands Energieversorgung grundlegend umgestellt: Weg von fossilen Brennstoffen, hin zu erneuerbaren Energien und mehr Energieeffizienz. Der schnelle und massive Ausbau der erneuerbaren Energien ist heute mehr denn je entscheidend, um die Energieversorgung Deutschlands perspektivisch unabhängiger von Kohle-, Gas- und Ölimporten zu machen. So wurde ein noch schnellerer Ausbau der erneuerbaren Stromversorgung angekündigt: Statt bis 2050 soll der Strom in Deutschland schon bis 2035 „nahezu vollständig aus erneuerbaren Energien stammen“.

Bausteine der Energiewende

Drei wesentliche Bausteine zeichnen den Weg der Energiewende:

1. Der Energiebedarf muss gesenkt werden, durch effizientere Gebäude und die Sanierung bestehender Gebäude sowie durch die Änderung des Verbraucherverhaltens.

2.  Die Nutzung der effizientesten Technologie in der Mobilität, bei Produktionstechniken und in der Wärme- und Kälteerzeugung ist ebenfalls entscheidend, um die Ziele zu erreichen.

3. Die Energieerzeugung soll ausschließlich aus erneuerbaren Energien/Quellen wie Wind, Solar, Wasserkraft, Tiefengeothermie, Biomasse erfolgen. Diese zu 100 % regenerative Energie muss den aktuellen Strombedarf decken, gleichzeitig die Wärmepumpen und den elektrischen Straßenverkehr versorgen. So werden im Rahmen der Sektorenkopplung die Strom-, Wärme- als auch der Mobilitätssektor miteinander verbunden.

Elektrischer Strom ist die Universal-Energie der Zukunft. Diese regenerativ erzeugte Energie muss möglichst effizient genutzt werden – vor allem auch beim Heizen. Aktuell werden in Deutschland ca. 770 TWh Wärmeenergie pro Jahr verbraucht, um Gebäude zu beheizen. Ein Großteil davon kann mittels Strom, Fernwärme, Biomasse, Solarthermie und Tiefengeothermie bereitgestellt werden. Die potentiellen Ausbaustufen liegen hier bei 220 TWh/a. Ein großer Anteil – nämlich 500 TWh/a – werden aktuell noch fossil erzeugt. Dass die Wärmeversorgung der Gebäude in Deutschland ab 2035 vollständig durch erneuerbare Energien gesichert werden kann, begleitet durch eine drastische Senkung des Heizenergiebedarfs durch verstärkte Gebäudesanierung, zu diesem Ergebnis kommt eine aktuelle Studie des Wuppertal Instituts im Auftrag von Greenpeace.

Technologien zur Wärmerzeugung auf dem Prüfstand

Doch wie kann Wärme am effizientesten erzeugt werden? Anhand der Berechnungen von Werner Schenk (Hochschule München) lässt sich aufzeigen, wie mit 10 kWh erneuerbaren Strom ein Gebäude am effizientesten beheizt werden kann.

1. Ein möglicher Ansatz zur Wärmeerzeugung ist die Power-to-gas Technik: Wasserstoff wird mittels Elektrolyse und grünem Strom produziert und in das vorhandene Gasnetz eingespeist. Aus 10 kWh Strom können so 7 kWh Wärme mittels Gasbrennwerttechnik hergestellt werden.

2. Etwas effizienter arbeitet eine Brennstoffzelle. Diese nutzt das Gas und stellt Wärme (3,6 kWh) und Strom (5,2 kWh) bereit. Hier steht am Ende eine Energiemenge von 8,8 kWh.

3. Ein dritter Ansatz ist die Verwendung des grünen Gases in einem Gaskraftwerk: Hier wird aus 7 kWh auch Strom und Wärme produziert. Der Strom wird in das Netz eingespeist und Wärmepumpen können daraus sehr effizient Wärme produzieren. Am Ende stehen insgesamt 20,5 kWh Wärmeenergie zur Verfügung.

4. Der vierte von Schenk betrachtete Fall ist eine Wärmepumpe. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird in der Jahresarbeitszahl (JAZ) angegeben. Diese Zahl bezeichnet konkret das Verhältnis von produzierter Wärmemenge für Heizung und Warmwasser (pro Jahr) und der dafür eingesetzten Strommenge. Im hier genannten Beispiel wurde eine Wärmepumpe mit einer JAZ von 4,5 betrachtet, die mit 10 kWh regenerativem Strom 45 kWh Wärmeenergie erzeugt. Und selbst bei einer JAZ von 3,5 ist die Wärmepumpe immer noch die effizienteste Lösung.

Es zeigt, dass die Wärmepumpe die effizienteste Technologie ist, um den vorhandenen Strom für die Produktion von Wärme zu nutzen.

CO2-Emissionen im Vergleich

Neben dem Energieverbrauch von Gebäuden müssen künftig auch ihre CO2-Emissionen maßgeblich gesenkt werden. Etwa 75 % der Wohnflächen in Deutschland werden heute noch mit fossilen Brennstoffen beheizt. In den kommenden Jahren müssen auch diese Wohnungen vollständig durch CO2-freie Wärme versorgt werden. Je schneller es gelingt, die Treibhausgas-Emissionen durch energetische Gebäudesanierung und den Ausstieg aus fossilen Öl- und Gasheizungen dauerhaft zu reduzieren, desto schneller erreichen wir das Ziel der Klimaneutralität. Auch bei den CO2-Emissionen schneidet die Wärmepumpe eindeutig am besten ab. Bei der Nutzung von (10 kWh) Erdgas als Primärenergie emittiert eine Wärmepumpe mit der JAZ 4,5 im Vergleich zu einer Gastherme 149 kg/kWh weniger CO2. Durch die Nutzung von 100 % Ökostrom wird der CO2-Austoß der Wärmepumpe auf 0 kg/kWh gesenkt.

Wärmepumpen eignen sich für alle Gebäudetypen

Der Einsatz von Wärmepumpen für das thermische Energiemanagement ist mittlerweile in nahezu allen Gebäudetypen möglich – vom Einfamilienhaus bis zu Gewerbegebäuden, auch im unsanierten Altbau. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat mit seinen Felduntersuchungen von Wärmepumpenanlagen im Laufe der letzten 20 Jahre gezeigt, dass es möglich und notwendig ist, Wärmepumpen ökologisch und ökonomisch auch erfolgreich in Bestandswohngebäuden einzusetzen. Die Ergebnisse der Feldtests zeigen deutlich, dass Wärmepumpen in der Lage sind, auch in nicht sanierten oder nur geringfügig sanierten Bestandsgebäuden die notwendige Wärme zu liefern. Wobei die Wärme­erzeuger effizient genug sind, um klare ökologische Vorteile gegenüber fossil betriebenen Heizkesseln zu erzielen. Das ist ein wichtiger Hebel für die Erreichung der Klimaziele, denn in Deutschland stehen den jährlich etwa 100.000 Neubauten ca. 19 Mio. Bestandsbauten gegenüber.

Zu den modernen Wärmepumpen­systemen, die besonders leistungsfähig sind und damit sowohl im Neubau als auch in Bestandsgebäuden wirkungsvoll eingesetzt werden können, zählt z.B. die „Daikin Altherma 3 H HT“. Sie weist hohe Effizienzwerte auf und schafft Vorlauftemperaturen von bis zu 70 °C. Sie eignet sich somit auch für den Betrieb mit bestehenden Heizkörpern. Das Gerät schafft aufgrund eines speziellen Kompressors mit Doppeleinspritzung die Vorlauftemperatur von 70 °C rein aus der Verdichter Leistung ohne Heizstab. Bei hohen Außentemperaturen läuft der Verdichter nicht auf Vollleistung. Er ist so ausgelegt, dass er erst bei niedrigen Außentemperaturen seine volle Leistung liefert.

Beispiel aus der Praxis: ca. 1.000 € weniger Energiekosten

Wie eine Wärmepumpe eine Gas-Brennwertheizung effizient ersetzen kann, zeigt ein Beispiel im südlichen Niedersachen. Familie Freitag hatte eine klimafreundliche und zukunftsfähige Heizungslösung gesucht und wollte die Versorgung ihres Hauses auf erneuerbare Energien umstellen. Gleichzeitig wollten sich die Hauseigentümer im Hinblick auf die Stromversorgung mit Hilfe einer Photovoltaikanlage autark von steigenden Energiekosten machen. Das aus dem Jahr 1968 stammende Haus mit einer Wohnfläche von 140 m² wurde 2013 von den jetzigen Besitzern gekauft. Im selben Jahr wurde das Haus auch teilweise renoviert und neue Heizkörper wurden eingebaut. Das alte Heizsystem, eine 22 Jahre alte Gas-Brennwertheizung mit einer Nennleistung von 22 kW wurde im November 2020 gegen eine Luft-Wasser-Wärmepumpe des Typs „Daikin Altherma 3 H HT“ mit 14 kW Leistung getauscht. Allerdings wurden keine weiteren Modernisierungsmaßnahmen am Haus vorgenommen und die bestehende Wärmeverteilung mit Heizkörpern wird weiterhin genutzt. Im April 2021 wurde zusätzlich eine 12,6 kWp Photovoltaikanlage mit einem 9,8 kWh Energiespeicher installiert.

Die Hauseigentümer haben in den vergangenen Heizperioden sowohl den Gasverbrauch als auch den Wärmepumpenverbrauch aufgezeichnet: Dem Verbrauch der Gasheizung mit 18.600 kWh (14.11.2018 bis 15.11.2019) stehen 5.300 kWh Stromverbrauch (20.11.2020 bis 20.11.2021) der Wärmepumpe gegenüber. Rechnet man die Verbräuche mit den Grundversorgungspreisen (Preise Stand Januar 2022) um, so ergibt sich eine deutliche Kosteneinsparung. Die JAZ der Wärmepumpe beträgt in diesem Fall 3,46. Durch die PV Anlage ist der gesamte Stromverbrauch für den Haushalt auf 800 € reduziert.

Durch Wärmepumpe zur Klimaneutralität

Betrachtet man die genannten Studien, Praxisbeispiele und Berechnungen, dann wird deutlich dass die Wärmepumpen-Heizung in einer CO2-freien Energiewirtschaft sowohl aus wirtschaftlichen Gründen als auch unter Effizienzgesichtspunkten nachweislich eine zukunftsfähige Wahl darstellt. Hinzukommt, dass ein Gebäude in Hinblick auf die Stromversorgung mit der Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage autark sein kann. Mit Blick auf die aktuelle weltpolitische Lage ist das ein weiterer wichtiger Punkt, der für die Wärmepumpe spricht.

Gebäudedaten:
Baujahr Haus: 1968

Wohnfläche: 140 m²
Grundstück: 860 m²

Betriebsart: Heizkörper
Altes Heizsystem: Gasbrennwert (22 kW)

Neues Heizsystem: „Daikin Altherma 3 H HT“ (14 kW)
Anzahl der Personen: 4

Inbetriebnahme Wärmepumpe: 20. Nov. 2020
Im April 2021 wurde zusätzlich eine Photovoltaikanlage mit

einem Energiespeicher installiert: 12,6 kWp Solarkollektoren, 9,8 kWh Elektrospeicher


*) Der hier zu Grunde gelegte Strompreis ist überdurchschnittlich hoch. Der durchschnittliche Wärmepumpentarif liegt in Deutschland bei 25 Ct./ KWh, wodurch sich eine noch höhere Einsparung gegenüber der Gas-Brennwertheizung ergibt.

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