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Energie & Umwelt

Pumpen fürs Klima

Wärmewende Teil 2

Der massive Einsatz von Wärmepumpen kann ein wirksamer Hebel sein, um den CO2-Ausstoß des Gebäudesektors deutlich zu reduzieren. Trotzdem wird diese bewährte Technik in Bestandsgebäuden bislang wenig beachtet. Das scheint sich nun zu ändern.

Rund 100 Jahre ist es her, da begann der Siegeszug des Kühlschranks. Erst in den USA, dann in Europa gehört er zur elementaren Ausstattung jedes Hauses. Denn sein Prinzip ist ebenso einfach wie nutzbringend: Ein Kühlschrank entzieht dem Innenraum Wärme und gibt sie nach außen ab. Sein technisches Gegenstück, die Wärmepumpe, ist fast ebenso alt. Sie nutzt dasselbe, zuverlässige Prinzip – nur umgekehrt: Eine Wärmepumpe entzieht dem Außenbereich Wärme und nutzt sie im Inneren des Gebäudes zum Heizen. Trotzdem sind Wärmepumpen bei uns längst nicht so selbstverständlich wie Kühl- und Gefriergeräte. In Zeiten des intensiven Ringens um jedes gesparte Gramm Kohlendioxid scheint sich das zu ändern. Denn die Technologie kann einen entscheidenden Beitrag zur Wärmewende leisten.

Wärme aus der Umgebung

Eine Wärmepumpe treibt den Kreislauf eines Kältemittels an. Das nimmt Umgebungswärme auf und gibt diese zum Heizen wieder ab (siehe Kasten). Wärmepumpen gibt es in unterschiedlichen Größen und angepasst an unterschiedliche Medien, denen sie Wärme entziehen können und an die sie die Wärme dann abgeben. Eine Luft-Luft-Wärmepumpe zum Beispiel entzieht verbrauchter Raumluft Wärme und überträgt sie an angesaugte Frischluft. Wenn die Wärme der Außenluft auf einen Wasserkreislauf übertragen wird, spricht man von einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Das klappt mit Einschränkungen auch bei Minusgraden. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt entweder Erdkollektoren, die oberflächennah verlegt werden und über ihre großen Flächen thermische Energie aufnehmen. Oder sie verwendet Erdsonden, die in einer Tiefe von 40 bis 100 Metern thermische Energie gewinnen. Und Wasser-Wasser-Wärmepumpen arbeiten mit Grundwasser, das liefert das ganze Jahr über konstante Temperaturen von mehr als zehn Grad Celsius.

Primärenergie besser nutzen

Ulrich Haselbeck, Spezialist für kommunale Energielösungen bei den Lechwerken Augsburg rechnet vor, warum das Wärmepumpen-Prinzip dem Verbrennen fossiler Energieträger deutlich überlegen ist: „Bezogen auf den Primärenergieeinsatz – also auf die Menge an Energie, die am Anfang des Prozesses zur Verfügung steht – arbeitet eine durchschnittliche Wärmepumpe zwei- bis dreimal so effizient wie ein Gasbrennwertkessel“. Aber nicht nur wegen dieser hohen Effizienz gelten Wärmepumpen als technische Heilsbringer. Ihr großer Vorteil liegt darin, dass sie keine fossilen Brennstoffe benötigen, wenn sie mit Grünstrom betrieben werden. „Wärmepumpen sind aktuell der wohl wichtigste Hebel, um die Dekarbonisierung des Gebäudesektors zu erreichen“, urteilt Haselbeck.

Ulrich Haselbeck, Lechwerke Augsburg
„Wärmepumpen sind aktuell der wohl wichtigste Hebel, um die Dekarbonisierung des Gebäudesektors zu erreichen.“
Ulrich Haselbeck, Lechwerke Augsburg

Hohes CO2-Einsparpotenzial

Auch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE kommt in einem Update zur Studie „Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem 2050“ zu dem Schluss, dass „Wärmepumpen, eingesetzt in Haushalten oder zur Versorgung von Fernwärmenetzen, ab sofort zu einer Schlüsseltechnologie für die Wärmeversorgung werden müssen.“ Heute kommen in den rund 20 Millionen Wohngebäuden in Deutschland immer noch zu über 90 Prozent fossile Brennstoffe zum Einsatz. Laut dem Bundesumweltamt gehen so 20 Prozent aller CO2-Emissionen in Deutschland auf die Bereitstellung von Warmwasser und vor allem Raumwärme zurück. Das entspricht etwa 120 Millionen Tonnen pro Jahr. Eine Studie zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors des Bundesverband Wärmepumpe (bwp) rechnet vor, dass bis zu 25 Millionen Tonnen CO2 gespart werden könnten, wenn in Deutschland bis 2030 etwa sechs Millionen Wärmepumpen ihre Arbeit aufnähmen.

Davon ist Deutschland allerdings noch weit entfernt: Im Jahr 2020 waren lediglich etwas mehr als eine Million Wärmepumpen installiert – immerhin rund 120.000 mehr als im Vorjahr. Für das Erreichen der Klimaziele aber müssten laut aktuellen Klimastudien bereits im kommenden Jahr zwei Millionen Wärmepumpen installiert sein. Bei Neubauten dominieren die effizienten Anlagen bereits, und auch bei Bestandsimmobilien denken die Hausbesitzer mittlerweile um: Etwa jede zweite Wärmepumpe, die heute eingebaut wird, ersetzt eine fossile Heizungsanlage. Im Jahr 2020 wurden 30.000 Ölkessel gegen eine Wärmepumpe ausgetauscht.

Heizen mit Grünstrom

Einer stärkeren Ausbreitung von Wärmepumpen stehen vor allem zwei Hürden entgegen. Zum einen die immer noch hohen Anschaffungskosten: Während eine Gasheizung mit 6.000 bis 10.000 Euro zu Buche schlägt, müssen Hausbesitzer je nach Bauart und ausgehend von einem 140 Quadratmeter großem Einfamilienhaus mit 4-Personen-Haushalt mit Kosten zwischen 15.000 und 30.000 Euro rechnen. Dazu kommen eventuell noch Kosten für die Dämmung, denn Wärmepumpen funktionieren nur in gut gedämmten Häusern, da sie Gebäude nicht so stark aufheizen wie eine konventionelle Heizungsanlage. Die zweite Hürde ist der Stromverbrauch. Je nach Bauart benötigt eine Wärmepumpe in einem Einfamilienhaus zwischen 2.500 und 6.000 kWh Strom pro Jahr. Und zwar Ökostrom, denn sonst wird die CO2-Einsaprung für den Klimaschutz zur Milchmädchenrechnung. Alle Prognosen, die Wärmepumpen als Schlüsseltechnologie der Wärmewende erklären, gehen deshalb zwingend von einem starken Ausbau regenerativer Energien aus. Gelingt ein Öko-Anteil von 65 Prozent am Strommarkt, würden Wärmepumpen laut bwp rund 80 Prozent der CO2-Belastung eines Heizölkessels einsparen.

Solarzellen aufs Dach

„Produziert werden soll der Ökostrom für die Wärmepumpe im Keller idealerweise auf dem eigenen Dach“, betont LEW-Energiespezialist Haselbeck. „Die Eigenverbrauchsquote selbsterzeugten Stroms könnte dann von jetzt rund 40 Prozent auf bis zu 80 Prozent steigen.“ Das wäre ein zusätzliches Geschäft für Hausbesitzer, denn der Eigenverbrauch von Strom ist besonders lohnend. Wenn die Wärmepumpen noch mit einem thermischen Speicher ausgestattet werden, können sie sogar dazu beitragen, im Stromnetz Lasten auszugleichen.

Wärmepumpen als Stromspeicher

Wie das funktionieren kann, zeigt ein Projekt, dass der Hersteller von Heiztechnik Viessmann und der Netzbetreiber TenneT gestartet haben: Sie nutzen den Umstand, dass Wärmepumpesysteme die von ihnen erzeugte Wärme zunächst an einen Heißwasser-Speicher abgeben, also „auf Vorrat“ produzieren können. So können das Erhitzen des Wassers und der Verbrauch von Wärme zeitlich auseinanderfallen. Wenn das Stromnetz aufgrund guter Windverhältnisse oder starker Sonneneinstrahlung entlastet werden muss, könnten Wärmepumpen den überschüssigen Strom nutzen und Wasser auf Vorrat erhitzen. Um diesen Vorteil großflächig zu nutzen, bündeln die Unternehmen Hunderte Wärmepumpen und Stromspeicher zu virtuellen Kraftwerken, die bei einer Überproduktion größere Mengen Energie aufnehmen und so verhindern, dass erneuerbarer Strom „weggeworfen“ werden muss. Noch stecken Projekte wie diese in den Kinderschuhen. Aber von dem Nutzen sind Experten überzeugt. Schon in wenigen Jahren könnten Wärmepumpen dann nicht nur die Wärmewende, sondern auch die Stromwende ein gutes Stück voranbringen.

Das Prinzip Wärmepumpe

Wärmepumpen machen sich das Gesetz der Entropie zunutze. Es besagt, dass zwei Objekte unterschiedlicher Temperatur so lange ihre thermische Energie austauschen, bis beide Objekte dieselbe Temperatur haben. In Wärmepumpen kommt ein Kältemittel mit niedriger Siedetemperatur zum Einsatz. Es nimmt die Wärme der Umgebung auf und verdampft dabei. Weil die Temperatur des so entstandenen Dampfs nicht reicht, um einen Raum zu heizen, wird er mit Hilfe eines durch Strom angetriebenen Verdichters komprimiert. Der Dampf erwärmt sich dadurch weiter. Erreicht er eine bestimmte Temperatur, überträgt ein Wärmetauscher die Wärmeenergie des Dampfs auf Heizwasser. Danach kühlt das Kältemittel ab, der immer noch hohe Druck wird durch ein Entspannungsventil geleitet, der Dampf und der Vorgang beginnt von vorne.

Serie Wärmewende

Ohne Wärmewende keine Energiewende: Über 50 Prozent des Energieverbrauchs in Deutschland entfällt auf Wärme: zum Heizen, für Warmwasser oder als sogenannte Prozesswärme, die zum Beispiel in der Industrie zum Trocknen oder Schmelzen gebraucht wird.

Während im Stromsektor der Anteil erneuerbarer Energien auf die 50-Prozent-Marke zusteuert und im Verkehrssektor die E-Mobilität Fahrt aufnimmt, hinkt der Wärmesektor hinterher. Bestandgebäude sind schlecht gedämmt, beim Heizen kommen immer noch überwiegend Öl und Gas zum Einsatz.

In unserer Serie stellen wir Ideen zum Neudenken der Wärmeversorgung vor.


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