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Wie ökologisch arbeiten Wärmepumpen im Bestand?

Folge 7 der Serie «Wärmepumpen im Bestand»

Um die Folgen des Klimawandels abzumildern ist eine drastische Absenkung der CO2-Emissionen unabdingbar. Im Rahmen des »European Green Deal« wurden vor kurzem die europäischen Reduktionsziele von 40% auf 55% bis 2030 verschärft. Aktuellen Studien zufolge ist auch in Deutschland ist eine Verringerung der Treibhausgasemissionen um 65% bis 2030 erforderlich, um das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 erreichen zu können.

Die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung von Gebäuden ist ein zentraler Hebel, um diese Reduktionsziele zu erreichen. Dafür ist auch im Gebäudebestand neben der Verbesserung der Sanierung der Gebäudehüllen – und damit der Absenkung des Wärmebedarfs – die möglichst zügige Umstellung der Wärmeversorgung auf Technologien, die möglichst wenig CO2-Emissionen verursachen und perspektivisch klimaneutral sind, notwendig.

Wie hoch ist die Einsparung an CO₂-Emissionen durch Wärmepumpen im Vergleich zu einer Gasheizung?

Wärmepumpen sind technologisch ausgereift und können schon heute in großer Breite Heizungssysteme ersetzen, die auf fossilen Brennstoffen basieren (wie Erdgas oder Heizöl). Aus diesem Grund gelten Wärmepumpen als ein zentraler Baustein für ein zukünftiges, klimaneutrales Energiesystem.

Die CO2-Einsparung durch den Einsatz elektrisch betriebener Wärmepumpen hängt von zwei Faktoren ab: Der CO2-Intensität des Stroms und der Effizienz der Wärmepumpe. Der erste Faktor gibt an, wie „sauber“ die elektrische Energie erzeugt wird, d.h. wie viel Gramm Kohlendioxid bei der Bereitstellung einer Kilowattstunde Strom emittiert werden. Dieser Wert variiert zwar zwischen unterschiedlichen Regionen und im zeitlichen Verlauf. Es lassen sich aber aussagekräftige Mittelwerte angeben.

Laut Umweltbundesamt sank durch den Zubau von Wind und Photovoltaik und den damit verbundenen Rückgang der Kohleverstromung der spezifische Emissionsfaktor für den deutschen Strommix in den Jahren 1990 bis 2019 von 764 g CO2/kWh auf 401 g CO2/kWh, für 2019 basierend auf vorläufigen und geschätzten Daten. Im Jahr 2020 hat der erneuerbare Anteil bei der Stromerzeugung erstmals die 50% Marke überschritten. Der Trend zu sauberem Strom setzt sich also fort. Zum Vergleich: der Mittelwert für die EU28 Länder liegt bereits unter 300 g CO2/kWh.

Die Grafik zeigt die CO2-Emissionsminderungen von Wärmepumpen in Abhängigkeit von ihrer Effizienz verglichen mit den Emissionen eines Gaskessels unterstützt von einer thermischen Solaranlage für die Warmwasserbereitung. Als Bilanzraum wurde Deutschland im Jahr 2019 sowie 2030 gewählt.

Mit den für die Berechnung zugrunde gelegten Werten erreicht eine Wärmepumpe im Beispiel „Deutschland 2019“ eine CO2-Minderung ab einer Effizienz von 1,7. Im Vergleich dazu liegen die Effizienz-Mittelwerte der Luft- bzw. Erdreichwärmepumpen aus dem Feldversuch im Gebäudebestand mit 3,1 bzw. 4,1 deutlich darüber (siehe Folge 4 dieser Blogserie). Die CO2-Einsparungen liegen bei über 44% bzw. 58%. Die Wärmepumpen sparen demnach schon heute in etwa die Hälfte an CO2-Emissionen gegenüber einer Gasheizung ein.

Selbst die Luftwärmepumpen mit dem schlechtesten Jahresergebnis von 2,5 erreichten immer noch eine CO2-Ersparnis von 33%. Eine aktuelle Auswertung von Luftwärmepumpen für die zwei kalten Februarwochen dieses Jahres hat eine mittlere Effizienz der 17 Anlagen von 2,3 ergeben. Das bedeutet selbst bei isolierter Betrachtung kalter Winterwochen dennoch eine CO2-Einsparung von 27%.

Im zweiten Beispiel „Deutschland 2030“ wurden die Emissionsfaktoren der Stromerzeugung anhand der aktuellen Studie „Klimaneutrales Deutschland 2050“ fortschrieben. Nach Auskunft der Autoren von Prognos liegen die Emissionen der Stromerzeugung danach in 2030 bei 143 g pro kWh. Eine Wärmepumpe mit einer eher geringen Effizienz von 2,5 erreicht dann bereits eine Emissionseinsparung von 76%. Dieser Wert steigt für effizientere Wärmepumpen auf fast 90%. Bei diesem Szenario erreichen selbst ein elektrischer Heizstab mit der Effizienz von 1,0 bereits 40% CO2-Ersparnis.

Die Grafik verdeutlich noch einen Aspekt. Je effizienter die Wärmepumpe oder je geringer der Emissionsfaktor der Stromerzeugung desto weniger steigen die CO2-Ersparnisse bei gleichzeitiger wachsender Effizienz. In Zahlen ausgedrückt – eine Effizienzsteigerung der Wärmepumpe von 2,5 auf 3,5 im Jahr 2019 bedeutet knapp 20% weniger CO2 Ausstoß.

Eine Steigerung ebenfalls um 1,0 (von 3,5 auf 4,5) im dem gleichen Jahr reduziert diesen lediglich um ca. 10%. Da die CO2 Einsparungen im Jahr 2030 ohnehin auf einem sehr hohen Niveauliegen, führt eine Effizienzsteigerung der Wärmepumpe um 2,0 (von 2,5 auf 4,5) lediglich zu ca. 10% Treibhausgasreduktion gegenüber 30% Einsparung im Jahr 2019. Allerdings sinkt mit zunehmender Effizienz der Wärmepumpe der Stromverbrauch, was mit Blick auf die Kosten für den Verbraucher und die begrenzten Potentiale für die Erzeugung erneuerbaren Stroms in Deutschland ebenfalls ein wichtiges Ziel ist.  

Anders ausgedrückt wird aus rein ökologischer Betrachtung die Effizienz der Wärmepumpe in Zukunft weniger wichtig werden. Das bedeutet allerdings nicht, dass die Effizienz für die ökonomische Bewertung von Wärmepumpen nicht wichtig bleibt. Dieser Fragestellung werden wir uns in der nächsten Folge widmen.

Zusammengefasst wir deutlich, dass der Einsatz von Wärmepumpen zu einer deutlichen CO2-Emissionsminderung gegenüber fossil betriebenen Heizungssystemen, wie z.B. Gaskesseln, führt. Mit dem Zubau erneuerbarer Stromgewinnung werden sich diese Einsparungen noch verstärken. Die Effizienzergebnisse aus den Feldstudien zeigen, dass die Ersparnisse sowohl im Neubau als auch im Altbau problemlos erreichbar sind.

Diese Blogserie geht in eine zweiwöchige Osterpause, um dann in Folge 8 einen näheren Blick auf die Heizkosten in Bestandsgebäuden zu werfen.

Zum Weiterlesen:

Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 – 2019, CLIMATE CHANGE 13/2020, Umweltbundesamt: https://www.umweltbundesamt.de/en/publikationen/entwicklung-der-spezifischen-kohlendioxid-6

Überblick über die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen.

Teil 6 der Serie «Wärmepumpen im Bestand»: Wie gut haben sich Wärmepumpen in teilsanierten und unsanierten Gebäuden in der Praxis bewährt?

Teil 5 der Serie «Wärmepumpen im Bestand»: Wie stark verringert der Einsatz eines Heizstabs die Effizienz von Wärmepumpen?

Titelbild: Häuschen neben den Eisenbahnschienen im Stuttgarter Westen mit Luft-Wasser-Wärmepumpe. Ein Referenzobjekt des Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V. © BWP.

Dieser Blogbeitrag wird finanziell durch die Stiftung Klimaneutralität unterstützt.

 

Marek Miara

Marek Miara

Marek Miara verfügt über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien. Am Fraunhofer ISE arbeitet er bereits seit 18 Jahren, gegenwärtig ist er dort als „Business Developer Heat Pumps“ tätig. Er ist Master-Absolvent der Technischen Universität Breslau (2000) sowie der Universität Kassel (2004). Im Jahr 2014 promovierte er an der Technischen Universität Breslau.
Neben nationalen Projekten betreute er internationale EU-Projekte und Aktivitäten im Rahmen von IEA - Heat Pump Technologies. Für Annex 50 (Heat Pumps in Multi-Family Buildings for Space Heating and DHW) wurde ihm die Rolle des „Operating Agent[s]“ anvertraut. Zudem ist er Mitglied bei mehreren Gremien des VDI (Verband Deutscher Ingenieure), Vorstandsmitglied der Deutschen Gesellschaft für Kälte- und Klimatechnik (DKV), Vorstandsmitglied des Europäischen Wärmepumpenverband (ehpa) sowie Mitbegründer der polnischen Wärmepumpenverbandes (PORT PC).

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