Die Energiewende weg von den fossilen Energieträgern und hin zu den sogenannten Erneuerbaren wie Windkraft, Solarstrom, Wasserkraft und Biomasse ist in Deutschland gesetzt. In der Politik wird das Programm der Energiewende an sich und der spezifisch deutsche Weg dahin kaum noch hinterfragt.
Dabei ist für jedermann mit Sachverstand klar, dass Wind und Sonne allein die Stromversorgung eines Industrielandes zu vertretbaren Kosten nicht gewährleisten können. Ohne sehr große und damit unbezahlbar teure Speicher oder Backup-Kraftwerke ist das nicht zu machen. Die einseitige Fokussierung auf Wind- und Solarstrom führt zur Destabilisierung des Stromnetzes und zu einer hohen Versorgungsunsicherheit und treibt den Strompreis dauerhaft nach oben. Billiger Strom als Folge der Energiewende ist eine Mär.
Die deutsche Energiewende ist im internationalen Vergleich ein Sonderweg. Es gibt keine namhafte Industrienation, die ihre Energieversorgung ähnlich einseitig auf die volatile Stromproduktion mit Sonne und Wind umzubauen beabsichtigt und dafür sogar bereit ist, gleichermaßen ihre Wirtschaftskraft aufs Spiel zu setzen und eine intakte Natur und Umwelt zu opfern.
Deutschland ist ein energiepolitischer Geisterfahrer!
Wir sind nicht Vorreiter, sondern für die Welt das Negativbeispiel schlechthin, das niemand nachzuahmen gedenkt.
Die Tragik der deutschen Energiewende liegt darin, dass ihre eifrigsten Unterstützer die denkbar geringste Ahnung von der Materie und der Komplexität der Zusammenhänge haben. Es ist doch keine Frage, dass man mittelfristig aus fossilen Energieträgern aussteigen muss. Das erfordert einen konstruktiven, die Wirtschaftskraft erhaltenden Plan und dessen schrittweise Umsetzung. Dabei ist es hilfreich, technologieoffen zu bleiben und keine eindimensionalen und noch dazu dysfunktionalen Lösungen zu verfolgen. Zu den kontraproduktiven „Lösungen“ kann man mit gutem Recht z.B. auch die Errichtung von Windrädern in Schwachwindgebieten zählen.
Unterdessen erschöpft sich die grüne Energie– und Wirtschaftspolitik in der sturen Fokussierung auf Windräder und dem substanzlosen Versprechen zukünftig paradiesischer Zustände. Bezüglich der Regulatorik und dem Erlassen von Verboten leistet leider auch die EU einen unrühmlichen Beitrag.
Betrachten wird zunächst die Kosten des Netzausbaus.
Gegenbüber der vorherigen Abschätzung verhält sich das folgendermaßen:
Übertragungsnetz
Alte Kalkulation: 209 Mrd. Euro bis zum Jahr 2037
Neue Kalkulation: 300 Mrd. Euro bis 2045
Verteilnetz
Alte Kalkulation: 42,3 Mrd. Euro bis 2032
Neue Kalkulation: 150 Mrd. Euro bis 2045
Summe Netzausbaukosten = 450 Mrd. €
Kosten für den Ausbau von Windkraft und Photovoltaik
Natürlich werden die Gesamtkosten für die Energiewende deutlich höher liegen. Diese Kosten abzuschätzen ist keine Raketenwissenschaft. Der Rechengang ist einfach nachvollziehbar.
Die durchschnittliche deutsche Strom-Leistungsanforderung liegt bei ca. 70 GW (= 70 Millionen Kilowatt). Der jährliche Bedarf beläuft sich auf 500 – 600 TWh (= 500 – 600 Milliarden Kilowattstunden).
Solar Freifläche ca. 135 GW (+125 GW / +1100 %) = 125 Mrd. €
Solar Dachfläche ca. 300 GW (+230 GW / +350 %) = 230 Mrd. €
Summe Ausbaukosten Wind und Solar = 790 Mrd. €
Dabei wurden die folgenden überschlägigen Durchschnittskosten pro Megawatt installierter Leistung angenommen:
Wind offshore – 4 Mio. €
Wind onshore – 1,5 Mio. €
Solar Freifläche – 1 Mio. €
Solar Dachfläche – 1 Mio. €
Kosten für die Bereitstellung der Speicher
Speicher und Backup-Kraftwerke sind in dieser Betrachtung noch nicht enthalten.
Aktuell (2024) verfügen wir über Speicher in sozusagen homöopathischer Dosis (etwa 70 GWh, ausreichend für 1 Stunde Notreserve).
Die (Batterie-) Speicherkosten liegen nach heutigen Preisen bei ca. 1.000 € pro kWh. Benötigt werden (je nach Speicherstrategie / Backupstrategie und akzeptierter Importabhängigkeit) mindestens 1.500 bis 10.000 GWh. Der Speicherbedarf macht daher noch einmal zusätzliche 1.500 bis 10.000 Mrd. Euro aus.
Wenn wir sehr optimistisch von einem Preisverfall für Speicher auf 100 € pro kWh ausgehen, dann landen wir bei zusätzlich 150 – 1.000 Mrd. Euro.
In Summe belaufen sich die Gesamtkosten der Energiewende somit auf mindestens etwa 1.400 bis 2.250 Mrd. €.
Abhängig von der Ressourcenverfügbarkeit und der Entwicklung der weltweiten Rohstoffpreise könnten die Kosten aber auch deutlich höher liegen: 1.750 bis 4.250 Mrd. €, also knapp 2.000 bis über 4.000 Mrd. €.
Hinzu kommen noch die Kosten für den Bau und die permanente Betriebsreserve der kombinierten Gas– und H2–Kraftwerke im Backup sowie für die Wasserstoff–Infrastruktur (Elektrolyseure, Speicher). Diesen Posten lassen wir einstweilen noch außen vor.
Resümee
Mit dem Gegenwert einer „Kugel Eis“, wie der Grüne Trittin mal meinte und wohl auch Habeck bis gestern noch dachte – und viele Grüne noch immer glauben – wird das also nicht zu machen sein.
Windräder, Solarmodule und Speicher können nicht wesentlich länger als 20 – 25 Jahre betrieben werden. So werden z.B. bis 2045 viele der heute Strom liefernden Windkraftanlagen ersetzt werden müssen. Die daraus resultierenden Erneuerungskosten sind in der Überschlagsrechnung nicht berücksichtigt. Ebenfalls ausgeklammert sind die (zu erwartenden) Preissteigerungen aufgrund von steigender Nachfrage und Inflation.
Ist die Wärmepumpe zum jetzigen Zeitpunkt das richtige Heizsystem für Deutschland? Macht ein Verbot bzw. ein Tauschzwang für Gasheizungen Sinn? Wird die CO2-Emission wirksam gesenkt? Und ist der finanzielle Aufwand dafür unter allen Gesichtspunkten – wirtschaftlich und klimapolitisch – vernünftig?
Es wird gezeigt, dass der Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen unter den gegebenen Umständen in der großen Perspektive weder wirtschaftlich ist noch überhaupt eine nennenswerte klimapolitische Wirkung entfaltet. Darüber hinaus wird dargelegt, mit welchen Maßnahmen die CO2-Emissionen wirksam und effizient reduziert werden können.
Der deutsche Strommix im internationalen Vergleich
Gehen wir noch einmal zurück auf den Anfang und betrachten den Strommix diverser europäischer Länder im Vergleich (s. Abb. 6-1).
Abbildung 6-1: Ländervergleich zu den spezifischen CO2-Emissionen im Strommix (2022). Der globale Mittelwert ist 55 % höher als der EU-Mittelwert, welcher seinerseits in etwa auf den Niveau des deutschen Emissionsfaktors liegt. Die beiden roten Dreiecke am Balken für Deutschland markieren den spezifischen CO2-Emissionswert, der ohne die Kohleverstromung in Deutschland entstehen würde.
Wir hatten ja schon in Teil 1 (Energiewende, Stromproduktion und CO2-Emission) festgestellt, dass die spezifische CO2-Emission im deutschen Strommix mit über 400 g/kWh recht hoch ist. Das gilt auch im Vergleich mit vielen europäischen Nachbarländern. Der Grund dafür sind die immer noch erheblichen Anteile fossiler Energieträger in der Stromerzeugung. In Frankreich, das man gut mit Deutschland vergleichen kann, liegen die spezifischen CO2-Emissionen nur bei etwa 80 g/kWh, also einem Fünftel des deutschen Wertes. Selbstredend könnte die CO2-Belastung auch hierzulande niedriger sein, z.B. dann, wenn sich Deutschland in 2011 nicht für den Atomausstieg sondern für den Ausstieg aus der Kohle entschieden hätte. Ohne Frage wäre das unter dem Aspekt des Klimaschutzes der richtige Schritt gewesen.
Reduzierung der CO2-Emissionen durch Kernkraft statt Kohle
Im Diagramm (s. Abb. 6-1) ist der Balken für Deutschland mit zwei roten Dreiecken an der Stelle des Emissionswerts markiert, der ohne die Kohleverstromung entstehen würde. Natürlich bräuchte man jetzt und hätte man auch schon während der vergangenen 12 Jahre einen Ersatz dafür benötigt. Das hätte z.B. die Kernenergie sein können. Um den entsprechenden Emissionswert von ca. 115 g/kWh zu erreichen, wäre es erforderlich gewesen, in 2022 ca. 200 TWh Strom mit Kernenergie statt durch Kohleverstromung zu produzieren. Das entspricht in etwa der Leistungsfähigkeit von 20 Kernkraftwerken (in Frankreich sind über 50 AKWs in Betrieb). Bei geeigneter zeitlicher Vorplanung, dem Umsetzungswillen und dem Verzicht auf die Abschaltung sicherer Meiler wäre es also machbar gewesen. Immerhin waren in 2010 noch 17 deutsche Atomkraftwerke in Betrieb.
Und wie steht‘s mit Windkraft? Wäre nicht auch das eine Option gewesen?
Reduzierung der CO2-Emissionen durch Windkraft statt Kohle
Aktuell verfügen wir über ungefähr 30.000 Windräder, die bei einer installierten Leistung von 65 GW etwa 120 TWh Strom pro Jahr produzieren. Alternativ könnte man die fehlende Strommenge von 200 TWh selbstverständlich auch mittels Windkraft erzeugen. Dazu benötigt man zusätzlich zu den bestehenden Anlagen weitere etwa 20.000 Groß-Windkraftanlagen der 5 Megawatt-Klasse. Das entspricht einer zusätzlich installierten Leistung von 100 GW. Auch dies wäre eine Option gewesen. Sie setzte indessen den Neubau von täglich zwischen 4 und 5 solcher Windräder voraus. Und dies permanent seit 2011. Damit es ganz klar wird: Hierzu wäre der Bau von 20.000 zusätzlichen Windkraftanlagen über die in diesem Zeitraum erstellten etwa 15.000 Windräder hinaus erforderlich gewesen. Fraglos ein sehr ambitioniertes Ziel, vielleicht auch eine zu große Herausforderung, aber grundsätzlich möglich.
Ressourcenbedarf für Windkraft
Ganz grob kann man den erforderlichen Materialaufwand für 20.000 Windräder folgendermaßen abschätzen: 4,5 Mio. t Stahl, 21 Mio. Kubikmeter Beton, dazu Hunderttausende Tonnen Kupfer, Aluminium und Glas. Den Flächenbedarf dafür ergibt sich bei einem mittleren Abstand von 500 m (ca. 4 Propellerdurchmesser) auf etwa 5.000 Quadratkilometer (≈ 1,4 % der Landesfläche). Die Kosten für dieses Unterfangen darf man auf 100 Mrd. € taxieren.
Nach diesen Zahlen muss man wohl einschränken, der Bau dieser zusätzlichen 20.000 Windräder war allenfalls eine theoretische Option. Nur zur Erinnerung: Wir reden hier über die Zeitspanne von 2011 bis 2022. Es war die Zeit, in der auch der neue Berliner Flughafen wiederholt nicht fertiggestellt werden konnte. Eigentlich hätte er in 2010 eröffnet werden sollen. Die Inbetriebnahme wurde sieben Mal verschoben. Letztlich wurde der Flughafen erst im Oktober 2020 nach 14-jähriger Bauzeit eröffnet. Und da ging es nur um einen Bruchteil des Materialaufwands und der Investitionssumme.
Wind statt Kohle und Kernkraft? In 2023 nur Wunschdenken!
Aus dem Vorstehenden wird klar: Windkraft im Jahre 2023 als Alternative für Kohle und den Ausstieg aus der Kernkraft in 2011 ernsthaft ins Feld zu führen, verkennt die die Realitäten des Landes. Deutschland war weder organisatorisch noch in der praktischen Durchführung zu dieser Transformation imstande.
Reduzierung der CO2-Emissionen durch intelligentes Handeln
Sinnvoll und praktikabel wäre natürlich auch eine Kombination aus dem forcierten Ausbau der Windkraft und dem intelligenten Weiterbetrieb möglichst vieler sicherer Atomkraftwerke gewesen. Wie bereits erwähnt, waren im Jahre 2010 noch 17 Kernkraftwerke in Betrieb, 8 davon wurden, in 2011 abgeschaltet, drei weitere in 2015, 2017 und 2019. Mit dem Weiterbreitrieb dieser Anlagen hätte man wertvolle Zeit für den kontinuierlichen und realistisch machbaren Windkraft- und Photovoltaikausbau gewonnen. Gleichzeitig wäre es möglich gewesen, auf die Kohleverstromung weitgehend zu verzichten. Auch bei einer Absage an den Neubau von Atomkraftwerken hätte so die CO2-Emission im Strommix ohne Weiteres auf etwa 200 g/kWh verringert werden können.
Von allen denkbaren Optionen hat sich Deutschland in 2011 allerdings für die mit dem größten CO2-Ausstoß entschieden. Deswegen liegen wir heute eben immer noch bei über 400 g/kWh, statt bei dem mittels Kernkraft und dem forcierten Ausbau von Wind- und Solarenergie erreichbaren Emissionswert von nur gut 100 g/kWh.
Die Atom-Ausstiegsentscheidung war ein gravierender strategischer Fehler, wie sich spätestens in 2022 in aller Schärfe zeigte. Er hat Deutschland im Hinblick auf die Energie- und Klimapolitik wesentlicher Optionen beraubt und in die einseitige Abhängigkeit von Gaslieferungen und in die Kohleverstromung geführt.
Mit dem Atomausstieg verhält es sich geradewegs so, als hätte man sich dafür entschieden, kein alkoholfreies Bier mehr zu trinken. Und weil der Körper ja doch Flüssigkeit benötigt, konsumiert man zum Ausgleich mehr Schnaps.
Was bedeutet das alles für die Wärmewende?
Nun nehmen wir noch einmal den Blick auf den Ländervergleich. Wir fragen nach den Konsequenzen für den Umstieg von Öl- und Gasheizungen auf das Heizen mit Wärmepumpen. Die Frage zielt also direkt auf die Wärmewende. In Abb. 6-2 ist zusätzlich eine gepunktete Linie eingetragen. Sie markiert die Nutzenschwelle für das Heizen mit Luft-Wasser-Wärmepumpen unter Berücksichtigung der Kostenszenarien und der Minimalforderung an die Effizienz von 200 % (COP-Wert = 2). Warum 360 g/kWh? Ganz einfach, Gas wird mit etwa 182 g/kWh gerechnet (s. Teil 1 (Energiewende, Stromproduktion und CO2-Emission), Abb. 1-12).
Abbildung 6-2: Ländervergleich zu den spezifischen CO2-Emissionen im Strommix (2022). Die beiden roten Dreiecke am Balken werden beim Text zu Abb. 6-1 erläutert. Man erkennt, dass Länder mit einem hohen Anteil an Kernkraft und/oder Wasserkraft besonders niedrige CO2-Werte aufweisen. Das andere Ende besetzen die Staaten ohne Kernkraft bei einem gleichzeitig hohen Anteil an fossilen Energieträgern. Die gepunktete Linie markiert die Nutzenschwelle für die Heizung mit Luft-Wasser-Wärmepumpen unter Berücksichtigung der Kostenszenarien und der Minimalforderung an die Effizienz von 200 % (COP-Wert = 2).
Sofern die spezifischen Emissionsfaktoren deutlich über 400 g/kWh liegen, bringen Wärmepumpen im Hinblick auf die CO2-Bilanz nahezu nichts, oder nur sehr wenig. Unterhalb der Schwelle kann man mit nennenswerten Einsparungspotentialen rechnen. Dabei muss man indessen noch berücksichtigen, dass es sich bei dem angegebenen Wert für die spezifische CO2-Emission um den rechnerischen Mittelwert handelt. Im Hinblick auf den Strombedarf von Wärmepumpen, der ja begreiflicherweise im Winter besonders hoch, liegt die relevante CO2-Emission höher. In Deutschland sind es im entsprechend der Heizlast gewichteten Durchschnitt etwa 480 g (s. Teil 1, Abb. 1-6, Teil 3, Abb. 3-3).
Wo Wärmepumpen Sinn machen, und wo nicht
Wie man dem Diagramm entnehmen kann, sind demnach Wärmepumpen in Ländern wie Italien, Spanien, Portugal, Ungarn, Großbritannien, Dänemark, Österreich, Schweiz, Finnland, Frankreich, Norwegen, Schweden uneingeschränkt zu empfehlen. Augenfällig dabei: Insbesondere in den Kernkraft-und-Wasserkraft-Ländern ist das CO2-Einsparungspotential gegenüber der Beheizung mit Gas riesig. Sinnvollerweise sind daher Wärmepumpen in vielen dieser Länder auch jetzt schon stark verbreitet (s. [31]). Umgekehrt ist das Heizen mit Wärmepumpe in Polen, Griechenland und Tschechien sogar kontraproduktiv, jedenfalls ohne PV-Stromnutzung. Deutschland ist ein Grenzfall. Wärmepumpen ohne PV bringen wenig bis nichts und sind trotzdem extrem teuer, Wärmepumpen inkl. Solarstrom können zumindest zu erwähnenswerten CO2-Einsparungen führen.
Bekannte Befürworter des Ausbaus von Windkraft und Solarstrom, zugleich meist auch Gegner der Kernenergie, werben, ohne auch nur einen Augenblick zu zögern und die CO2-Bilanz zu hinterfragen, für die Wärmepumpe und ziehen gegen Gasheizungen zu Felde. Und in Talkrunden echauffieren sich Journalisten mit einer allenfalls oberflächlichen Kenntnis der Zusammenhänge in der Oberlehrer-Pose über Politiker, Handwerker und Bürger, die gegen die Pläne des Wirtschaftsministeriums die Stimme erheben. Immer wieder werden dabei Dänemark oder Norwegen als Beispiele dafür genannt, dass die Wärmewende doch funktioniert.
Schauen wir also einmal genauer hin, was es damit auf sich hat.
Wärmepumpen in Norwegen
Wenn es sogar in Norwegen funktioniert, warum dann nicht bei uns?
Tatsächlich werden in Norwegen 60 % aller Gebäude mit Wärmepumpen beheizt, in Deutschland sind es nur 3 %. Es sind aber nicht zwanzigmal so viele Wärmepumpen im Vergleich zu Deutschland in Betrieb, wie im Artikel ([s. 22]) behauptet wird, sondern 40 % mehr (1,4 Mio. WP zu 1 Mio.). Klar, für ein kleines Land wie Norwegen ist das viel. Allerdings sind die Voraussetzungen in Norwegen völlig anders als in Deutschland. In Norwegen werden vor allem Erdwärmepumpen verbaut, weil für Luft-Wasser-Wärmepumpen die Winter zu kalt sind. Die Rahmenbedingungen in Deutschland sind nicht vergleichbar. Erdwärmepumpen haben hier nur einen geringen Marktanteil. Unter anderem auch deswegen, weil die behördliche Genehmigung für Erdbohrungen in vielen Fällen nicht erteilt wird. Davon abgesehen sind die Kosten dafür enorm hoch (meist mehrere 10.000 € zusätzlich nur für die Bohrung) und die Amortisierungszeit wird entsprechend lang.
Es gibt aber noch einem weiteren wesentlichen Unterschied zwischen Deutschland und Norwegen. Norwegen hat einen hohen Anteil an grünem Strom aufgrund der im Überfluss vorhandenen Wasserkraft (90 % der Stromerzeugung). Der Strom ist daher nur mit einem sehr geringen CO2-Ausstoß belegt (s. Abb. 6-2). Deshalb macht das Heizen mit Wärmepumpen in Norwegen absolut Sinn. Die CO2-Emissionen im Vergleich zum Heizen mit Gas oder Öl können tatsächlich wirksam reduziert werden. Dabei ist das auch wirtschaftlich, weil zugleich der Strompreis in Norwegen nur bei etwa 4 – 6 ct pro kWh liegt. In Deutschland ist beides nicht der Fall: Der Strom ist mit einer hohen CO2-Emission belastet (im Durchschnitt sind es zwischen 400 und 500 g pro kWh) und zudem ist der Strom auch noch 6- bis 10-mal teuer als in Norwegen.
Rechenbeispiel zum Vergleich Norwegen – Deutschland
Nehmen wir für die konkrete Gegenüberstellung ein Einfamilienhaus mit einem Wärmebedarf von 20.000 kWh. Selbst wenn für die Heizung eine Wärmepumpe mit einen jahreszeitlich gemittelten überdurchschnittlich guten COP-Wert von 3,6 (= Jahresarbeitszahl [JAZ]) zum Einsatz kommt, so liegt der jährliche Stromverbrauch somit bei 5555 kWh (= 20.000 kWh / 3,6). Im jahreszeitlich gewichteten deutschen Strommix müssen dafür 480 g CO2 pro kWh angesetzt werden. In Summe sind das also 2.666 kg CO2 (= 5555 kWh * 0,48 kg/kWh). Bei einem Strompreis von 45 ct/ kWh belaufen sich daher die Heizkosten auf 2.500 €.
Nun zum Vergleich die Zahlen aus Norwegen. Die CO2-Emission im Strommix liegt bei gerade einmal 17 Gramm pro kWh, der Strompreis bei 6 ct pro kWh. In der Jahressumme kommen wir somit im Beispiel auf heizungsbedingte CO2-Emissionen von 94 kg (= 5.555 kWh * 0,017 kg/kWh) und Gesamtkosten von 333 € (= 5.555 kWh * 0,06 €/kWh).
Äpfel und Birnen
Der Vergleich ist ernüchternd: In Deutschland sind die CO2-Emissionen 28-mal größer und die Kosten sind 8-mal höher. Kann es angesichts dessen verwundern, dass Wärmepumpen in Norwegen das Heizsystem der Wahl sind und umgekehrt in Deutschland die Leute eher skeptisch reagieren? In diesem Zusammenhang sei die Frage erlaubt: Sind die in Talkrunden sich zu Wort meldenden Journalisten (z.B. Markus Feldenkirchen vom Spiegel, Ulrike Herrman von der taz) und die präsentierten Experten (Volker Quaschning, Claudia Kemfert) einfach nur uninformiert oder verschweigen sie die Fakten ganz bewusst?
Nach diesem Rechenexempel sollte nun klar sein, warum Wärmepumpen in Norwegen sowohl im Hinblick auf das Klima als auch wirtschaftlich höchst sinnvoll sind. Sie sind CO2-sparend und punkten mit niedrigen Betriebskosten. Und es sollte auch deutlich geworden sein, dass wir in Deutschland völlig andere Voraussetzungen haben. Der Einsatz von Wärmepumpen macht hier aus dem Klimablickwinkel sehr viel weniger Sinn, weil unser Strom hoch mit CO2 belastet ist. Und aufgrund des hohen Strompreises ist die Wärmepumpe (zumindest ohne Photovoltaik) oft auch unwirtschaftlich. Wenn also platt gesagt wird, in Norwegen funktioniert das doch, warum gibt es hier denn so viel Widerstand gegen ein Gasheizungsverbot, dann gibt es dafür gute Gründe. Völlig anders würde es aussehen, wenn wir einen hohen Anteil an Kernenergie hätten, wie oben ausgeführt wurde.
Hypothetisches Alternativszenario
Machen wird dazu folgende Skizze: Gehen wir aus von einem theoretischen Strommix mit 50 % Erneuerbaren (Wind und PV, ca. 28 g CO2 pro kWh) sowie 50 % Atomstrom (ca. 12 g CO2 pro kWh). Auf dieser Basis würde die CO2-Belastung bei etwa 20 g pro kWh liegen. Ohne die bürokratischen Regulierungen könnte man den Strompreis auf das europäische Durchschnittsniveau von 20 ct pro kWh bringen. Damit hätten wir im obigen Beispiel im ungünstigsten Fall eine Jahresemission von nur noch 155 kg CO2 (= 5.555 kWh * 0,028 kg/kWh). Und das zu den noch absolut vertretbaren Kosten von 1.111 € (= 5.555 kWh * 0,2 €/kWh), die genügend Spielraum für die wirtschaftliche Amortisation der Investition ließe. Im Vergleich zur realen Situation in Deutschland würden die Kosten somit bei nur 44 % liegen, zugleich wären die CO2-Emissionen 17-mal geringer.
Abbildung 6-3: Hypothetisches Übergangsszenario bei einem Ausstieg aus der Kohle statt aus der Kernkraft mit einem Fifty-Fifty-Anteil Atomstrom und Erneuerbare (Wind und Photovoltaik) und einer resultierenden CO2-Emission im Strommix von 20 – 100 Gramm pro Kilowattstunde.
Selbst wenn wir den oben abgeschätzten höheren CO2-Emissionswert von ca. 100 g/kWh bei einem Weiterbetrieb der 2010 vorhanden gewesenen Kernkraftwerke (ohne neue AKWs) zugrunde legen würden, würde sich der jährliche heizungsbedingte CO2-Ausstoß im Beispiel auf weniger als 600 kg belaufen. Das ist weniger als ein Viertel der tatsächlich zu erwartenden Emission von 2.666 kg.
Resümee zum Vergleich mit Norwegen
Ist in Norwegen alles Gold, was glänzt? Auf den ersten Blick scheint es so! Hinzu kommt, Norwegen verzeichnet einen Anteil von 50 % an Elektrofahrzeugen unter den Kfz-Neuzulassungen. Das dürfte nicht zuletzt auch in dieser Hinsicht am billigen Strom liegen. – Gibt es da keine dunkle Seite?
Doch, die gibt es. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass Norwegen seine Energie- und Wärmewende mit dem Export von Öl und Gas finanziert hat und dies immer noch tut. Die Erdölförderung beläuft sich auf etwa 100 Mio. t pro Jahr (2021), beim Erdgas sind es ca. 120 Mio. Kubikmeter. Diese enormen Mengen entsprechen einer CO2-Emission von ungefähr 500 Mio. Tonnen pro Jahr. Geradezu gigantisch ist daher die rechnerische Pro-Kopf-Emission an CO2: es sind etwa 100 t, die allerdings nicht in Norwegen emittiert sondern sozusagen exportiert werden.
Öl und Gas sind für Norwegen als Wirtschaftsgüter viel wertvoller als in der schnöden Öl- oder Gasheizung im eigenen Land. Auch volkswirtschaftlich ist die Wärmpumpe für Norwegen daher absolut ein Gewinn.
Das Beispiel Norwegen zeigt daher vor allem eines: Es macht Sinn, von langer Hand zu planen und die Interessen des Landes und seiner Bürger in den Vordergrund zu rücken. Denn: Wer bei der Rettung der Welt erfolgreich sein will, muss zuallererst an sich selbst denken, sonst ergeht es ihm wie dem Hanns Guck-in-die-Luft im Struwwelpeter.
Die Situation in Deutschland
Die Rolle des Hanns bleibt in diesem Falle Deutschland mit seiner angestrebten Energie- und Wärmewende vorbehalten. Der Ausstieg aus der Kernenergie und damit zusammenhängend der langjährige Weiterbetrieb der Kohleverstromung und der Gasverstromung haben uns in eine energiepolitische Sackgasse mit hohen Energiepreisen, hohen CO2-Emissionen und begrenzten Handlungsoptionen manövriert.
Die Verfügbarkeit von Atom- statt Kohlestrom wäre geradezu ein „Gamechanger“, ein Wegbereiter für die flächendeckende Verbreitung von Wärmepumpen und in der Folge einer effektiven Reduzierung des CO2-Ausstoßes. So aber verlagern wir mittels Wärmepumpen die CO2-Emission i. W. nur von der heimischen Gasheizung ins Gas- oder Kohlekraftwerk, denn Wind- und Solarstrom leisten auf absehbare Zeit nur einen begrenzten Anteil an effektiver CO2-Reduzierung, weil sie gerade dann knapp sind, wenn der größte Bedarf an Wärmepumpen-Strom zum Heizen besteht.
Kosteneffizienz der CO2-Reduzierung
Gehen wir zurück auf die Frage nach der Sinnhaftigkeit des angedachten Verbots von Gasheizungen. Wir wollen den Komplex von zwei Seiten beleuchten. Zunächst geht es um die Betrachtung aus der Perspektive des Bürgers, also des Verbrauchers. Darüber hinaus spielt aber auch die Frage der Wirksamkeit und der Effizienz der von staatlicher Seite eingesetzten Fördermittel eine Rolle.
Rekapitulation des Zahlengerüsts
In Teil 3 (CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude) haben wir für das Beispielobjekt (das wir als eher unkritisch ansehen dürfen) ein CO2-Einsparungspotential ohne PV von 12 %, entsprechend 441 kg bestimmt. Das ist zweifellos ein Gewinn, er ist aber vergleichweise klein. Dies gilt vor allem angesichts der nötigen Investitionen für die Wärmepumpe in Höhe von 45.000 € inkl. Installation im Vergleich zur Gasheizung (17.500 €). Auch nach Abzug der Förderung bleibt eine Differenz in Höhe von 11.750 € (s. Teil 4 (Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung), Abb. 4-2).
Nehmen wir die Zahlen als exemplarisch für viele reale Situationen. Manchmal wird die Konstellation günstiger sein (Haus mit besserer Effizienzklasse als C, im Mittel höhere Außentemperaturen, COP der WP größer als 3, vielleicht niedrigere Strompreise), in anderen Fällen ungünstiger (Haus im Bestand mit Effizienzklasse schlechter als C, D oder E, hohe Vorlauftemperaturen erforderlich, COP-Wert 3 oder darunter, hohe Strompreise aufgrund der Netzentgelte und Gasverstromung).
Die effektive CO2-Einsparung
Ausgehend von dieser Annahme können wir die CO2-Einsparung für das als typisch angesehene Musterhaus mit einem Wärmebedarf von 20.000 kWh leicht bestimmen. Über eine Betriebszeit von 20 Jahren ergeben sich gegenüber der Beheizung mit Gas die in Abb. 6-4 dokumentierten Werte. Bei der Wärmepumpe ohne PV liegt die CO2-Einsparung bei knapp 9 t. Mit über 30 Tonnen wesentlich größer ist die Einsparung bei Solarstromnutzung.
Abbildung 6-4: CO2-Einsparung im Vergleich zur Gasheizung über eine Betriebszeit von 20 Jahren. Bei der Gas-Brennwerttherme kommt die Einsparung ausschließlich über die Photovoltaikanlage mit einer angenommenen Verringerung des Heizbedarfs mit Gas von 10 % zustande. Die Alternative „Wärmepumpe ohne PV“ führt zu einer Reduzierung von 12 %. Ist eine PV-Anlage mit einer angenommenen PV-Strom-Nutzung von etwa einem Drittel vorhanden, ergibt sich eine Reduzierung der CO2-Emissionswerte von über 40 % (s. Teil 3CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude, Abb. 3-9).
Auf den ersten Blick scheinen das doch recht ansehnliche Umfänge zu sein. Das relativiert sich indes, wenn man auf die Säule für die Gastherme mit Heizstab (also Warmwasseraufbereitung ausschließlich mit PV-Strom) schaut. Auch in diesem Falle ergibt sich eine Reduzierung der CO2-Emission in Höhe von 7,5 Tonnen, also nicht sehr viel weniger als mit der Wärmepumpe (ohne PV), bei allerdings deutlich geringeren Investitionskosten. Dazu kommen wir später.
Der Effekt der CO2-Bepreisung
Werfen wir zunächst noch einen Blick auf die resultierenden Kosten aufgrund der CO2-Bepreisung. Es wird ja immer wieder darauf hingewiesen, dass das Heizen mit Gas gerade wegen der CO2-Preise künftig deutlich teurer werden wird. Nun kann man die Gaspreise kaum vorhersagen, aber für die CO2-Bepreisung gibt es zumindest einen Plan. Aktuell müssen für die Tonne CO2 30 € entrichtet werden. Ab 2026 soll der Wert bei 65 € pro Tonne liegen. Wenn wir vom letzteren Wert ausgehen, so ergeben sich über den angenommenen Betrachtungszeitraum von 20 Jahren die in Abb. 6-5 aufgezeigten Werte.
Abbildung 6-5: Gesamte Einsparung gegenüber der Gasheizung aufgrund der CO2-Bepreisung bei einer Betriebszeit von 20 Jahren. Der Referenzwert für die Gasheizung (Einsparung 0 €) ist ganz links dargestellt. Die anderen drei Säulen geben an, wieviel man bei der Entscheidung für eines der alternativen Heizsysteme insgesamt spart. Die Höhe einer Säule ergibt sich durch die Multiplikation des CO2-Preises je Tonne mit der jeweils eingesparten CO2-Emission (s. Abb. 6-4).
Die Einsparpotential bei der Alternative Wärmepumpe mit PV liegt bei etwa 2.000 €. Ohne PV sind es knapp 600 €. Der Gasbrenner mit Heizstab bringt es auch noch auf knapp 500 €. Das sind letztlich erstaunlich geringe Beträge. Sogar im ersten Fall reden wir hier von gerade einmal 100 € pro Jahr, im Falle der Wärmepumpe ohne PV sogar nur von 30 € pro Jahr. Der Kostenvorteil durch die CO2-Besteuerung des eingesparten Brennstoffs ist demnach letztlich vernachlässigbar. Mit anderen Worten: Die Entscheidung für eine Wärmepumpe, gleich ob mit oder ohne PV, kann man mit dem Verweis auf die CO2-Bepreisung nicht seriös begründen. Das ist ein Posten, der kaum ins Gewicht fällt. Sehr viel gravierender sind die Investitionskosten pro Tonne erzielter CO2-Einsparung. Das nehmen wir in Abb. 6-6 näher in den Blick.
Die Investitionseffizienz aus der Perspektive des Verbrauchers
Abbildung 6-6: Investitionskosten pro Tonne erzielter CO2-Einsparung mit dem Fokus auf die Kostenanteile der Verbraucher. Für die drei Alternativen wurden die jeweils erforderlichen Zusatzinvestitionen in Bezug gesetzt zu dem erzielten Einspareffekt betreffend der CO2-Emissionswerte (s. Abb. 6-4). Die Säulenhöhen ergeben sich als Division aus den Investitionskosten und der Höhe der CO2-Einsparung. Zum Vergleich sind die geltenden CO2-Preise je Tonne im Diagramm markiert.
Es fällt auf, dass die spezifischen Investitionskosten pro Tonne CO2-Einsparung in allen drei Fällen ein Vielfaches der CO2-Preise ausmachen. Damit wird augenfällig, dass der maßgebliche Faktor pro oder kontra Wärmepumpe oder Gasheizung nicht die CO2-Bepreisung, sondern die Höhe nötigen Zusatzinvestition darstellt.
Mit dem Fokus auf die erzielbare CO2-Einsparung steht der wirtschaftlich und klimapolitisch denkende Verbraucher an dieser Stelle letztlich vor folgender Entscheidung: Soll er auf die Wärmepumpe umsteigen und 1.300 € pro Tonne CO2-Einsparung zahlen oder lieber doch bei der Gasheizung bleiben und dann 65 € je Tonne des zusätzlichen CO2-Ausstoßes entrichten? Im ersten Falle zahlt er 20-mal mehr als im zweiten. Wie wird er sich entscheiden?
Wie setzt man das verfügbare Kapital so ein, dass eine maximale, oder zumindest doch eine möglichst hohe Wirksamkeit hinsichtlich der resultierenden CO2-Minderung eintritt?
Bewertung der Maßnahmeneffizienz
Der Schwenk von der Gasheizung auf die Wärmepumpe (ohne PV) kann angesichts der obigen Zahlen (s. Abb. 6-6) kaum als Kandidat für einen effizienten Kapitaleinsatz gelten. Das sieht man sofort ein, wenn man auf dieser Basis den Kapitalaufwand in Bezug auf die durchschnittlichen jährlichen CO2-Emissionen pro Kopf errechnet. Der CO2-Ausstoß pro Kopf liegt in Deutschland bei ca. 8 Tonnen pro Jahr. Sofern man also mit einer ähnlich „effizienten“ Maßnahme wie der Installation einer Wärmepumpe ohne PV die CO2-Emission auf null drücken möchte wäre dafür ein jährlich anfallender rechnerischer Kapitalaufwand von über 10.000 € erforderlich (≈ 1.300 €/t* 8 t). Für ganz Deutschland somit 840 Mrd. €. Jedes Jahr aufs Neue. Das wäre nicht nur höchst ineffizient, das wäre auch mit den größten Anstrengungen nicht leistbar.
Auch wenn man die Wärmepumpe mit PV als Vergleichsmaß heranzieht, kommt man noch auf 4.000 € pro Kopf und Jahr und demzufolge jährlich 340 Mrd. € für ganz Deutschland.
Um das Argument richtig zu verstehen, muss man sich an dieser Stelle nochmals klarmachen, dass es hier lediglich um die Bewertung der Maßnahmeneffizienz geht. Es wird hier nicht gesagt oder auch nur in den Raum gestellt, man könne oder müsse mit den besprochenen Maßnahmen die CO2-Emission in Deutschland vollständig reduzieren. Auch der angenommene 20-jährige Betrachtungszeitraum der Investition ist für die Bewertung nicht von Belang.
Die volkswirtschaftiiche Investitionseffizienz
Wir müssen den Bogen noch etwas weiter schlagen, denn die Kosten auf Seiten der Verbraucher sind ja nur ein Teil des Ganzen, Um das Bild zu vervollständigen, dürfen die Kosten der staatlichen Fördermaßnahmen nicht außen vor bleiben. Rechnet man beides zusammen, so erhält man die volkswirtschaftlichen Kosten. Der Einfachheit halber lassen wir dabei den Verwaltungsaufwand beiseite.
Abbildung 6-7: Investitionskosten pro Tonne erzielter CO2-Einsparung aus volkswirtschaftlicher Sicht. Für die drei Alternativen wurden die jeweils erforderlichen Zusatzinvestitionen in Bezug gesetzt zu dem erzielten Einspareffekt betreffend der CO2-Emissionswerte (s. Abb. 6-4). Die Säulenhöhen ergeben sich als Division aus den Investitionskosten (Verbraucheranteil plus Förderung) und der Höhe der CO2-Einsparung. Die Alternative Gasbrenner plus Heizstab wird nicht gefördert, deswegen sieht man im Vergleich zu Abb. 6-6 keine Änderung, da der Verbraucher bereits alle Kosten trägt.
Verglichen mit der Verbrauchersicht (s. Abb. 6-6) liegen die Investitionskosten pro Tonne erzielter CO2-Einsparung für die Wärmepumpe ohne und mit PV in der volkswirtschaftlichen Perspektive mehr als doppelt so hoch.
Auch hier stellt sich mit dem Fokus auf die klimapolitische Wirkung die Frage nach der erzielbaren CO2-Einsparung. Macht es volkswirtschaftlich gesehen Sinn, auf die Wärmepumpe umzusteigen (mithin diese Transformation mit Steuergeld zu fördern) und 3.000 € pro Tonne CO2-Einsparung zu investieren?
Ist das ein effizienter Kapitaleinsatz im Hinblick auf die Erreichung der Klimaziele?
Und wenn wir die Wärmepumpe mit PV betrachten: Ist es sinnvoll, ist es effizient, für diesen Umstieg 1.000 € pro Tonne erzielter CO2-Einsparung zu investieren? Auf jeden Fall kann man sagen, dass die Einbeziehung von Photovoltaik effizienter ist als die bloße Förderung der Wärmepumpe ohne PV. Sie ist sogar um den Faktor 3 effizienter.
Aber auch hier: Ist das ein effizienter Kapitaleinsatz im Hinblick auf die Erreichung der Klimaziele?
Bewertung der volkswirtschaftlichen Maßnahmeneffizienz
Deutschland emittiert pro Jahr in Summe etwa 666 Mio. Tonnen CO2 (2022). Wir können die berechnete volkwirtschaftliche Investitionseffizienz nach Abb. 6-7 auf dieser Basis zu bewerten, indem wir nach der Höhe des erforderlichen Kapitalaufwands fragen, der nötig ist, um die gesamten deutschen CO2-Emissionen einzusparen. Im Falle der Wärmepumpe ohne PV wäre das ein jährlich anfallender rechnerischer Kapitaleinsatz für die Volkswirtschaft von 2.000 Mrd. € (≈ 3.118 €/t* 666 Mio. t). Wenn wir auf die effizientere Maßnahme der Wärmepumpe mit PV blicken, dann ergibt sich rechnerisch ein volkswirtschaftlicher Kapitaleinsatz von knapp 700 Mrd. € (≈ 1.026 €/t* 666 Mio. t).
Man kann unschwer erkennen. dass ein Kapitalaufwand in dieser Dimension außerhalb des Machbaren liegt. Immerhin reden wir hier im ersten Fall von der Hälfte des deutschen Bruttoinlandsprodukts (BIP) und im zweiten Fall von der Größenordnung des jährlichen deutschen Steueraufkommens.
Wir können diesen Aspekt noch genauer beleuchten und alternative Maßnahmen wie den Bau von Windrädern, Photovoltaikanlagen und Atomkraftwerken ins Auge fassen. Dazu betrachten wir die Umkehrung des diskutierten Maßes und fragen nach dem CO2-Einsparungspotential bezogen auf die investierte Summe unter Einbeziehung der Lebenszykluskosten.
Die klimapolitische Effizienz im Vergleich zu alternativen Maßnahmen
Zunächst müssen wir die summarischen Stromerträge für die alternativen Maßnahmen bezogen auf den Kostenaufwand abschätzen.
Bei der Windkraft kann man grob mit einer Investitionssumme etwa 1 Mrd. € pro Gigawatt installierter Leistung rechnen, dies entspricht einem mittleren Stromertrag von ca. 2 TWh/a. Bezüglich Solarstrom und Kernkraft ergeben sich ähnliche Werte (s. Tab. 6-1).
Stromerzeugung
Leistung [GW] pro 1 Mrd. € Invest
Stromertrag [TWh/a] pro 1 Mrd. € Invest
Windkraft
≈ 1
≈ 2
Photovoltaik
≈ 1
≈ 1
Kernkraft
≈ 0,2
≈ 1,6
Investitionskosten bei der Stromerzeugung
Tabelle 6-1: Installierte Leistung und erwarteter jährlicher Stromertrag (in Deutschland) bei einer Investition von 1 Mrd. Euro.
Vorstehend wurden nur die Investitionskosten berücksichtigt. Über den kompletten Lebenszyklus fallen indes noch weitere Kosten an (Betriebskosten, Wartung, Sicherheit, Rückbau), die sich letztlich auf den Strompreis und damit auch auf den Stromertrag bezogen auf die eingesetzten Mittel niederschlagen.
Stromerzeugung
Gestehungskosten [ct/kWh]
Stromertrag [TWh] pro 1 Mrd. €
Windkraft
≈ 4 – 12 (8 – 16)
≈ 8 – 25 (6 – 12)
Photovoltaik
≈ 3 – 11 (7 – 15)
≈ 9 – 33 (7 – 14)
Kernkraft
≈ 10 – 34
≈ 3 – 10
Stromgestehungkosten (Invest plus Folgekosten) und Stromertrag
Tabelle 6-2: Stromgestehungkosten (Investition plus Folgekosten) und insgesamt erwarteter Stromertrag pro 1 Mrd. Euro. Bei Wind und Solar sind in Klammern die Werte unter Berücksichtigung der erforderlichen Speicherkosten angegeben. Die tatsächlichen Kosten hängen von vielen Faktoren ab, deswegen muss man hier mit Schwankungsbreiten rechnen. Insbesondere bei der Kernkraft findet man in der Literatur Angaben die teilweise unterhalb, manchmal aber auch deutlich oberhalb der angegebenen Grenzen liegen. Das ist dadurch begründet, dass vielfach auch sachfremde Aufwendungen in die Kosten eingerechnet werden.
Annahmen zu den Speicherkosten und den rechnerischen CO2-Emissionen
Zur Höhe der angesetzten Speicherkosten folgende Anmerkung: Nach einer groben Abschätzung dürfte der dafür zusätzlich aufzuwendende Betrag bei mindestens 4 ct/kWh liegen. Dazu kommt man unter der realistischen Annahme einer im Minimum nötigen Speicherkapazität von 0,8 % des Verbrauchs und spezifischen Speicherkosten von min. 100 € pro kWh. Pro Kilowattstunde Stromproduktion mit Wind oder Solar wären das also 8 Wh und somit 80 ct verteilt auf eine Nutzungszeit von 20 Jahren. Bezogen auf den deutschen Jahresverbrauch von ca. 500 TWh entspricht dies einer Speichergröße von 4 TWh. Der genaue Wert der erforderlichen Speicherkapazität hängt ab vom Grad der angestrebten Unabhängigkeit von Importen und der Verfügbarkeit von nicht wetterabhängigen Energiequellen. Sofern man eine 100-prozentige Autarkie anstrebt, müssen mindestens 3 % des Verbrauchs, also 30 Wh pro Kilowattstunde gespeichert werden können. Für ganz Deutschland wären dies etwa 15 Terawattstunden. Bezüglich der Kernkraft fallen natürlich keine Speicherkosten nicht an.
Die vorstehenden Überlegungen gelten für die mitteleuropäischen Wetterverhältnisse. Im Weltmaßstab sind die Verhältnisse teils viel günstiger. In manchen Regionen weht der Wind verläßlich und stark, in anderen scheint die Sonne nahezu täglich. Beides reduziert die nötige Speichergröße und wirkt somit kostendämpfend.
In erster Näherung dürfen wir die Emission bei der Kohleverstromung mit etwa 1 Mio. Tonnen pro TWh ansetzen (≈ 1 kg/kWh). Desgleichen können wir die CO2-Emissionen bezüglich Windkraft, PV und Kernkraft im Vergleich dazu vernachlässigen. Die aus diesen Annahmen resultierende Unschärfe liegt bei etwa 10 – 20 %. Im Hinblick auf den summarischen Charakter der Überlegungen fällt das nicht ins Gewicht.
Die Klimaeffizienz als CO2-Einsparung pro Euro
Ausgehend von Tab. 6-2 erhalten wir die in Abb. 6-8 dargestellte Übersicht zur Maßnahmeneffizienz.
Abbildung 6-8: Vergleich der Effizienz verschiedener alternativer Maßnahmen im Sinne der rechnerischen CO2-Einsparung in Bezug auf den Ersatz von Kohle. Die Werte für die drei linken Rubriken ergeben sich aus den Zahlen von Abb. 6-7 unter der zusätzlichen Annahme einer Unschärfe von etwa ± 50 %.
Die oben angesprochenen Schwankungsbreiten zeigen sich natürlich auch bezüglich der abgeleiteten Klimaeffizienz der Maßnahmen.
Wie man dem Vergleich entnmmt, bringt der Bau von Windkraftanlagen, der Ausbau der Solarstromproduktion und sogar der Bau von Kernkraftanlagen einen signifikant größeren Effekt im Hinblick auf das CO2-Einsparungspotential als die Förderung von Wärmepumpen. Jedenfalls gilt das im Status quo angesichts einer immer noch bestehenden Kohleverstromung in einer Höhe von 150 TWh pro Jahr. Der Effizienzunterschied ist keine Marginalie. Wir reden hier von 1 bis 2 Größenordnungen (also einem Faktor 10 bis 100).
Anmerkung zur Effizienzbetrachtung
Bezüglich der Zahlenangaben zur Windkraft und zum Solarstrom muss ergänzend darauf verwiesen werden, dass die Kosten für die erforderlichen Speicher in Abb. 6-8 nicht enthalten sind. Die Säulen für Wind- und Solarstrom wären andernfalls nur etwa halb so hoch. Die Ausblendung der Speicherkosten kann man an dieser Stelle vertreten, weil (nach Meinung des Autors) die künftige Energieversorgung sinnvollerweise eben nicht auschließlich auf den wetterabhängigen Energiequellen Wind und Sonne beruhen sollte. Große Speicher sind nur in diesem Falle nötig.
Den Weiterbetrieb bestehender Atomkraftwerke haben wir in dieser Betrachtung außen vor gelassen, da die letzten Anlagen bereits abgeschaltet wurden. Nur am Rande: Diesbezüglich wäre die Maßnahmeneffizienz nochmals erheblich größer als in der Rubrik Kernenergie angegeben, da für die Anlagen nur die unmittelbaren Folgekosten anzurechnen wären (die nun zum großen Teil anfallen, ohne dass Strom produziert wird).
Auf den zweiten Blick scheint der Vergleich hinsichtlich der Wärmepumpe unfair, da die entsprechenden CO2-Potentiale auf den CO2-Anteil im Strommix bezogen sind, während sich Windkraft, PV und Kernkraft auf den höheren CO2-Ausstoß der Kohleverstromung beziehen. Das hat aber dennoch seine Richtigkeit, weil der Wärmepumpenstrom tatsächlich auf dem Strommix beruht, während die alternativen Maßnahmen direkt auf den Ersatz der Kohleverstromung abzielen.
Die wirksamen Maßnahmen priorisieren
Nach dem Vorstehenden ist es allemal sinnvoller, das knappe Kapital zunächst einmal in den CO2-freien Ersatz der Kohleverstromung zu investieren, statt über die Förderung von Wärmepumpen auch noch den Strombedarf zu erhöhen. Der Umstieg auf Wärmepumpen ist klimapolitisch sinnvoll, sobald weitgehend CO2-freier Strom in ausreichender Menge zur Verfügung steht (wie das in vielen Ländern Europa schon heute der Fall ist, s. Abb. 6-2). Ab etwa 2030 könnte der Punkt erreicht sein, ab welchem der Betrieb von Wärmepumpen klimapolitisch einen nennenswerten Beitrag zur CO2-Reduzierung leistet. Zwar werden heute neu installierte Gasheizungen noch etwa über einen Zeitraum von weiteren 20 Jahren betrieben, doch fällt das in der CO2-Bilanz angesichts anderer Faktoren kaum ins Gewicht.
Pro Jahr werden etwa 500.000 Gasheizungen neu verbaut. Von 2024 bis 2030 wären das also 3 Mio. Wenn wir von einem Durchschnittsverbrauch von 20.000 kWh/a ausgehen, so emittieren diese Heizungen pro Jahr ca. 11 Mio. t CO2. Wie wir gesehen haben, ist das mit dem gegenwärtigen Strommix bei Wärmepumpen nur unwesentlich weniger. Ab 2030 könnte sich der Ausstoß von Wärmepumpen aufgrund des günstigeren Strommix sukzessive halbieren und weiter reduzieren. In Summe macht daher der Unterschied zwischen Wärmepumpe jetzt oder ab 2030 über einen Zeitraum von 20 Jahren gut 100 Mio. Tonnen CO2 aus. Pro Jahr also 5 Mio. Tonnen oder etwa 1 % der derzeitigen jährlichen Gesamtemission. Das ist vernachlässigbar. Allein aufgrund der Entscheidung zum Atomausstieg wird in der gleichen Zeitspanne mehr als die 10-fache CO2-Menge zusätzlich ausgestoßen.
Über den konkret betrachteten Fall hinaus werden grundsätzliche Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen gegenüber Gas-Brennwertthermen angestellt. Ferner werden Wirtschaftlichkeitskriterien mit und ohne Investition sowie mit und ohne Einsatz von Photovoltaik formuliert.
Einleitung
Aus den in Teil 4 (Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung) beispielhaft durchgerechneten Fällen ergibt sich unmittelbar, dass der relevante Strompreis bzw. das Verhältnis zwischen dem Gas- und dem Strompreis die Wirtschaftlichkeit direkt bestimmt. Das gilt natürlich unabhängig vom Einzelfall ganz generell auch für andere Objekte und Wärmepumpen. Fokussiert man sich zunächst nur auf die Betriebskosten, so haben wir die folgende ganz einfache Formel zur Bestimmung des höchsten gerade noch wirtschaftlichen Strompreises:
Abbildung 5-1: Höchster noch wirtschaftlicher Strompreis beim Betrieb von Wärmepumpen in Abhängigkeit vom COP-Wert. Betrachtet werden hier nur die Betriebskosten im Vergleich zu einer Gasheizung (ohne eventuell erforderliche Investitionen). Bei gegebenem Wärmepumpen-COP kann man dem Diagramm unmittelbar den höchsten gerade noch wirtschaftlichen Strompreis im Vergleich zur Heizung mit Gas entnehmen. Beispiel: COP = 3, Gaspreis = 12 ct/kWh; der Strompreis darf in diesem Fall den Wert von 36 ct/kWh nicht übersteigen, andernfalls fallen die Betriebskosten höher aus als bei der Beheizung mit Gas.
Aus der Formel und dem Diagramm ergibt sich, dass eine Wärmepumpe mit einem COP-Wert von 3 bei den derzeitigen Gaspreisen zwischen 10 und 15 ct/kWh nur bei Strompreisen unterhalb von 30 bzw. 45 ct/kWh wirtschaftlich betrieben werden kann. Bei einem COP-Wert von 4 liegen die höchsten noch wirtschaftlichen Strompreise bei 40 bzw. 60 ct/kWh. Dabei muss man indessen berücksichtigen, dass in der Praxis auch noch die Investitionskosten hinzukommen. Dazu weiter unten.
Grundsätzlich entscheidet nach dem Vorstehenden der COP-Wert darüber, ob eine gegebene Kombination von Strom und Gaspreisen überhaupt einen wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpe erlaubt. In der nachfolgenden Abbildung ist das exemplarisch für einen COP-Wert von 3,5 dargestellt.
Wirtschaftlichkeitskriterium ohne Berücksichtigung der Investitionen
Die Frage der Wirtschaftlichkeit steht immer in Zusammenhang mit den möglichen Alternativen. Es macht Sinn, diesbezüglich insbesondere den Vergleich mit der Gasheizung in den Blick zu nehmen. Selbstverständlich wäre es in gleicher Weise möglich, stattdessen oder auch zusätzlich andere Energieträger zu betrachten, z.B. Öl- oder Pelletheizungen. Wir fokussieren uns hier auf Gas. Die prinzipiellen Beziehungen sind indessen auch im Vergleich zu jeder anderen Alternative gültig.
Abbildung 5-2: Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen in Abhängigkeit vom Verhältnis Strompreis zu Gaspreis. Betrachtet werden hier nur die Betriebskosten im Vergleich zu einer Gasheizung (ohne die erforderlichen Investitionen und ohne Eigenstromnutzung von einer evtl. vorhandenen Photovoltaik-Anlage).
Die allgemeine Wirtschaftlichkeitsbedingung lautet:
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die praxisrelevanten COP-Werte
Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit ist also der effektive Wärmepumpen-COP in der Relation zum Verhältnis Strompreis zur Gaspreis. Im nachfolgenden Diagramm wird das im Hinblick auf die praktische Anwendung nochmals grafisch hervorgehoben.
Abbildung 5-3: Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen in Abhängigkeit vom Verhältnis Strompreis zu Gaspreis. Betrachtet werden hier nur die Betriebskosten im Vergleich zu einer Gasheizung (ohne die erforderlichen Investitionen und ohne Eigenstromnutzung von einer evtl. vorhandenen Photovoltaik-Anlage).
Da also die praxisbezogenen COP-Werte vielfach zwischen etwa 3 und 4 liegen, sind Wärmepumpen i.A. unwirtschaftlich, sofern der Strompreis mindestens viermal höher ist als der Gaspreis (rot markierter Bereich in der Grafik). Umgekehrt ist die Wirtschaftlichkeit meist gegeben, wenn der Strompreis maximal etwa dreimal höher ist als der Gaspreis (grün eingefärbter Bereich). Im dazwischenliegenden keilförmigen Bereich (gelb hervorgehobenen) muss man genau vergleichen, wie der reale COP in Relation zum Verhältnis Strompreis zu Gaspreis liegt.
Wirtschaftlichkeitskriterium mit Berücksichtigung der Investitionen
Sofern man auch die Investitionskosten ins Kalkül nehmen will, muss man die beiden gestrichelten Geraden von Abb. 5-3 in Abhängigkeit von der Höhe der Kosten und der angenommenen Betriebszeit parallel nach unten verschieben. Im Ergebnis wird damit der Wirtschaftlichkeitsbereich (im Diagramm grün eingefärbt) weiter beschnitten und der Übergangsbereich eingeengt.
Abbildung 5-4: Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen in Abhängigkeit vom Verhältnis Strompreis zu Gaspreis unter Berücksichtigung der Betriebskosten und der Investitionen (ohne Eigenstromnutzung von einer vorhandenen Photovoltaik-Anlage). Die Investitionskosten wirken wie eine Parallelverschiebung der betreffenden durch den COP-Wert bestimmten Grenzgeraden nach unten. Dadurch schrumpft der Wirtschaftlichkeitsbereich. D.h., beim gleichen Gaspreis sinkt der maximal noch ökonomische Strompreis.
Das Wirtschaftlichkeitskriterium bei Solarstromnutzung
Wir vernachlässigen die Betriebskosten der Photovoltaikanlage und bezeichnen die Höhe des PV-Anteils am erforderlichen Wärmepumpenstrom mit \(p = p_{Solar}\). Die Eigenstromnutzung wirkt im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit wie eine Strompreisreduzierung um den Anteil \(p\). Das Wirtschaftlichkeitskriterium wird daher zu
Man kann das auch dahingehend interpretieren, dass der PV-Anteil zu einer hypothetischen Steigerung des COP-Wertes der Wärmepumpe führt. Bei einem PV-Anteil von 1/3 erhöht sich der COP-Wert fiktiv um 50 %, z.B. von 3 auf 4,5.
Das finale Wirtschaftlichkeitskriterium
Das Kriterium kann noch etwas eleganter formuliert werden, wenn man die Höhe der erforderlichen Zusatzinvestitionen \(I_{WP}\) auf die Anzahl der Betriebsjahre umrechnet und in Einheiten der jährlichen Heizenergiekosten (mit Gas) ausdrückt. Für den solchermaßen definierten Investitionsquotienten \(q = q_{Invest}\) gilt folglich
\begin{equation} q =\frac{I_{WP}}{N \cdot G \cdot V_H} \end{equation}
Damit erhalten wir das finale Wirtschaftlichkeitskriterium:
Der Quotient rechts gibt an, um welchen Faktor der COP-Wert der Wärmepumpe größer sein muss bzw. kleiner sein darf als das Verhältnis Strompreis zu Gaspreis. In dieser Form ist daher das Kriterium generisch auf jede Preiskonstellation mit und ohne Solarstromnutzung sowie mit und ohne Berücksichtigung von Investitionen unmittelbar anwendbar.
In Abb. 5-5 wird die Wirkung der Formelbeziehung beispielhaft erläutert.
Abbildung 5-5: Exemplarische Kurvenschar zum finalen Wirtschaftlichkeitskriterium. Zu einem gegebenen Gaspreis gibt das Diagramm für unterschiedliche Strompreise und Investitionsquotienten q = q_Invest sowie PV-Eigenstromanteile p = p_Solar den jeweils minimal erforderlichen COP-Wert der Wärmepumpe an. Die beispielhaft hervorgehobenen Gas-/Strompreis-Kombinationen 15/30 (grün) und 20/50 (rot) sind im Diagramm erläutert. Der linke braune Kreis markiert die Kombination Gaspreis = 10 ct/kWh, Strompreis = 40 ct/kWh bei einem Investitionsquotienten q = 10 % und einem Solarstromanteil p = 20 %. Der rechte braune Kreis steht beim gleichen Strompreis und dem gleichen Solarstromanteil für die Kombination mit dem Gaspreis = 15 ct/kWh und dem höheren Investitionsquotienten q = 50 %.
Der Darstellung kann man entnehmen, welch starken Einfluss die Größe des Investitionsquotienten hat. Bei einem Gaspreis von 20 ct/kWh ist die Wärmepumpe unter Vernachlässigung der Investitionen bereits mit einem COP-Wert von 2,5 wirtschaftlich (untere rote Markierung bei 20). Sofern der Investitionsquotient 50 % beträgt, ist schon ein COP-Wert von 5 erforderlich. Dieser negative Effekt kann indessen durch einen entsprechend hohen Solarstromanteil kompensiert werden. Das sieht man z.B. bei den grünen Markierungen (Gaspreis 10 ct/kWh, Strompreis 30 ct/kWh). Der im Falle der gestrichelten grünen Linie höhere Solarstromanteil von 30 % führt bei gleichem Invest zu einer Verringerung des nötigen COP-Wertes von 2,86 auf 2,0.
Generische Formulierung des Wirtschaftlichkeitskriteriums
In der formulierten Ökonomiebedingung sind letztlich nur drei Größen relevant: Das Verhältnis Strompreis zu Gaspreis, der Investitionsquotient qund der Solarstromanteil p. Das kann man dazu nutzen, den Zusammenhang mit dem COP-Wert ohne direkten Bezug auf den Gas-und Strompreis kompakt in einem Diagramm darzustellen.
In der Praxis wird man sich dabei die Frage stellen, um welchen Prozentanteil der COP-Wert ggf. höher ausfallen muss (Aufschlag zum COP), bzw. niedriger sein darf (Abschlag vom COP) als der Vergleichswert bei q = 0 und p = 0. Das kommt in der Beziehung
Im nachfolgenden Diagramm ist der Verlauf von \(\Delta COP_{rel}\), also die relative Änderung des \(COP\) in Abhängigkeit vom Investitionsquotienen q für verschiedene Solarstromanteile p dargestellt.
Abbildung 5-6: Exemplarische Kurvenschar zum generischen Wirtschaftlichkeitskriterium. Auf der x-Achse ist der Investitionsquotient q = q_Invest aufgetragen. Für vier unterschiedliche PV-Eigenstromanteilep = p_Solar sind die entsprechenden Kurvenverläufe eingezeichnet. Beispiel: Gelber Kreis bei der Kurve mit dem Solarstromanteil p = 35 % und dem Investitionsquotienten q = 60 %. In diesem Falle muss der COP-Wert um mindestens 62,5 % höher sein als das Verhältnis Strompreis zu Gaspreis.
Das Diagramm macht deutlich, wie die Investitionskosten und die mögliche Solarstromnutzung zusammenwirken. Höhere Investitionsquotienten führen schnell zu merklichen Aufschlägen auf den erforderlichen Mindest-COP-Wert. Abgemildert wird das nur durch entsprechend größere Nutzungsanteile beim Solarstrom. Diese ungünstige Auswirkung der Investitionen kann sogar umgedreht werden. Das sieht man exemplarisch im Falle der orangefarbenen Markierung. Bei einem Investitionsquotienten q = 40 % und einem Solarstromanteil p = 50 % erhält man im Ergebnis eine Minderung des minmal erforderlichen COP-Wertes von 17 %. Konkret wäre so z.B. auch ein COP von 2,49 bei einem Strom-/Gaspreisverhältnis von 3:1 noch hinreichend (2,49 = 3*(1-0,17)).
Diskussion zur Wirtschaftlichkeit
Den vorstehenden Formelbeziehungen entnimmt man ohne Weiteres, dass eine kürzere Betriebsdauer in die selbe Richtung wirkt, wie eine höhere Investition und daher zu einer Parallelverschiebung der Grenzgeraden nach unten führt. Im Ergebnis schrumpft demnach auch in diesem Falle der Bereich wirtschaftlicher Strom-Gaspreis-Kombinationen hin zu kleineren Strom- bzw. höheren Gaspreisen.
Völlig analog verhält es sich, wenn der Jahresverbrauch sinkt. Wir haben daher die scheinbar paradoxe Situation, dass die Wärmepumpe umso weniger wirtschaftlich ist, je kleiner die Jahresverbräuche ausfallen. Das ist natürlich nur auf den ersten Blick ein Widerspruch, denn begreiflicherweise fallen bei einem niedrigeren Verbrauch die Investitionen stärker ins Gewicht während zugleich das Einsparpotential auf Seiten der Betriebskosten immer geringer wird.
Grenzbetrachtung für verschwindende Stromkosten
Bei gegebenen Werten für den Gaspreis, die Betriebsdauer der Wärmepumpe und den Jahresverbrauch erhalten wir das folgende Kriterium für die Höhe der im Grenzfall verschwindender Stromkosten (also Strompreis = 0) gerade noch wirtschaftlichen Grenzinvestitionssumme \(I_{WP_{Grenz}} \):
\begin{equation} I_{WP_{Grenz}} = G \cdot N \cdot V_H\end{equation}
Beispiel: Gaspreis = 12 ct/kWh, Jahresverbrauch = 10.000 kWh, Betriebsdauer = 20 Jahre, Grenzinvestition = 24.000 €. Bei einem Jahresverbrauch von 20.000 kWh ist die Grenzinvestition mit 48.000 € doppelt so hoch. Wohlgemerkt, das gilt bei einem hypothetischen Strompreis von 0 bzw. bei einem PV-Anteil von 100 % (respektive einem unendlich hohen COP-Wert).
Grenzbetrachtung für reale Stromkosten
Bei gegebenem Strompreis > 0 und realem COP-Faktor liegt die wirtschaftlich gerade noch vertretbare rechnerische Grenze für die Höhe des Investitionsbetrags bei
\begin{equation} I_{WP_{Grenz}} = \left ( G – \frac{ 1 -p} {COP} \cdot S \right ) \cdot N \cdot V_H \end{equation}
Beispiel: Gaspreis = 12 ct/kWh, Strompreis 30 ct/kWh, PV-Anteil = 0 %, Jahresverbrauch = 10.000 kWh, Betriebsdauer = 20 Jahre, Grenzinvestition = 4.000 €. Bei einem Jahresverbrauch von 20.000 kWh kommt die Grenzinvestition mit 8.000 € wieder doppelt so hoch. Erhöht sich der Strompreis auf 42 ct/kWh, so sinkt dadurch die hypothetische Grenzinvestition auf -8.000 €, es wird also bereits signifikant unwirtschaftlich.
verbieten sich aus wirtschaftlicher Sicht jegliche Investitionen, da die rechnerische Grenzinvestition \(I_{WP_{Grenz}} \) in der Formel null wird. Bei noch kleineren COP-Werten wird sie sogar negativ.
Die exemplarischen Fälle im weiteren Kontext
Mit dem vorgestellten Rüstzeug können wir nun die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die durchgerechneten Bespielfälle aus Teil 4 (Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnu) mit und ohne Investition sowie mit und ohne PV-Stromnutzung zusammenfassend darstellen.
Abbildung 5-7: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die in Teil 4 (Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung) durchgerechneten Bespielfälle mit und ohne Investition sowie mit und ohne PV-Stromnutzung. Die Positionen der bespielhaft betrachteten Gas-/Strompreis-Kombinationen 10/25, 12/40, 15/45 und 20/50 ct pro kWh sind mit den entsprechend den obigen Diagrammen (s. Abb. 4-4 bis 4-12) eingefärbten Quadraten markiert. Rot dargestellt ist der Bereich der in jedem Falle unwirtschaftlichen Gas-Strompreis-Kombinationen. Der grüne Bereich rechts unten zeigt die stets – auch ohne Förderung – wirtschaftlichen Gas-/Strompreis-Kombinationen.
Die Bedeutung der in Abb. 5-7 eingetragenen Kurven ist im Diagramm erläutert. Z.B. trennt die gestrichelte Linie („Wirtschaftlich ohne Invest“) die wirtschaftlich sinnvollen (unterhalb) von den unwirtschaftlichen Strom- und Gaspreisen (oberhalb der Linie) unter ausschließlicher Betrachtung der Betriebskosten (ohne Invest). Die grüne Kurve mit den gelben Kreisen steht für die Trennlinie zwischen den ökonomischen (unterhalb der Linie) und den geschäftlich nachteiligen (oberhalb der Linie) Strom- und Gaspreiskombinationen unter Berücksichtigung der Betriebskosten einschließlich der Investitionen und der BAFA-Förderung.
Diskussion zur Wirtschaftlichkeitsanalyse
Mit Blick auf Abb. 5-7 zeigt sich die Gas-/Strompreis-Kombination 10/40 ct/kWh klar als unwirtschaftlich, 20/30 ct/kWh dagegen klar als wirtschaftlich. Wie man dem Diagramm ebenfalls entnehmen kann, waren bei den bis 2021 geltenden niedrigen Gaspreisen von 5 – 6 ct/kWh Wärmepumpen i. A. keine sinnvolle Investition, da zugleich die Strompreise bei mindestens 25 ct/kWh, also dem 4- bis 5-fachen davon lagen. Allenfalls waren reine Wärmepumpenstromtarife, die teilweise mit etwa 15 ct/kWh berechnet wurden bei ausschließlicher Betrachtung der Betriebskosten von Interesse.
Wie in der Grafik unschwer zu erkennen, liegt das gelbe Quadrat, das der Gas-/Strompreiskombination 12/40 ct/kWh entspricht, oberhalb aller eingezeichneten Geraden im roten Bereich der unwirtschaftlichen Gas- und Strompreise. Damit ist die aktuelle Gas-Strompreisbremse für eine Wärmepumpe mit einem COP von 3 in keinem Falle wirtschaftlich. Das gilt sogar ohne Berücksichtigung der Investitionskosten und bei PV-Stromnutzung. Damit ist weder die betrachtete Wärmepumpe ohne PV (durchgezogene grüne Gerade), noch mit PV (grüne, mit gelben Kreisen markierte Linie) wirtschaftlich zu betreiben.
Vorteilhafte Gas-/Strompreis-Kombinationen
Nur wenig besser sieht es aus für die Gas-/Strompreis-Kombination 15/45 ct/kWh (grünes Quadrat). Die Wirtschaftlichkeit ohne Berücksichtigung der Investitionen ist knapp gegeben (das Quadrat liegt knapp unter der gestrichelten Linie). Desgleichen gibt es ein Einsparungspotential in Bezug auf die geförderte Variante „Wärmepumpe mit PV“, da das Quadrat unterhalb der durchgezogenen grünen und mit gelben Kreisen markierten Geraden positioniert ist. Im Hinblick auf alle anderen Alternativen, „Wärmepumpe ohne PV“, sowie die nicht geförderten Varianten „Wärmepumpe mit PV“ und „Wärmepumpe ohne PV“ wird die Wirtschaftlichkeit klar verfehlt.
Etwas günstiger ist die Situation im Falle der Gas-/Strompreis-Kombination 10/25 ct/kWh (blaues Quadrat). Auch dieser Fall ist ökonomisch vernünftig bezüglich der reinen Betriebskosten und in Bezug auf die geförderte Alternative „Wärmepumpe mit PV“ inkl. der Investitionen (das blaue Quadrat liegt unterhalb der gestrichelten sowie der grünen Gerade mit Sonnensymbolen). Bezüglich der anderen geförderten Alternative, „Wärmepumpe ohne PV“ sowie der beiden nicht geförderten Varianten „Wärmepumpe mit PV“ und „Wärmepumpe ohne PV“ ist es indessen ein mehr oder weniger klares Draufzahlgeschäft.
Die beste wirtschaftliche Beurteilung kommt der Gas-/Strompreis-Kombination 20/50 ct/kWh (orangefarbenes Quadrat) zu. Diese Preisverortung ist akzeptabel sogar hinsichtlich der nicht geförderten Alternative „Wärmepumpe mit PV“ (durchgezogene dunkle Gerade, mit Sonnensymbolen markiert) und knapp positiv im Hinblick auf die geförderte Wärmepumpe ohne PV-Stromnutzung (blassgrüne Gerade). Einzig die nicht geförderte Variante „Wärmepumpe ohne PV“ (durchgezogene dunkle Gerade an der Grenze zum grünen Bereich) bleibt auch in diesem Falle eine ganz klar unwirtschaftliche Option.
Es hängt am Gaspreis. Und am Strompreis
Um noch zwei Beispiele herauszugreifen: Mit Blick auf Abb. 5-7 zeigt sich die Gas-/Strompreiskombination 10/40 ct/kWh als offenkundig unwirtschaftlich, 20/30 ct/kWh dagegen als eindeutig wirtschaftlich.
Aus der Diskussion ergibt sich nochmals in aller Deutlichkeit, dass die Frage pro und kontra Wirtschaftlichkeit bei gegebenem COP vor allem von den zugrunde gelegten Gaspreisen abhängt. Bei hohen Gaspreisen und halbwegs moderaten Strompreisen ist das Investment ökonomisch sinnvoll.
Sofern man keinen PV-Eigenstrom nutzen kann, sollte der Strompreis bei niedrigen Gaspreisen bis 15 ct/kWh weniger als zweimal so hoch sein als der Gaspreis. Bei höheren Gaspreisen darf der Faktor zweieinhalb kaum übersteigen. Wenn eine PV-Anlage vorhanden ist und etwa ein Drittel des Strombedarfs der Wärmepumpe darüber gedeckt werden kann, darf der Strompreis bei niedrigen Gaspreisen knapp das Dreifache erreichen. Liegt der Gaspreis darüber bei 15 bis 25 ct/kWh, sind teilweise auch Strompreise bis zum Dreieinhalbfachen des Gaspreises noch ökonomisch. Darüber hinaus dürfen die Strompreise gar das Vierfache des Gaspreises erreichen. In Abb. 5-6 ist der Zusammenhang dargestellt.
Abbildung 5-8: Wirtschaftlich sinnvolle Strom-Gaspreisverhältnisse für die durchgerechneten Beispielfälle unter Berücksichtigung der Investitionen (aus Teil 4 Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung) und der optionalen PV-Stromnutzung von ca. einem Drittel des Strombedarfs der Wärmepumpe. Die durchgezogene blaue Kurve gibt an, um welchen maximalen Faktor der Strompreis über dem Gaspreis liegen darf. Den entsprechenden Faktor bei PV-Stromnutzung zeigt die mit gelben Kreisen markierte Kurve. Die beiden gestrichelten Linien stellen die theoretischen Grenzwerte ohne Investitionen bzw. bei sehr hohen (unendlichen) Gaspreisen dar.
Bei höheren Jahresverbrauchswerten verlaufen die durchgezogenen Kurven in Abb. 5-8 steiler, bei niedrigeren flacher. Umgekehrt verhält es sich bezüglich der Investitionen. Demnach müssen bei höheren Investitionen die Strompreise niedriger ausfallen, um einen noch wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen. Dasselbe trifft zu bei niedrigeren Jahresverbräuchen.
Aufgrund der hohen CO2-Emission im deutschen Strommix machen Wärmepumpen ohne PV gegenwärtig wenig Sinn. Sie sind nicht schädlich, bringen aber kaum nennenswerte Einsparungen in der CO2-Emission gegenüber Gas. Einen positiven Effekt gibt es mit PV, das allerdings erfordert höhere Investitionen. Sofern künftig CO2-freier oder zumindest merklich geringer mit CO2 belasteter Strom verfügbar sein sollte, sind Wärmepumpen von Vorteil, wenn die Investitionen niedrig gehalten werden können. Bei einem Verzicht auf die Kohleverstromung sind Wärmepumpen ein wertvoller Beitrag zur Wärmewende. Auf absehbare Zeit können indessen Windkraft und Solarstrom die Kohle nicht ohne Weiteres ersetzen.
In der ökonomischen Perspektive – und die kann und darf man nicht ausblenden, wenn man das Ziel einer klimapolitischen Wirkung ernsthaft verfolgen will – sind drei Faktoren von entscheidender Bedeutung:
1. Die Höhe der erforderlichen Zusatzinvestitionen gegenüber einer Gasheizung.
2. Die Möglichkeit der Nutzung von Solarstrom.
3. Das Verhältnis Strompreis zu Gaspreis.
Sofern der auf die Anzahl der Betriebsjahre umgelegte Investitionsbetrag den Bruchteil \(\frac{1}{x}\) der Jahresverbrauchskosten an Heizenergie (mit Gas) nicht überschreitet und kein Solarstrom zur Verfügung steht, genügt es, wenn der COP-Wert der Wärmepumpe um den Faktor \(\frac{x}{x-1}\) größer ist als das Verhältnis Strompreis zu Gaspreis (x = 2, 3, 4, 5, …). Ansonsten ist der Einsatz i. A. nicht wirtschaftlich. Mit einem Solarstromanteil von \(p\) gilt dasselbe für das Verhältnis des mit dem Faktor \(1-p\) multiplizierten Strompreises zum Gaspreis. Wenn die umgelegten Zusatzinvestitionen pro Betriebsjahr ungefähr die Höhe der Jahresverbrauchskosten erreichen oder gar überschreiten, ist die Wärmepumpe definitiv unwirtschaftlich. In den Fällen dazwischen muss man Formel (6) oder (8) genau auswerten.
Ausblick auf Teil 6
Ist die Wärmepumpe zum jetzigen Zeitpunkt das richtige Heizsystem für Deutschland? Macht ein Verbot bzw. ein Tauschzwang für Gasheizungen Sinn? Und ist der finanzielle Aufwand dafür unter allen Gesichtspunkten – wirtschaftlich und klimapolitisch – vernünftig?
Es wird gezeigt, dass der Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen unter den gegebenen Umständen in der großen Perspektive weder wirtschaftlich ist noch überhaupt eine nennenswerte klimapolitische Wirkung entfaltet. Darüber hinaus wird dargelegt, mit welchen Maßnahmen die CO2-Emissionen wirksam und effizient reduziert werden können.
Ist der Umstieg von der Gasheizung auf die Wärmepumpen-Heizung wirtschaftlich sinnvoll? Hierzu wird eine konkrete Beispielrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) mit einem typischen Wärmebedarf und einem akzeptablen Energiestandard (Energieeffizienzklasse C) durchgeführt. In die Betrachtung werden die bekannten Fördermaßnahmen mit einbezogen und die Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der Betriebskosten und der Investitionen im Vergleich zu einer modernen Gas-Brennwerttherme bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen bewertet.
Konkret bezieht sich der Vergleich auf die Alternative Gas-Brennwertheizung und Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Außenaufstellung. Andere Wärmepumpensysteme die aufwendige Erdarbeiten (Tiefenbohrung oder Verlegung von Erdschleifen) voraussetzen wurden aufgrund der hohen Zusatzkosten ausgeschlossen. Eine Innenaufstellung der Wärmepumpe konnte aufgrund der örtlichen Gegebenheiten nicht realisiert werden, sie ist in der Regel aber auch nicht kostengünstiger als die Außenaufstellung.
Einordnung in den Kontext
Wir haben in den vorhergehenden Teilen ausschließlich die Seite der Energieerzeugung und des Energieverbrauchs sowie die CO2-Emissionen in den Blick genommen. Die Kosten müssen aber ebenfalls betrachtet werden. Im Beispielfall der exemplarisch für die Kategorie von Gebäuden mit einer noch guten Energieeffizienz steht (Energieeffizienzklasse C, 75 – 100 kWh/m2a, Neubaustandard bis 2002 und Fußbodenheizung), ist die Beheizung mit Wärmepumpe unter CO2-Gesichtspunkten grundsätzlich sinnvoll (auch wenn das Einsparungspotential relativ gering ausfällt). Das ist für den kompletten Gebäudebestand in Deutschland nicht die Regel.
Nur etwa ein Drittel aller Ein- und Zweifamilienhäuser in Deutschland genügt mindestens dem Energiestandard C. Fünfzig Prozent haben eine schlechtere Energieeffizienzklasse von D bis G mit 100 – 250 kWh/m2a, weitere 15 % benötigen sogar noch mehr als 250 kWh/m2a (Energieeffizienzklasse H). Für die Mehrzahl dieser Gebäude ist davon auszugehen, dass sie für die Beheizung mit Wärmepumpe ohne vorherige energetische Sanierungsmaßnahmen nicht unmittelbar geeignet sind. Die Kosten dafür können ohne Weiteres bis in den sechsstelligen Bereich gehen. Diese Fälle wollen wir außer acht lassen und uns auf das relativ „gutartige“ Beispielhaus fokussieren, für das in Teil 3 (CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude) schon die CO2-Betrachtung vorgenommen worden war.
Ausgangsbedingungen
Die Aufwand für die Installation einer Wärmepumpe beläuft im Falle des Beispielhaues auf ca. 45.000 €. Der Grund dafür ist u. a. die nötige aufwendige Installation der Zuleitungen für die Wärmepumpe, die – wie bei Luft-Wasser-Wärmepumpen die Regel – außerhalb des Hauses aufgestellt werden muss. Abzüglich der BAFA-Förderung von 35 % verbleiben 29.250 € als Nettoinvestition. Im Vergleich dazu kommt eine neue Gasbrennwerttherme inkl. Warmwasserspeicher mit Frischwasserstation und Steuerung auf 17.500 €. Das sind folglich 11.750 € weniger.
Abbildung 4-1: Investitionskosten für Wärmepumpe, Gas-Brennwerttherme und Photovoltaik.
Da wir in Teil 3 (CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude) auch die Eigennutzung von Solarstrom mit ins Kalkül genommen haben, seien auch die diesbezüglichen Kosten kurz genannt: PV-Anlage mit 5,5 kWp inklusive 7 kWh Batteriespeicher für zusammen 10.000 €. In der Kostenbetrachtung berücksichtigen wir diese Investition nur entsprechend des jeweiligen Nutzungsanteils (35 % im Hinblick auf die Wärmepumpe, 20 % in Hinblick auf die Warmwasseraufbereitung in Verbindung mit der Gastherme), da die PV-Anlage auch ganz unabhängig von der Heizmethode einen wirtschaftlichen Nutzen generiert.
Abbildung 4-2: Gegenüberstellung der Alternativen mit ihren Beschaffungs- und Installationskosten. Die blauen Säulen zeigen die Investitionskosten für die Gasheizung, in den gelben Säulen darüber sind jeweils die Zusatzinvestitionen für die unterschiedlichen Alternativen ausgewiesen. Die resultierenden Gesamtkosten finden sich ganz oben. In den beiden mittigen Säulen „Wärmepumpe ohne PV“ und „Wärmepumpe mit PV“ ist die BAFA-Förderung in Höhe von 35 % der Gesamtinvestition bereits abgezogen, wobei zu berücksichtigen ist, dass die PV-Anlage hier nicht gefördert wird. Die beiden rechten Säulen „Wärmepumpe ohne PV (o. Förderung)“ und „Wärmepumpe mit PV (o. Förderung)“ markieren die Extremfälle ohne Förderung und wurden zu Vergleichszwecken mit aufgenommen.
Nehmen wir diese Zahlen als Grundlage für die weiteren Betrachtungen. Dazu kommen natürlich auch die Vergleiche betreffend der Betriebskosten. Diese liegen derzeit bei 12 ct/kWh für den Bezug von Gas und bei 40 ct/kWh für Strom. Ohne die Strom- und Gaspreisbremse lag im ersten Quartal 2023 der Strompreis bei 30 – 60 ct/kWh und der Gaspreis im Bereich zwischen 10 – 20 ct/kWh. Aktuell (Mai 2023) sind die Gaspreise teilweise auf unter 10 ct/kWh gefallen. Beim Strom liegen die günstigsten Tarife bei knapp über 30 ct/Wh.
Variation der Gas- und Strompreise
Um die Unschärfen bezüglich der Preisgestaltung zu berücksichtigen, werden wir in der beispielhaften Modellrechnung mit unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen kalkulieren. Die Zahlengrundlagen für die Berechnungen sind in den Grafiken zusammenfassend dargestellt (s. Abbildungen 4-1, 4-2 und 4-3).
Abbildung 4-3: Exemplarische Strom- und Gaspreise für die nachfolgenden Betriebskostenrechnungen.
Betriebskosten pro Jahr (ohne Investitionen)
Zunächst betrachten wir die jährlichen Betriebskosten für alle sechs Alternativen ohne Berücksichtigung der Investitionen. Aus letzterem Grund sind die jährlichen Kosten für die Alternativen mit und ohne BAFA-Förderung gleich. Die beiden Alternativen ohne BAFA-Förderung wurden hier nur aus Gründen der Vergleichbarkeit mit den weiteren Diagrammen aufgenommen.
Die sich auf Basis der vorgenannten Annahmen ergebenden Betriebskosten sind in Abb. 4-4 dargestellt. Aufgrund der Annahmen über die jeweiligen Strom- und Gaspreise variieren die Kosten bei allen Alternativen im Verhältnis 1:2. Man sieht sofort, dass die Alternative „Wärmepumpe mit PV (inkl. Förderung durch die BAFA)“ die günstigen Betriebskosten nach sich zieht. Sie liegen nur halb so hoch wie die Gasheizung. Dabei ist sogar die Variante „Wärmepumpe ohne PV (inkl. Förderung durch die BAFA)“ im Vergleich zur Gasheizung auch schon relativ günstig. Abhängig von der Preiskonstellation Gas/Strom bringt auch die Variante Gasheizung mit Warmwasseraufbereitung mittels PV-Strom schon gewisse Einsparpotentiale („Gas-Brennwerttherme mit Heizstab und PV“).
Abbildung 4-4: Vergleich der jährlichen Betriebskosten (ohne Investitionen) für die betrachteten Alternativen bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Die Unterschiede in den Betriebskosten pro Jahr (ohne Investitionen)
In Abb. 4-5 zeigt explizit die jährlichen Betriebskostenunterschiede der Alternativen. Die Sparpotentiale gegenüber Gas gehen bis zu 1.800 € pro Jahr. Wie nicht anders zu erwarten, bestehen die größten Unterschiede zu den Betriebskosten mit Gas dann, wenn der Gaspreis hoch und der Strombedarf wegen der Nutzung von PV-Strom vergleichsweise klein ist. Das ist der Fall für die Variante(n) „Wärmepumpe mit PV“. Ungünstiger ist die Konstellation bei niedrigem Gaspreis und gleichzeitig hohem Strompreis ohne die PV-Nutzung. Bei der aktuellen Strom- und Gaspreisbremse haben wir genau diese Situation. Im Ergebnis sind daher die Betriebskosten mit Wärmepumpe (ohne PV) höher als mit Gas (s. Abb. 4-5, Gas-/Strompreis 12/40 [gelbe Säulen], jährliche Betriebskosten +260 € im Vergleich zu Gas).
Abbildung 4-5: Abweichungen in den jährlichen Betriebskosten im Vergleich zur Gastherme bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Betriebskosten pro Jahr (inkl. Investitionen)
Natürlich fehlen in dieser Sicht noch die Investitionskosten. Wir haben oben gesehen, dass die daraus resultierenden Mehrkosten im Vergleich zur Gastherme bis zu 15.250 € betragen können, ohne Förderung sogar bis zu 31.000 € (s. Abb. 4-2). Es liegt nahe, bezüglich dieser Rechnung einen Betrachtungszeitraum von 20 Jahren zu wählen, da zu erwarten ist, dass sowohl eine Gastherme als auch eine Wärmepumpe über diesen Zeitraum hinweg ohne größere Ausfälle betrieben werden kann. Wartungskosten, die dabei sicher anfallen, wollen dabei außen vor lassen, weil man davon ausgehen kann, dass diese, trotz der Unterschiedlichkeit der Systeme, nicht wesentlich verschieden sein werden.
In der nachfolgenden Grafik (s. Abb. 4-6) sind die effektiv anfallenden Kosten pro Jahr inklusive der Investitionen dargestellt. Aufgrund der Anfangsinvestitionen fallen die Unterschiede zwischen Gas-Strompreis-Kostenszenarien nicht mehr ganz so krass aus, sind aber immer noch hoch. Wie schon bei der reinen Betriebskostenbetrachtung (also ohne Investition) bleibt auch hier die Variante „Wärmepumpe mit PV“ (inkl. BAFA-Förderung) in den jährlichen Gesamtkosten am unteren Ende. Nicht unerwarteterweise fallen bei allen vier betrachteten Preiskombinationen die höchsten Kosten für die Lösung „Wärmepumpe ohne PV“ (ohne BAFA-Förderung) an. Die Unterschiede liegen bei bis zu 1.800 € im Preisgefüge 12/40 ct/kWh und bei bis zu etwa 1.700 € bei 15/45 bzw. 20/50 ct/kWh. Wenn man den Vergleich auf die WP-Varianten mit Förderung beschränkt, so liegen die Differenzen bei etwa knapp 1.000 €.
Abbildung 4-6: Vergleich der jährlichen Betriebskosten unter Berücksichtigung der erforderlichen Investitionen für die betrachteten Alternativen bei einer angenommen Betriebsdauer von 20 Jahren und unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Die Unterschiede in den Betriebskosten pro Jahr (inkl. Investitionen)
Die Unterschiede in den effektiven Betriebskosten sind in Abb. 4-7 zusammenfassend dargestellt Die Variante „Wärmepumpe ohne PV“ (mit BAFA-Förderung) birgt – abgesehen von der Preiskombination 20/50 ct/kWh – kein wirtschaftliches Potential. Dagegen ist die „Wärmepumpe mit PV“ (inkl. BAFA-Förderung) ganz klar ein lohnendes Investment, jedenfalls dann, wenn man die Gas -und Strompreisbremse in der Kombination 10/40 ct/kWh außen vor lässt.
Man entnimmt Abb. 4-7, wie wichtig die BAFA-Förderung letzten Endes ist. Die Varianten ohne Förderung generieren jedenfalls deutliche Mehrkosten im Vergleich zu allen anderen Optionen, die das hypothetische Investment letztlich unattraktiv machen würde. Nur bei hohen Gas- und in der Relation dazu niedrigen Strompreisen bei gleichzeitiger PV-Stromnutzung wäre Licht am Ende des Tunnels zu sehen (s. rechte Rubrik in Abb. 4-7, „Wärmepumpe mit PV“ (ohne BAFA-Förderung).
Abbildung 4-7: Unterschiede in den jährlichen Betriebskosten im Vergleich zur Gastherme unter Berücksichtigung der jeweils erforderlichen Investitionen für die betrachteten Alternativen bei einer angenommen Betriebsdauer von 20 Jahren und unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Gesamtaufwendungen über 20 Jahre Betriebszeit
Über die komplette erwartete Betriebsdauer von 20 Jahren ergeben sich erhebliche Gesamtaufwendungen, die je nach technischer Lösung und unterstellter Preiskombination von knapp 55.000 bis zu über 111.000 € betragen können. Das zeigt noch einmal, dass es lohnenswert ist, sich die Alternativen genau anzusehen.
Abbildung 4-8: Vergleich der Gesamtaufwendungen (Investition plus Betriebskosten) für die betrachteten Alternativen bei einer angenommen Betriebsdauer von 20 Jahren und unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Durchschnittsverdiener und sogar gut verdienende Angestellte werden hier im Zweifel ein Bruttojahresgehalt und mehr aufwenden müssen. Auch die Unterschiede zwischen den Optionen sind erheblich, wie man Abb. 4-8 unschwer entnehmen kann. Letzten Endes hängt auch viel an der Preiskonstellation von Strom und Gas. Abbildung 4-9 im folgenden Abschnitt macht das deutlich.
Gesamtaufwendungen in der Relation und ein erstes Resümee
Abbildung 4-9: Prozentuale Abweichungen der Gesamtaufwendungen über 20 Jahre bezogen auf die Referenzheizung Gas bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Die Gesamtaufwendungen im Vergleich zur Gas-Brennwerttherme variieren zwischen +50 % für die „Wärmepumpe ohne PV (o. Förderung)“ und -22 % für die „Wärmepumpe mit PV“ (inkl. BAFA-Förderung). Lässt man die nicht geförderten Varianten außen vor, so liegt die Spannbreite immer noch zwischen +26 % („Wärmepumpe ohne PV“, inkl. BAFA-Förderung) und -22 % für die „Wärmepumpe mit PV“ und Förderung. Da wir hier über Gesamtkosten von knapp 58.000 bis zu 98.000 € reden, liegt demnach auch das Mehraufwendungs- bzw. Einsparungspotential bei über 20.000 €.
Man erkennt spätestens an dieser Stelle klar, dass eine Wärmepumpe ohne PV-Stromnutzung im vorliegenden Fall wenig Sinn macht.
Um das in aller Schärfe herauszuarbeiten, betrachten wir nun noch die potentielle Rendite der Zusatzinvestition gegenüber einer Gas-Brennwerttherme.
Rendite der Zusatzinvestition
Die Darstellung (s. Abb. 4-10) zeigt, welche Optionen unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant sind.
Abbildung 4-10: Gesamtrendite der Zusatzinvestitionen gegenüber der Referenzheizung Gas bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Umgerechnet auf die jährliche Rendite ergibt sich das in Abb. 4-11 präsentierte Bild: Die höchste Rendite hat die Variante Gasheizung mit Heizstab. Das liegt vor allem an dem niedrigen Zusatzinvestment bei gleichzeitig kostenloser PV-Stromnutzung. Ansonsten ist der relative Ertrag dann hoch, wenn der Gaspreis in Richtung 20 ct/kWh geht. Tatsächlich sind für die Gas-/Strompreiskombination 20/50 (orange) die Renditen bei allen Optionen am höchsten und fallen fast durchweg positiv aus – mit der einzigen Ausnahme „Wärmepumpe ohne PV“ (ohne Förderung). Im Vergleich der Kombinationen 10/25 (blau) und 20/50 (orange) mit dem jeweils gleichen Gas-/Strompreisverhältnis von 1:2,5, zeigt sich ebenfalls der relative Nutzen höher Gaspreise. Warum das so ist, liegt auf de Hand. Bei gleichem Zusatzinvestment gegenüber der Gasheizung steigen die Einsparungen bei einem höheren Strompreis. Der Effekt verstärkt sich nochmals bei PV-Strom-Nutzung, weil dadurch der mittlere Strompreis für die Wärmepumpe unterm Strich sinkt.
Abbildung 4-11: Jährliche Rendite der Zusatzinvestitionen gegenüber der Referenzheizung Gas über den Betrachtungszeitraum von 20 Jahren bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Amortisation der Investition
Abschließend gehen wir noch auf die Amortisationsdauer ein. Auch wenn es sich bei einer Heizungsanlage um ein langfristiges Investment handelt, so wird man doch eine Amortisationszeit von höchstens 20 Jahren anstreben.
Nach dem Vorstehenden kann es nicht weiter verwundern, dass dieses Ziel nicht in jedem Falle erreicht wird. In den Abb. 4-10 und 4-11 hatten wir gegenüber der der Referenz Gas-Brennwertheizung bei einigen Varianten eine negative Rendite über den Betrachtungszeitraum von 20 Jahren errechnet. Bei einem negativen Ertrag ergibt sich natürlich keine Amortisation. Dem nachfolgenden Balkendiagramm kann man die resultierenden Amortisationszeiten entnehmen.
Abbildung 4-12: Amortisationsdauer der Zusatzinvestitionen gegenüber der Referenzheizung Gas bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen.
Diskussion zur Amortisationsdauer
Die kürzesten Amortisationszeiten ergeben sich für die die Gas-Brennwerttherme mit Heizstab und PV. Sie liegen zwischen knapp 5 Jahren bezüglich der Gas-/Strompreiskombination 10/50 (orange) und knapp 10 Jahren bei Preiskombination 10/25 (blau). Es wird in diesem Fall ausschließlich der kostenlose PV-Strom genutzt, daher steigen die Amortisationsbeiträge proportional zu den Strompreisen. Die Variante „Wärmepumpe mit PV“ (inkl. BAFA-Förderung) zeigt für drei der vier betrachteten Preiskombinationen ebenfalls noch günstige Amortisationszeiten von unter 20 Jahren. Lediglich für den Fall der Gas-Strompreisbremse 12/40 ct pro kWh (gelb) ergibt sich ein höherer Wert von 23,8 Jahren, was man schon für kritisch halten muss.
Nur in zwei weiteren Fällen überhaupt liegt die Amortisationszeit unterhalb von 20 Jahren, beides Mal für die Gas-/Strompreiskombination 20/50 (orange): einmal für die Variante „Wärmepumpe ohne PV“ (inkl. BAFA-Förderung) mit 17,4 Jahren und zum anderen für die Variante „Wärmepumpe mit PV“ (ohne Förderung) mit 17,2 Jahren. An diesem letzten Vergleich erkennt man nochmals den hohen Nutzen einer PV-Anlage für den Wärmepumpenbetrieb. Die „Wärmepumpe mit PV“ – ohne Förderung – amortisiert sich in etwa der gleichen Zeitdauer, wie die betrachtete „Wärmepumpe ohne PV“ – mit BAFA-Förderung. Dabei liegen diese beiden Fälle auf der Kostenseite sehr weit auseinander. Ein (theoretisches) Zusatzinvestment von 31.000 € im ersten Fall steht das viel geringere Investment von nur 11.750 € im zweiten Fall gegenüber.
Resümee zur Wirtschaftlichkeit
In Summe kann man festhalten, dass sich die Investition in eine geförderte Wärmepumpe mit einem COP-Wert von ungefähr 3 bei Nutzung von PV-Strom in der Größenordnung von etwa einem Drittel des Strombedarfs gegenüber einer Gas-Brennwerttherme innerhalb von 20 Jahren amortisiert, sofern die Preisentwicklung bei Gas und Strom im erwartbaren Rahmen bleibt. Bei höheren Gaspreisen und niedrigen Strompreisen lohnt sich das Investment eher. Dabei können höhere Strompreise durch die Eigenstromnutzung von einer PV-Anlage zu einem guten Teil abgefedert werden. Wenn indessen die Gaspreise eher auf dem derzeitigen Niveau von etwa 10 ct pro kWh verharren (was allerdings kaum zu erwarten ist, da zumindest der CO2-Besteuerung die Preise nach oben treiben wird) und zugleich die Strompreise auf Werte über 30 oder 40 ct pro kWh steigen bzw. nicht darunter bleiben, dann ist unter rein wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine Gasheizung kaum schlagbar, auch nicht bei PV-Strom Nutzung.
Grenzbetrachtungen
Die Rendite des Investments in eine Wärmepumpe (inkl. PV-Anlage) ist stark abhängig von der zugrundliegenden Förderung und von den zukünftigen Gas- und Strompreisen. In den obigen Beispielen haben wir gesehen, dass die jährliche Rendite über 20 Jahre für die interessierende Variante „Wärmepumpe mit PV“ (inkl. BAFA-Förderung) zwischen etwa -1 % und +4 % liegt. Das ist nicht viel, aber immerhin in 3 der 4 betrachteten Fällen noch positiv. Man kann nun auch fragen, welche Werte die Strompreise bei gegebenen Gaspreisen denn maximal annehmen dürfen, damit die Rendite noch einen vorgegebenen Minimalwert erreicht bzw. die Amortisation innerhalb einer gegebenen Anzahl von Jahren noch gewährleistet bleibt.
Maximaler Strompreis bei 20-jähriger Amortisation
Betrachten wir zunächst die Amortisation. In Abb. 4-13 werden die jeweils höchsten zulässigen Strompreise aufgezeigt, die bei gegebenen Gaspreisen noch zu einer Amortisationsdauer des Zusatzinvestments von maximal 20 Jahren führen. Dabei werden die beiden geförderten Varianten Wärmepumpe ohne und mit PV miteinander verglichen.
Abbildung 4-13: Höchster noch wirtschaftlicher Strompreis (im Hinblick auf die Zusatzinvestitionen gegenüber der Referenzheizung Gas) bei einer Amortisationsdauer von 20 Jahren. Beispiel für einen Gaspreis von 20 ct/kWh (Rubrik ganz rechts): Der maximale noch wirtschaftliche Strompreis für die Wärmepumpe ohne PV (inkl. Förderung) unter der Bedingung „Amortisation innerhalb von 20 Jahren“ liegt in diesem Fall bei 51,3 ct/kWh. Für die Wärmepumpe mit PV (inkl. Förderung) liegt der entsprechende Grenzwert bei 73,6 ct/kWh.
Wie man dem Diagramm entnehmen kann, liegt bei der gewünschten Amortisation innerhalb von max. 20 Jahren und einem Gaspreis von 10 ct/kWh der höchste noch ökonomisch sinnvolle Strompreis für die Wärmepumpe ohne PV (inkl. Förderung) bei nur 21,2 ct/kWh. Auch bei PV-Stromnutzung sind es maximal 28,1 ct/kWh. Es ist kaum anzunehmen, dass die Strompreise in absehbarer Zeit auf dieses Niveau fallen werden. Die entsprechenden Zahlen bei einem angenommenen und durchaus realistischen Gaspreis von 15 ct pro kWh liegen bei maximalen Strompreisen von 36,3 ct pro kWh (WP o. PV) bzw. 50,9 ct pro kWh (WP mit PV).
Maximaler Strompreis bei einer Minimalrendite von 3 %
Nun ist eine Amortisationsdauer von 20 Jahren eigentlich kein hoher Anspruch. Bei einer rein ökonomischen Betrachtung könnte man auch verlangen, dass sich die Anschaffung nicht nur amortisiert, sondern darüber hinaus eine Minimalrendite von 3 % erwirtschaftet. Das ist in der nachfolgenden Abbildung 4-14 dargestellt.
Abbildung 4-14: Höchster Strompreis bei einer minimalen Zielrendite (im Hinblick auf die Zusatzinvestitionen gegenüber der Referenzheizung Gas) von 3 % bei einer Betriebsdauer von 20 Jahren. Beispiel für einen Gaspreis von 12 ct/kWh (zweite Rubrik von links): Der maximale Strompreis für die Wärmepumpe ohne PV (inkl. Förderung) unter der Bedingung „Gewährleistung der Zielrendite von 3 % über einen Zeitraum von 20 Jahren“ liegt in diesem Fall bei 20,1 ct/kWh. Für die Wärmepumpe mit PV (inkl. Förderung) liegt der entsprechende Grenzwert bei 23,2 ct/kWh.
Die Grafik (s. Abb. 4-14) zeigt, dass unter der Voraussetzung einer Zielrendite von 3 % über einen Zeitraum von 20 Jahren bei einem Gaspreis von 10 ct/kWh der höchste noch zulässige Strompreis für die Wärmepumpe ohne PV (inkl. Förderung) bei nur 14,1 ct/kWh liegt. Mit 14,2 ct/kWh kaum mehr sind es bei PV-Stromnutzung. Das ist natürlich absolut unrealistisch. Aber auch bei einem Gaspreis von 15 ct pro kWh liegen die entsprechenden maximalen Strompreise mit 29,2 ct pro kWh (WP o. PV) bzw. 36,9 ct pro kWh (WP mit PV) eher am unteren Rand des zu erwartenden Preisrahmens. Man kann daher kaum davon ausgehen, dass man mit einer Wärmepumpe Geld verdient.
Maximaler Strompreis bei 10-jähriger Amortisation
Betrachten wir zur Abgrenzung abschließend das noch höhere Ziel einer Amortisation innerhalb von 10 Jahren. In Abb. 4-15 finden sich die entsprechenden Zahlen.
Abbildung 4-15: Höchster noch wirtschaftlicher Strompreis (im Hinblick auf die Zusatzinvestitionen gegenüber der Referenzheizung Gas) bei einer Amortisationsdauer von 10 Jahren. Beispiel für einen Gaspreis von 15 ct/kWh (zweite Rubrik von rechts): Der maximale noch wirtschaftliche Strompreis für die Wärmepumpe ohne PV (inkl. Förderung) unter der Bedingung „Amortisation innerhalb von 10 Jahren“ liegt in diesem Fall bei 27,4 ct/kWh. Für die Wärmepumpe mit PV (inkl. Förderung) liegt der entsprechende Grenzwert bei 33,5 ct/kWh.
Mit Blick auf die aktuell gültige Gaspreisbremse (Gaspreis von 12 ct/kWh) entnimmt man Abbildung 4-15, dass bei der gewünschten Amortisation innerhalb von max. 10 Jahren der höchste noch ökonomisch annehmbare Strompreis für die Wärmepumpe ohne PV (inkl. Förderung) bei nur 18,4 ct/kWh liegt. Bei Nutzung von PV-Strom (WP mit PV) sind es maximal 19,9 ct/kWh. Die tatsächlichen Strompreise bewegen sich in der Spanne zwischen 35 und 60 ct pro kWh (gedeckelt bei 40 ct) und sind damit weit darüber. Bei einem mittelfristig nicht auszuschließenden Gaspreis von 20 ct pro kWh würden sich maximal zulässige Strompreise von 42,5 ct pro kWh (WP o. PV) bzw. 56,2 ct pro kWh (WP mit PV) ergeben.
Ob die in den vorstehenden Grenzbetrachtungen erhaltenen Strompreise eingehalten werden, kann man nicht sicher vorhersagen, da die Energiewende (insbesondere die erforderliche Installation von Windrädern und Photovoltaikanlagen) noch hohe 3-stellige Milliardenbeträge verschlingen wird und die Bundesregierung auch plant, zukünftig verstärkt neue Gaskraftwerke für die Stromproduktion zu bauen, um damit die temporär entstehenden Lücken in der Wind- und Solarstromproduktion zu schließen. Im Ergebnis wird man wohl davon ausgehen müssen, dass sich höhere Gaspreise auch auf die Strompreise auswirken werden.
Ausblick auf Teil 5
Über den konkret betrachteten Fall hinaus werden grundsätzliche Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen gegenüber Gas-Brennwertthermen angestellt. Ferner werden Wirtschaftlichkeitskriterien mit und ohne Investition sowie mit und ohne Einsatz von Photovoltaik formuliert.
Wir betrachten die zu erwartenden CO2-Emissionen von Luft-Wasser-Wärmepumpen im Bestand anhand einer Modellrechnung auf Basis realer Verbrauchswerte mit und ohne Photovoltaik. Es wird die Frage beantwortet: Was bringt das Heizen mit Wärmepumpe gegenüber dem Heizen mit Gas an CO2-Einsparung? Neben der grundsätzlichen Analyse wird eine bespielhafte Modellrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) durchgeführt.
Die Eckdaten des Objekts
Im Folgenden wollen wir einen konkreten Vergleich zwischen einer Gas-Brennwerttherme und einer Wärmepumpe für das selbe Gebäude und identischen Wetterdaten vornehmen. Das Gebäude hat einen Wärmebedarf von 90 kWh/m2a und einen Bedarf an Warmwasser von 200 l/d. Entsprechend der Gebäudegröße entspricht dies einem Jahresverbrauch von 20.000 kWh Heizwärme inklusive der Warmwasseraufbereitung. Das sind typische Werte für einen Vier-Personenhaushalt im Einfamilienhaus.
Die Wetterdaten
Zugrunde gelegt sind die Wetterdaten der Wetterstation Oberpfaffenhofen (westlich von München). In Abb. 3-1 sind die minimalen, die mittleren und die maximalen Durchschnittstemperaturen monatsweise aufgetragen. Zusätzlich sind die Frosttage pro Monat erfasst.
Abbildung 3-1: Relevante Wetterdaten für die Verbräuche an Heizwärme und die Warmwasseraufbereitung.
Wir haben in Teil 2 (Wärmepumpe. Prinzip, Funktionsweise und Grenzen) gesehen, dass die Effizienz der Wärmepumpe maßgeblich beeinflusst wird von der Umgebungstemperatur und der Vorlauftemperatur im Heizkreis. Das betrachtete Gebäude hat einen guten energetischen Standard (Baujahr 2000) und verfügt über eine Fußbodenheizung. Teilweise wird aber auch mit großflächigen Radiatoren geheizt, so dass die Vorlauftemperaturen relativ niedrig gehalten werden können. Eigentlich sind das gute Voraussetzungen für den Einsatz einer Wärmepumpe.
Die Heizkennlinie
Konkret wurde für die Gasbrennwerttherme die folgende Heizkennlinie (s. Abb. 3-2) zugrunde gelegt und diese Kennlinie auch für die Modellrechnung mit der Wärmepumpe eingesetzt.
Abbildung 3-2: Heizkennlinie (rechte Achse) für die Brennwerttherme (Gasheizung) und die Wärmepumpe sowie temperaturabhängige COP-Werte der Wärmepumpe (linke Achse). Die tatsächlichen COP schwanken um die blaue Kurve herum und liegen typischerweise etwas darunter. Neben den Leitungsverlusten sind es vor allem systembedingte Einflussfaktoren, wie die insbesondere an Tagen mit höherer Luftfeuchtigkeit und Temperaturen um null Grad und leicht darüber immer wieder nötige Enteisung der Wärmepumpe, die die Effizienz negativ beeinflussen.
Heizwärme und Strombedarf
Aufgrund der zugrunde gelegten Wetterbedingungen ergibt sich im Mittel der folgende Verlauf des Heizenergiebedarfs und in der Folge auch des Verbrauchs an elektrischer Energie und der resultierenden CO2-Emission gewichtet mit dem Heizlastprofil.
Abbildung 3-3: Heizwärme inklusive Warmwasser der Brennwerttherme bzw. der Wärmepumpe sowie Strombedarf der Wärmepumpe (linke Achse) im Jahresverlauf für die zugrunde gelegten Wetterbedingungen lt. Abb. 3-1. Die graue Kurve zeigt den Verlauf der CO2-Emissionen in g pro kWh aufgrund des Strombedarfs der Wärmepumpe im spezifischen Heizlastprofil.
Der summarische Heizbedarf inkl. Warmwasseraufbereitung belief sich auf 20.000 kWh, der Stromverbrauch auf 6650 kWh. Es wurde hier mit den tatsächlichen Verbräuchen aus 2022 gerechnet.
Abbildung 3-4: Gesamte CO2-Emissionen der Gas-Brennwertherme und der Wärmepumpe im Jahresverlauf für die zugrunde gelegten Wetterbedingungen lt. Abb. 3-1. Die graue Kurve zeigt die summarischen Monatswerte für die CO2-Emissionen aufgrund des Gasverbrauchs (182 g/kWh Heizwärme), die orangefarbene die entsprechenden Werte für den Strombedarf der Wärmepumpe im spezifischen Heizlastprofil (480 g/kWh Strom, entsprechend ca. 160 g/kWh Heizwärme).
Man sieht, dass die beiden Kurven in Abb. 3-4 relativ nahe beieinander liegen. Die Hauptursache dafür ist die hohe CO2-Belastung des Strommix. Da im vorliegenden Fall der gemittelte Effizienzfaktor bei etwa 3 liegt, ist die aus 1 kWh Strom erhaltene Heizwärme von 3 kWh mit 480 g CO2 belastet. Das macht ca. 160 g pro kWh Heizwärme und ist damit nur unwesentlich weniger als bei der direkten Verbrennung von Gas in der Brennwerttherme. Tatsächlich liegt die Einsparung der CO2-Emissionen beim Heizen mit Wärmepumpe im Vergleich zur Gas-Brennwerttherme im Beispiel nur bei etwa 12 %, was absolut ca. 440 kg pro Jahr entspricht. Dazu später (s. Abb. 3-8).
Das Heizlastprofil
Der Grund für diese nicht besonders gute Effizienz liegt in der Verteilung des Heizbedarfs über die Temperaturbereiche. Der größte Anteil der Heizenergie fällt dann an, wenn die Temperaturen niedrig sind. Dann sind natürlich auch die COP-Werte eher klein. In Abb. 3-5 ist der Heizenergieverbrauch aus dem obigen Beispiel nach Temperaturbereichen geordnet. Wie man sieht, fallen mehr als 40 % des gesamten Energieverbrauchs bei Temperaturen unter 0 °C an, in Summe ungefähr zwei Drittel sind es bei Temperaturen unter 5 °C. Nur ein Drittel der Heizenergie wird bei Temperaturen über 5 °C verbraucht, nennenswerte Teile davon gehen auf das Konto der natürlich ganzjährig erforderlichen Warmwasseraufbereitung.
Abbildung 3-5: Verteilung des Heizenergiebedarfs (inkl. Warmwasseraufbereitung) nach Außentemperaturen. Diese Verteilung des Energiebedarfs entspricht dem bereits erwähnten Heizlastprofil.
Das vorliegende Heizlastprofil wurde auch zugrunde gelegt für die Bestimmung der im Jahresverlauf schwankenden CO2-Emisssionen pro kWh des erforderlichen Strombedarfs der Wärmepumpe (s. Abb. 1-3 und Abb. 1-4). Im Mittel sind es 480 g/kWh (s. Abb. 1-3). Die tatsächlichen Werte variieren zwischen 220 und 660 g pro kWh (s. Abb. 4). In der monatsweisen Betrachtung ergeben sich Durchschnittswerte zwischen 400 und 550 g pro kWh (s. graue Kurve in Abb. 3-3).
Kombination Wärmepumpe und Photovoltaik
Da die Wärmepumpe große Mengen an Strom braucht, liegt es nahe, dafür möglichst selbsterzeugten Solarstrom zu verwenden. Indessen gibt es auch hier ein Dilemma: An kalten Wintertagen, wenn also ein hoher Bedarf an Heizenergie besteht und somit auch der Strombedarf stark steigt, ist im Mittel wenig Solarstrom verfügbar. Wetterbedingt wird der PV-Strom überwiegend in den Sommermonaten erzeugt, dann aber benötigt die Wärmepumpe relativ wenig Strom.
In Abb. 3-6 ist der Verlauf der Stromproduktion im Bezugsjahr 2022 zusammen mit dem Strombedarf der Wärmepumpe im Jahresverlauf dargestellt. Wie man sieht, wird in den Wintermonaten deutlich zu wenig PV-Strom bereitgestellt, im Sommer gibt es dagegen ein Überangebot.
Abbildung 3-6: Strombilanz mit Wärmepumpe und Photovoltaik (5,5 kWp) im Referenzjahr 2022. Die blaue Kurve markiert den tatsächlichen Strombedarf der Wärmepumpe. Die Solarstromproduktion ist gelb-braun (mit gelben Quadraten markiert) dargestellt, die gelbe Kurve darunter (mit gelben Kreisen markiert) ist der für die Wärmepumpe verfügbare Anteil. Dieser Anteil ist i.d.R. merklich kleiner, weil die Wärmepumpe z.B. auch in Phasen ohne PV-Stromproduktion Energie benötigt, z.B. abends. Tatsächlich verwendbar ist nur der orange gestrichelte Anteil (ebenfalls mit gelben Kreisen markiert). Die blau gestrichelte Kurve zeigt den restlichen Strombedarf, der vom Energieversorger (EV) bezogen werden muss. In den Sommermonaten deckt der verwendbare Anteil aus dem PV-Strom den kompletten Strombedarf der Wärmepumpe ab.
Die CO2-Emissionen unter Einbeziehung des PV-Stroms
Betrachten wir nun die resultierende CO2-Bilanz bei Verwendung des PV-Stroms. In Abb. 3-7 sind die Kurvenverläufe dargestellt. Als zusätzlichen Vergleich haben wir hier die Gasheizung ebenfalls mit der PV-Anlage kombiniert und dazu das Warmwasser mittels Heizstab und dem überschüssigen Solarstrom aufbereitet, sofern dieser verfügbar war. Im Ergebnis konnte so der Gasverbrauch etwas reduziert werden und damit auch der durch die Gasverbrennung verursachte CO2-Ausstoß.
Abbildung 3-7: CO2-Bilanz für Gasheizung und Wärmepumpe mit und ohne und Photovoltaik (5,5 kWp) im Referenzjahr 2022. Die graue Kurve zeigt die summarischen Monatswerte für die CO2-Emissionen aufgrund des Gasverbrauchs (182 g/kWh Heizwärme), die orangefarbene die entsprechenden Werte für den Strombedarf der Wärmepumpe im spezifischen Heizlastprofil (480 g/kWh Strom, entsprechend ca. 160 g/kWh Heizwärme). Die gestrichelten und jeweils mit gelben Kreisen markierten Pendants dazu zeigen die CO2-Emissionen beim Einsatz Gas plus Heizstab (ausschließlich PV-Strom) sowie den Verlauf der Emissionen beim Heizbetrieb mit Wärmepumpe und der möglichst hohen Stromnutzung aus der PV-Anlage (wie in Abb. 3-6 dargestellt).
Die CO2-Emissionen im monatlichen Vergleich
Man entnimmt Abb. 3-7 unmittelbar die merkliche Reduzierung der CO2-Emissionen bei Verwendung des PV-Stroms. Im nachfolgenden Säulendiagramm kommt die positive Wirkung deutlich zum Ausdruck.
Abbildung 3-8: CO2-Bilanz für Gasheizung und Wärmepumpe mit und ohne und Photovoltaik (5,5 kWp) im Referenzjahr 2022. Die Säulen zeigen für jeden Monat die jeweiligen CO2-Emissionen in kg für den reinen Gasbetrieb (grau), Gas plus Heizstab mit PV-Strom (grau-gelb schraffiert), Wärmepumpe ohne PV-Strom (orange) und Wärmepumpe mit PV-Strom (orange-gelb schraffiert). In den Monaten Mai bis September deckt der verwendbare Anteil aus dem PV-Strom den kompletten Strombedarf der Wärmepumpe ab, so dass rechnerisch keine (bzw. keine nennenswerten) CO2-Emissionen anfallen (s. grün-gestrichelte Pfeile).
Nicht unerwarteterweise ist die relative Verringerung des Strombezugs vom Energieversorger am größten in den Sommermonaten. Das ist indessen auch der Zeitraum des geringsten Heizwärmebedarfs, so dass der Effekt unterm Strich begrenzt bleibt. Er ist aber dennoch nennenswert, wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden.
Die CO2-Bilanz in der Übersicht
Übers ganze Jahr gerechnet ergeben sich im Fall der Gasheizung 3.685 kg CO2 und bei der Heizung mit Wärmepumpe 3.244 kg, also 12 % weniger. In Verbindung mit einer PV-Anlage kann der Strombedarf der Wärmepumpe teilweise (etwa zu einem Drittel) über selbst erzeugten Solarstrom abgedeckt werden. Im Ergebnis reduziert das die strombedingten CO2-Emissionen der Wärmepumpe um 33 % auf 2.174 kg. Im Vergleich dazu verringert die Kombination Gasheizung mit Heizstab und gleichzeitiger Nutzung des PV-Stroms die CO2-Emissionen nur um 10 % auf 3311 kg (s. Abb. 3-9). Im Ergebnis liegen die CO2-Emisssionen der Gasbrennwerttherme mit PV aber immerhin in etwa auf dem Niveau der Wärmepumpe ohne PV.
Abbildung 3-9: Vergleich der CO2-Emissionen für Gasheizung um Wärmepumpe mit und ohne und Photovoltaik (5,5 kWp) im Referenzjahr 2022.
Resümee
Die Quintessenz aus Abb. 3-9 und damit aus dem kompletten Beitrag kann man folgendermaßen formulieren:
1. Die Wärmepumpe bringt im Vergleich zu einer Gas-Brennwerttherme im deutschen Strommix keine nennenswerte Einsparung an CO2-Emissionen (- 441 kg oder ≈ -12 %).
2. Eine Gas-Brennwerttherme in Verbindung mit einer PV-Anlage und einem Heizstab zur Aufbereitung des Warmwasserbedarfs führt im Ergebnis praktisch zur gleichen Menge an CO2-Emissionen (-374 kg oder ≈ -10 % statt -12 %) wie eine vielfach teurere Wärmepumpe.
3. In Verbindung mit einer passend dimensionierten Photovoltaik-Anlage (Stromproduktion ≈ Jahresverbrauch der Wärmepumpe) kann etwa ein Drittel des PV-Stroms für die Wärmepumpe verwendet werden. In diesem Fall hat die Wärmepumpe im Vergleich zu einer Gas-Brennwerttherme ein erhebliches CO2-Einsparpotential (≈ -40 %). Die Beispielbetrachtung zeigt eine Verringerung um ca. 1.500 kg. Gleichwohl verbleiben die CO2-Emissionen immer noch auf einem hohen Niveau. Es gibt keinen grundsätzlichen Wandel.
Selbstverständlich ist dieses Resümee auf den derzeitigen Strommix mit der noch relativ hohen CO2-Emission von 480 g/kWh im Strommix des Heizlastprofils bezogen. Dieser Wert kann – und muss – im Verlauf der nächsten Jahre sinken. Sobald die spezifische CO2-Belastung im Strommix auf deutlich unter 360 g/kWh fällt, kann man mit einem größeren Effekt als die angegebenen etwa 10 % im Hinblick auf die CO2-Einsparung rechnen. Bis 2030 ist indes nicht zu erwarten, dass auf diesem Wege größere Einsparpotentiale zu erzielen sind, da immer noch Kohle verstromt wird und der quasi CO2-freie Atomstrom nicht mehr verfügbar ist.
Ausblick auf Teil 4
Ist der Umstieg von der Gasheizung auf die Wärmepumpen-Heizung wirtschaftlich sinnvoll? Hierzu wird eine konkrete Beispielrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) mit einem typischen Wärmebedarf und einem akzeptablen Energiestandard (Energieeffizienzklasse C) durchgeführt. In die Betrachtung werden die bekannten Fördermaßnahmen mit einbezogen und die Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der Betriebskosten und der Investitionen im Vergleich zu einer modernen Gas-Brennwerttherme bei unterschiedlichen Gas-/Strom-Preiskombinationen bewertet.
Die grundsätzliche Wirkungsweise von Wärmepumpen wird erläutert. Dazu wird der COP-Wert als der wichtigste Effizienzfaktor von Wärmepumpen eingeführt und es werden die theoretisch möglichen und die in der Praxis erreichbaren Effizienzwerte abgeleitet und mit aktuellen Studien verglichen.
Heizen mit Wärmepumpe – der Carnot-Prozess
Das Prinzip der Wärmekraftmaschine ist bekannt: Die in einem Trägermedium mit hoher Temperatur enthaltene thermische Energie wird aufgenommen und zum Teil in Bewegung (mechanische Energie) umgewandelt. Dabei kühlt sich das Medium ab. Die verbleibende Restwärme wird an die Umwelt abgegeben. Ausgeführt als Kreislaufprozess kann so kontinuierlich aus Wärme Bewegung erzeugt werden. Diesem Vorgang liegt der Carnot-Prozess zugrunde. In einer Wärmepumpe wird dieses physikalische Prinzip umgekehrt: Die eingesetzte mechanische Energie wird dazu verwendet, Wärmeenergie aus der Umgebung an ein Trägermedium zu übertragen. Die aufgenommene thermische Energie wird anschließend zielgerichtet abgeleitet (also z.B. für die Erwärmung von Wasser benutzt), dabei kühlt sich das Trägermedium wieder ab. Danach kann der Prozess unter erneutem Einsatz von mechanischer Energie wiederholt werden. Es ist auch hier ein Kreislaufprozess.
Abbildung 2-1: Prinzip der Wärmepumpe als Umkehrung der Wärmekraftmaschine (Carnot-Kreisprozess)
Abhängig vom dafür eingesetzten Trägermedium ist es mit der Wärmepumpe im Grundsatz möglich, bei nahezu jeder Temperatur der Umwelt thermische Energie zu entziehen und diese zur Aufheizung zu verwenden. Dazu muss man sich vergegenwärtigen, dass z.B. auch Außenluft mit einer Temperatur von unter Null Grad Celsius noch Wärmeenergie enthält. Der Bezugspunkt dafür ist der absolute Nullpunkt von -273 °C = Null Grad Kelvin. Bei 250 Grad Kelvin (= -23 °C) enthält ein Stoff erheblich mehr thermische Energie als bei 200 °K (= -73 °C). Wenn ihm diese entzogen wird, so kann sie prinzipiell an anderer Stelle zum Aufheizen verwendet werden. Erst beim absoluten Nullpunkt ist die thermische Energie null.
Es ist daher auch ohne Weiteres durchführbar, der kalten Außenluft, die z.B. im Winter deutlich unter 0 ° Celsius liegen kann, Wärmeenergie zu entziehen und diese als Heizquelle zu verwenden.
Grundsätzliches zur Effizienz von Wärmepumpen
Die Effizienz der Wärmeerzeugung hängt ab vom verwendeten Trägermedium (typischerweise ein Gas mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, z.B. Propan), der Umwelttemperatur und der Zieltemperatur der Heizwärme. Je höher die Temperatur der Umwelt und je niedriger die gewünschte Heiztemperatur, desto größer der Effizienzfaktor der Wärmepumpe, meist Coefficient of Performance (COP) genannt. Theoretisch sind COP-Werte von bis zu 10 möglich. Aufgrund von unvermeidlichen Verlusten werden in der Praxis Werte von etwa 2 (niedrige Außentemperatur, hohe Heiztemperatur, z.B. bei der Brauchwassererwärmung) bis 5 (hohe Außentemperatur, niedrige Heiztemperatur, z.B. Fußbodenheizung) erreicht.
Grundsätzlich kann der Effizienzfaktor (COP) im zugrundeliegenden Carnot-Prozess wie folgt bestimmt werden:
Dabei ist z.B. \(T_H\) die Temperatur im Heizkreis (Vorlauftemperatur) und \(T_U\) die Umwelttemperatur. Man sieht hier unmittelbar: Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Heizkreis und Umwelt, desto größer der Effizienzfaktor. Die Temperaturen sind hierbei in Kelvin anzugeben.
Abbildung 2-2: Prinzip der Wärmepumpe: Aus Umweltwärme wird unter Einsatz von mechanischer Arbeit (elektrische Antriebsenergie) Heizwärme. Die Effizienz der Wärmeerzeugung hängt ab vom verwendeten Trägermedium (typischerweise ein Gas mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, z.B. Propan), der Umwelttemperatur und der Zieltemperatur der Heizwärme. Je höher die Temperatur der Umwelt und je niedriger die gewünschte Heiztemperatur, desto größer der Effizienzfaktor COP.
Haben Wärmepumpen einen Wirkungsgrad von mehr als 100 %?
Da man aus dem Einsatz von 1 kWh Strom teilweise 3 oder 4 kWh Wärmeenergie erhält, scheint der Wirkungsgrad der Wärmepumpe größer als 1 zu sein, sogar deutlich größer als 1. Manchmal liest man daher, der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe liege bei 300 oder 400 Prozent. Das ist Unsinn. Rein physikalisch ist auch der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, wie der eines jeden technisch-physikalischen Systems, auf jeden Fall kleiner als 1 (also <100 %), weil in die Energiebilanz auch die der Umwelt entnommene Wärmeenergie einbezogen werden muss. Der COP-Wert darf nicht mit dem Wirkungsgrad verwechselt werden. Er beschreibt lediglich das Verhältnis zwischen der erhaltenen Heizwärme und der investierten elektrischen Energie.
Realistische COP-Faktoren
Mit der oben angegebenen Formel wird indes nur eine theoretische Effizienz bestimmt. In der Praxis gibt es eine Reihe von Verlusten, so dass der tatsächliche COP-Faktor sogar unter Laborbedingungen den Wert
Unter günstigen Bedingungen, also bei vergleichsweise hohen Umwelttemperaturen und niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizkreis, werden COP-Werte über 4 erzielt. Um vier Kilowattstunden Heizwärme zu erzeugen, muss dann nur eine Kilowattstunde elektrische Energie eingesetzt werden. Anders sieht es aus, wenn die Umwelttemperaturen niedrig (unter null Grad Celsius) und die erforderlichen Heizkreis-Vorlauftemperaturen hoch sind. Letzteres ist dann der Fall, wenn mit klassischen Radiatoren geheizt wird und der Wärmebedarf (z.B. bei vielen Gebäuden im Bestand) eher höher anzusetzen ist. Dann muss man mit COP-Werten zwischen 2 und 3 rechnen.
In Abb. 2-3 ist der prinzipielle Zusammenhang zwischen Außentemperatur und COP-Wert dargestellt.
Abbildung 2-3: Theoretisch möglicher und praktisch erzielbarer Effizienzfaktor COP in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur. Dabei wurde eine Heizkreisvorlauftemperatur von 40 °C bei 0 °C und 45 °C bei -10 °C Außentemperatur zugrunde gelegt. Der blau verschwommene Bereich um die durchgezogene Kurve soll die Schwankungsbreite der real erzielbaren COP-Werte symbolisieren.
Der Einfluss der Heizkreistemperatur
Neben der Außentemperatur hat insbesondere auch die Zieltemperatur – im Falle der Heizung also die Vorlauftemperatur – einen maßgeblichen Einfluss auf die resultierenden COP-Werte. In Abb. 2-4 wird das exemplarisch für drei unterschiedliche Vorlauftemperaturen aufgezeigt.
Abbildung 2-4: Praktisch erzielbare Effizienzfaktoren COP in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur und unterschiedlichen konstanten Vorlauftemperaturen im Heizkreis. Der farblich verschwommenen Bereiche um die durchgezogenen Kurven sollen die Schwankungsbreite der real erzielbaren COP-Werte symbolisieren. Man erkennt dennoch unschwer, dass eine Vorlauftemperatur von 65 °C höchst ineffizient ist. Dabei tritt dieser Fall bei der Warmwasseraufbereitung durchaus auf. Aber auch eine Vorlauftemperatur von 50 °C ist bei den üblicherweise zu erwartenden Wintertemperaturen von unter 0 °C kaum wirklich günstig zu nennen, da der resultierende COP-Faktor unter 3 fällt.
Effizienz von Wärmepumpen in der Praxis
Nachfolgend werden die typischerweise erreichten COP-Werte für die drei diskutierten Vorlauftemperaturen übersichtlich in einem Säulendiagramm dargestellt. Im konkreten Falle können die tatsächlichen COP-Werte davon abweichen. Das hängt von der jeweiligen Wärmepumpe und vom Aufstellungsort ab. Als Orientierung können die Werte dennoch dienen.
Abbildung 2-5: Praktisch erzielbare Effizienzfaktoren in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur und unterschiedlichen konstanten Vorlauftemperaturen im Heizkreis. Man erkennt unschwer, dass die hohe Vorlauftemperatur T_V von 65 °C ein Effizienzkiller ist. Aber auch bei einer Heizkreistemperatur von 50 °C und Außentemperaturen von unter 0 °C erreicht man bei niedrigen Außentemperaturen kaum COP-Werte über 3. Auf der anderen Seite erweist sich die niedrige Vorlauftemperatur von T_V = 35 °C, wie man sie in Verbindung mit einer Fußbodenheizung regelmäßig antrifft, noch bis hinunter zu einstelligen Minustemperaturen als sehr effizient.
Vergleich mit Ergebnissen aus Studien
Dazu sei an dieser Stelle auf die aktuelle Studienlage zu den in der Praxis erzielbaren Effizienzfaktoren von Luft-Wasser-Wärmepumpen hingewiesen. Vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) nennt eine Studie aus 2017 COP-Werte von 1,9 – 3,3 mit einem Mittelwert von 2,6 (s. Zukunft Bau: Effizienz von Wärmepumpen). Davon nicht gänzlich verschieden berichtet eine Studie von Agora Energiewende 2022 (s. A-EW_273_Waermepumpen_WEB.pdf (agora-energiewende.de) Werte von 2,5 – 3,8 mit einem Mittelwert von 3,1. Durchgeführt wurde diese Studie von Fraunhofer ISE und dem Öko-Institut e.V. In älteren Studien (s. WP-Bericht-2006-07 (pro-dx.de)) wurden eher geringere Werte gemessen, z.B. COP 2,1 – 3,3 mit einem Mittelwert von 2,8 beim Betrieb mit Fußbodenheizung (also niedriger Vorlauftemperatur) und 1,4 – 2,8 mit einem Mittelwert von 2,3 beim Betrieb mit Radiatoren, also klassischen Heizkörpern (und damit höherer Vorlauftemperatur).
Anmerkung: Da diese Studien vornehmlich eher von Lobbyverbänden und ihnen nahestehenden Instituten durchgeführt wurden, stehen die Ergebnisse nach Ansicht des Autors nicht im Verdacht einer ausgesprochen negativen Berichterstattung. Jedenfalls darf bzw. muss man wohl davon ausgehen, dass die tatsächlichen COP-Faktoren in Bestandsgebäuden im Mittel kaum über den in den Studien genannten Werten liegen werden.
Diskussion zu den COP-Faktoren
Wie man Abb. 2-5 entnehmen kann, ist die Wärmepumpe bei hohen Außentemperaturen sehr effizient. Mit einem geringen Einsatz an elektrischer Energie erzielt man hohe Wärmeleistungen. Aber natürlich benötigt man eine Heizung vor allem dann, wenn es kalt ist. Sofern der Heizkreis auf niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt ist (z.B. Fußbodenheizung), sind für das Heizen mit Wärmepumpe auch Frosttage mit Temperaturen bis -10 °C und darunter kein ernsthaftes Problem. Anders sieht es aus bei hohen Vorlauftemperaturen, wie das bei Gebäuden im Bestand und klassischen Radiator-Heizungen zu erwarten ist. Bei Temperaturen unter -10 °C und Vorlauftemperaturen von 50 °C und mehr sinkt die Wärmepumpen-Effizienz schnell unter die klimapolitisch sinnvolle Schwelle von COP = 3, entsprechend steigen die Betriebskosten. Glücklicherweise sind solche niedrigen Temperaturen nur selten zu erwarten (in Deutschland regional unterschiedlich mit etwa 1 % Wahrscheinlichkeit [2 – 5 Tage pro Jahr]).
Bei der Bewertung der Effizienzfaktoren aus Abb. 2-5 muss man noch berücksichtigen, dass der größte Wärmebedarf eben bei niedrigen Außentemperaturen anfällt, so dass bei der gewichteten Mittelwertbildung übers Jahr gerade die niedrigeren COP-Werte das Gesamtergebnis stark beeinflussen. Die bei den hohen Außentemperaturen sehr günstigen COP-Faktoren von 3,5, 4,5 oder 6 klingen gut, sind in der Gesamtbetrachtung aber eher von nachrangiger Bedeutung, weil bei höheren Temperaturen von 10 °C und mehr nur ein geringer Teil der erforderlichen Jahresheizwärme erzeugt werden muss. Allenfalls kann die ganzjährig nötige Warmwasseraufbereitung davon profitieren.
Wie steht’s mit der Wirtschaftlichkeit?
Verglichen mit einer reinen Elektroheizung ist gewiss jeder COP-Wert über 1 von Vorteil. Aber: Die absehbaren Betriebskosten liegen dann schnell in Bereichen über den Kosten für die klassischen fossilen Energieträger Öl, Gas und Holz (Pellets) – und dies bei nicht unerheblichen Investitionen für die Installation der Wärmepumpe. Dieser Themenkreis wird im Hinblick auf Erdgas als Energieträger in den Teilen 4 und 5 näher beleuchtet.
Bereits an dieser Stelle kann man aber Folgendes vorwegnehmen: Bei energetisch nicht sanierten Bestandsgebäuden mit klassischen Radiator-Heizungen und hohen Vorlauftemperaturen ist der Einsatz einer Wärmepumpe im Allgemeinen unwirtschaftlich, weil die Betriebskosten absehbar höher liegen als bei den alternativen Heizsystemen. Mittels einer durchgreifenden energetischen Sanierung kann man die Effizienz steigern und damit die Heizkosten deutlich senken, allerdings können die dafür erforderlichen hohe Zusatzinvestitionen leicht einige 10.000 € ausmachen und teilweise gar sechsstellig werden. Und wenn dabei die Strompreise im Vergleich zum heutigen Niveau nicht erheblich nachgeben, dann ist es fraglich, ob sich die Investitionen überhaupt je amortisieren werden. Mehr dazu in Teil 4.
Ausblick auf Teil 3
Wir betrachten die zu erwartenden CO2-Emissionen von Luft-Wasser-Wärmepumpen im Bestand anhand einer Modellrechnung auf Basis realer Verbrauchwerte mit und ohne Photovoltaik. Es wird die Frage beantwortet: Was bringt das Heizen mit Wärmepumpe gegenüber dem Heizen mit Gas an CO2-Einsparung? Neben der grundsätzlichen Analyse wird eine bespielhafte Modellrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) durchgeführt.
Die Belastung der Stromproduktion mit CO2-Emissionen ist in Deutschland relativ hoch, weil noch ein erheblicher Teil der Stromerzeugung mittels fossiler Energieträger erfolgt. Es wird erläutert, wie der durchschnittliche CO2-Ausstoß pro kWh im Strommix zustande kommt. Ferner werden die Chancen und Risiken bezüglich des Ausbaus der Erneuerbaren – insbesondere von Windkraft und Solarstrom – diskutiert. Im Hinblick auf die Sicherstellung der Stromversorgung fragen wir exemplarisch nach der nötigen Speicherkapazität in Zeiten geringer Wind- und Solarstromerträge. Dabei beleuchten wir auch die mögliche Rolle von Elektroautos.
Stromproduktion nach Energieträgern
Betrachten wir zunächst einmal den deutschen Strommix.
Abbildung 1-2: Stromverbrauch nach Energieträgern 2022
Man kann den vorstehenden Abbildungen unschwer entnehmen, dass Kohle, Erdgas und Kernenergie mit über 50 % Anteil das Rückgrat der deutschen Stromproduktion bilden. Zwar liefern PV-Anlagen und Windkraft zusammen auch mehr als ein Drittel (35 % entsprechend 177 TWh), doch ist dieser Anteil aus den bekannten Gründen nur schwer planbar. Immerhin steigt die effektive Solar- und Windstromproduktion von Jahr zu Jahr. Noch 2010 waren es zusammen nur 50 TWh. Heute sind es also dreieinhalb Mal soviel.
Trotz des in 2022 um mehr als 10 TWh höheren Windstromertrags und der zugleich um 9 TWh größeren Ausbeute beim Solarstrom, stieg im Vergleich zu 2021 dennoch die Kohleverstromung um 13 TWh. Dabei war der Gesamtverbrauch sogar um etwa 10 TWh gesunken. Der Grund für das Plus bei der Kohle liegt in der Abschaltung von 3 Kernkraftwerken im Dezember 2021 und der daraus folgenden um 33 TWh geringeren Produktion von Atomstrom.
Aufgrund des hohen Anteil an Kohle ist zu erwarten, dass der CO2-Ausstoß nicht gerade klein ausfällt. Das beleuchten wir im folgenden Abschnitt.
Abbildung 1-4: CO2-Emissionen des Stromverbrauchs nach Energieträgern 2022
Wie man sieht, kommen die CO2-Emissionen überwiegend (75 %) aus der Kohleverstromung. Erdgas trägt nur knapp 14 % dazu bei. Die anderen Anteile kann man auf den ersten Blick demgegenüber vernachlässigen. Es ist dennoch aufschlussreich, genauer zu beleuchten, wie die diversen Energieträger (wobei wir auch die Erneuerbaren der Einfachheit halber als solche bezeichnen wollen) zu den Emissionen beitragen.
Beim Vergleich der beiden Jahre fällt auf, dass die Emissionen aus der Kohle in 2022 gegenüber 2021 um 12,4 Mio. t höher ausgefallen sind. Dies ist auf die bereits oben erwähnte höhere Kohleverstromung aufgrund der gezielten AKW-Abschaltung Ende 2021 zurückzuführen.
Verlauf der CO2-Emissionen im Verlauf der letzten 30 Jahre
Abbildung 1-5: Verlauf der CO2-Emission im deutschen Strommix (1990 – 2021). Die CO2-Emissionen gehen seit 1990 mit gelegentlichen Seitwärtsbewegungen zurück. Die Delle in 2020 ist eine Folge der Corona-Pandemie. In 2022 sind die Emissionen aufgrund der Abschaltung von 3 Atomkraftwerken und der Ersatzverstromung von Kohle gegenüber 2021 abermals gestiegen. Quelle: Umweltbundesamt (März 2022).
Abbildung 1-6: Spezifische CO2-Emissionen verschiedener Energieträger bei der Stromproduktion und durchschnittliche Emissionen im Strommix (2022). Quelle: Umweltbundesamt (Strommix Deutschland); eigene Berechnung (Strommix Deutschland im Heizlastprofil).
Neben den spezifischen CO2-Emissionen pro kWh sind im Diagramm auch zwei Mittelwerte für die CO2-Belastung von 420 und 480 g pro kWh im Strommix angegeben. Der erste Wert ergibt sich, wenn man die Gesamtemissionen an CO2 (s. Abb. 1-3 und 1-4) durch den Wert für die Gesamtstromproduktion (s. Abb. 1-1 und 1-2) teilt. Beim zweiten Wert ist es etwas schwieriger. Hier wird auch der zeitliche Verlauf der Stromproduktion und der Anteil der Energieträger mit berücksichtigt und daraus das gewichtete Mittel nach Maßgabe eines vorgegebenen Lastprofils gebildet. Da Heizstrom vor allem in der kalten Jahreszeit benötigt wird, dabei aber kaum Solarstrom und oft auch nur wenig Windstrom produziert wird (und folglich der Anteil der konventionellen Energieträger, also vornehmlich Kohle, steigt), ergibt sich im Heizlastprofil ein etwas höherer Durchschnittswert für die CO2-Emissionen pro kWh.
CO2-Emissionen im Jahresverlauf der Stromproduktion
Der Beitrag der Erneuerbaren zum Strommix ist bekanntermaßen variabel. Im Sommer ist der Anteil der Photovoltaik hoch, im Winter gibt es dagegen kaum Solarstrom. Beim Wind ist es ähnlich: Es gibt Zeiten mit einer sehr hohen Produktion von Windstrom, zu anderen Zeiten ist der Beitrag aber nur sehr gering. Das hat unmittelbar Einfluss auf die entsprechenden CO2-Emissionen. In den beiden folgenden Grafiken ist das exemplarisch für den Jahresverlauf 2021 und 2022 dargestellt.
Abbildung 1-7: Stromproduktion und Stromverbrauch im Jahresverlauf 2021. Zur Farbcodierung: Solarstrom ist gelb, Windstrom ist blau, konventionelle Energieträger sind in dunkelgrauer Farbe dargestellt. Der violette Kurvenverlauf (ohne Füllung) zeigt die CO2-Emissionen in Gramm pro kWh. Einige Maxima (rot) und Minima (weiß) sind exemplarisch hervorgehoben und mit den entsprechenden Zahlenwerten versehen. Im Durchschnitt stellt sich ein Wert von 390 g pro kWh ein. Quelle und Rohdaten: Agora Energiewende, Stand 29.03.2023.
Abbildung 1-8: Stromproduktion und Stromverbrauch im Jahresverlauf 2022. Zur Farbcodierung: Solarstrom ist gelb, Windstrom ist blau, konventionelle Energieträger sind in dunkelgrauer Farbe dargestellt. Der violette Kurvenverlauf (ohne Füllung) zeigt die CO2-Emissionen in Gramm pro kWh. Einige Maxima (rot) und Minima (weiß) sind exemplarisch hervorgehoben und mit den entsprechenden Zahlenwerten versehen. Im Durchschnitt stellt sich der bereits oben genannte Wert von 420 g pro kWh ein. Quelle und Rohdaten: Agora Energiewende, Stand 29.03.2023.
Können Wind- und Solarstrom die Energieversorgung sicherstellen?
Wie wir gesehen haben, werden über Wind und Sonne maximal etwa 30 – 40 Prozent der benötigten Strommenge abgedeckt. Auf den ersten Blick könnte man daher vermuten, dass ein Ausbau dieser beiden Erneuerbaren um den Faktor zwei bis drei alle unsere Energieprobleme lösen würden. Tatsächlich kann man solche Aussagen im Netz finden und auch nicht wenige Politiker sind dieser Auffassung.
So wurde im Koalitionsvertrag der Ampel festgelegt, dass die Erneuerbaren bis 2030 auf eine Produktionskapazität von 80 % des Jahresstrombedarfs ausgebaut werden sollen. Dabei wurde auch gesagt, man sei damit sehr nahe an der Vollversorgung mit Erneuerbaren. Das ist natürlich Unsinn. Auch ein Ausbau auf 150 % oder gar 200 % würde keineswegs ohne Weiteres zu einer echten Autarkie führen. Das liegt daran, weil die summarische Betrachtung – also die Energiebilanz übers ganze Jahr – keine Aussage darüber macht, ob zu allen Zeiten Stromproduktion und Stromverbrauch im Gleichgewicht waren. Genau das ist aber – abgesehen von Speichermöglichkeiten – jederzeit nötig.
Zeitweise Defizite in der Wind- und Solarstromproduktion
Wenn im Oktober aufgrund von viel Wind und Sonne 15 Milliarden Kilowattstunden (= 15 TWh) mehr Wind- und Solarstrom produziert werden als benötigt, dann hilft das eben im November, ohne Sonne und ohne Wind und einer daraus resultierenden Deckungslücke von 10 TWh, nicht weiter. Letztlich muss in diesem Fall die unabweisbare Stromlücke konventionell geschlossen werden. In der Bilanzierung für Oktober und November würde dennoch ein Plus von 5 Milliarden Kilowattstunden (= 5 TWh) ausgewiesen werden, was beim nicht sachkundigen Beobachter leicht den Eindruck erwecken könnte, Windkraft und Solarstrom seien ausreichend vorhanden gewesen. Das ist ein Trugschluss, dem nichtsdestotrotz immer noch viele aufsitzen. Tatsächlich fehlten eben 10 TWh, und das war auch die Strom-Versorgungslücke.
Abbildung 1-9: Stromproduktion und Stromverbrauch im Jahresverlauf 2021 mit exemplarisch markierten Wind- und Solarstromdefiziten. Zur Farbcodierung: Solarstrom ist gelb, Windstrom ist blau, konventionelle Energieträger sind in dunkelgrauer Farbe dargestellt. Die größten Wind- und Solarstromlücken sind mit weißen Pfeilen gekennzeichnet. Dazu ist jeweils die Größe der Lücke angegeben. Vornehmlich im Spätherbst und Winter können die Defizite 40 bis 60 GW betragen. Zu diesen Zeiten werden teilweise nur 10 GW Leistung oder etwa 15 % des Bedarfs über Erneuerbare beigesteuert. Auch im Sommer treten mitunter große Produktionslücken mit bis zu 45 GW auf. Quelle und Rohdaten: Agora Energiewende, Stand 29.03.2023.
Abbildung 1-10: Stromproduktion und Stromverbrauch im Jahresverlauf 2022 mit exemplarisch markierten Wind- und Solarstromdefiziten. Zur Farbcodierung: Solarstrom ist gelb, Windstrom ist blau, konventionelle Energieträger sind in dunkelgrauer Farbe dargestellt. Die größten Wind- und Solarstromlücken sind mit weißen Pfeilen gekennzeichnet. Dazu ist jeweils die Größe der Lücke angegeben. Vornehmlich im Spätherbst und Winter können die Defizite 40 bis 60 GW betragen. Aber sogar im Sommer sind Leistungsfehlbeträge von 30 – 40 GW trotz hoher solarer Anteile keine Seltenheit (dabei war 2022 bezüglich der Solarstromerzeugung ein besonders gutes Jahr). Im Spätherbst und Winter werden teilweise nur 10 GW Leistung oder etwa 15 % des Bedarfs über Erneuerbare gedeckt. Quelle und Rohdaten: Agora Energiewende, Stand 29.03.2023.
Wie gravierend sind denn die potentiellen Stromlücken?
Zur richtigen Einordnung der angegebenen Stromlücken ist Folgendes zu sagen: Für eine Leistung von 10 GW benötigt man mindestens 2.000 Windräder der 5-Megawatt-Klasse (also Groß-Windkraftanlagen). Das gilt aber nur dann, wenn der Wind tatsächlich mit der Nennwindgeschwindigkeit bläst (meist 10 m/s). Bezogen auf die mittlere Leistungsabgabe benötigt man ein Vielfaches davon, nämlich etwa 9.000 solche Groß-Windräder (an Land), da der Effizienzfaktor (manchmal auch Leistungsausbeute oder Leistungsfaktor genannt) im Mittel nur bei etwa 22 % liegt. Im Falle der vorliegenden Lücken würde begreiflicherweise auch das wenig nützen, weil die geringen Erträge ja gerade aufgrund des sehr schwachen Windes entstehen.
Die Eingangsfrage, ob Wind- und Solarstrom die Energieversorgung sicherstellen können, kann man vorläufig so beantworten: Im Prinzip ja, aber nur dann, wenn das Wetter mitspielt.
Ein Extrembeispiel zum Windkraftdefizit
Um die Problematik an einem konkreten Beispiel festzumachen, betrachten wir den zweiten vertikalen Pfeil von rechts in Abb. 1-10. Die tatsächliche Windstromleistung (Onshore und Offshore) liegt in diesem Falle bei etwa 4 GW, der Leistungsbedarf ist aber 68 GW. Abzüglich anderer erneuerbarer Anteile entsteht so eine Lücke von 54 – 60 GW. Wollte man sie allein mit Windstrom schließen, so bräuchte man dafür offensichtlich mindestens die 13-fache Windstromkapazität (54/4 =13,5). Anstelle der heute (Ende 2022) installierten Windkraftleistung von ca. 65 GW müssten wir also über mehr als 800 GW verfügen.
Das wären 160.000 Windräder der 5-Megawatt-Klasse. Nur nebenbei bemerkt: Den Platzbedarf dafür können wir bei einem Abstand von 500 m (also 4 Windräder pro Quadratkilometer) auf 40.000 Quadratkilometer taxieren. Stellt man sie deutlich enger zusammen, sagen wir in einem Abstand von 333 m (also 9 Windräder pro Quadratkilometer; allerdings wird das die Leistungsabgabe substanziell beeinträchtigen), dann reichen 18.000 Quadratkilometer, was am Ende auf ca. 5 % der Landesfläche Deutschlands hinauslaufen würde: Das entspricht etwa der Größe von Sachsen oder den aufsummierten Flächen von Bremen, Hamburg, Berlin und Schleswig-Holstein zusammen. Im Mittel ist diese Vergleichsfläche in Deutschland von über 4 Millionen Menschen bewohnt.
Ist Solarstrom die Rettung?
Nach dem vorstehenden Rechenexempel sollte klar geworden sein, dass man fehlenden Windstrom nicht ohne Weiteres durch den beliebigen Ausbau der Windkraft kompensieren kann.
Die völlig analoge Aussage gilt selbstredend für Solarstrom. Diesbezüglich ist das natürlich unmittelbar einleuchtend, weil jeder weiß, dass nachts die Sonne nicht scheint und sich die Sonne im Herbst und Winter oft auch tagsüber rar macht. Hinsichtlich der Solarerträge können wir uns daher das Rechenbeispiel fast schenken. Nur so viel: In diesem Falle sind die Verhältnisse noch viel dramatischer und damit völlig aussichtslos. Daran ändert auch die Tatsache nichts, dass die gesamte im Mittel auf Deutschland einstrahlende solare Leistung ein Vielfaches unseres Strombedarfs abdecken würde. Die Rechnung geht so: mittlere solare Globalstrahlung in Deutschland ≈ 134 W/qm, Fläche ≈ 357.000 km^2, gesamte mittlere Leistung ≈ 134 W/qm * 357 Mrd. qm ≈ 48.000 GW. Das ist etwa das Siebenhundert- bis Achthundertfache des mittleren Stromleistungsbedarfs von 60 – 70 GW.
Der spezifische Solarstromertrag mit den heute verfügbaren Solarzellen liegt in Deutschland bei etwa 200 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Auf dem Papier könnten wir daher mit Photovoltaik auf 1 % der Landesfläche (≈ 3.570 Quadratkilometer = 3,57 Mrd. Quadratmeter) leicht den kompletten Jahresstrombedarf von ca. 500 Mrd. kWh decken – aber leider nur in der Jahresbilanz und eben in der Theorie.
Modellrechnung basierend auf realen Wetterdaten
Werfen wir noch einen genaueren Blick auf die vorstehend aufgezeigte Problemstellung.
Das oben skizzierte Beispiel bezog sich lediglich auf eine Momentaufnahme. Für eine genauere Analyse muss man Zeitabschnitte betrachten. Da die Wind- und Solarstromproduktion in der Regel nicht für längere Zeit extrem niedrig ist und zeitweise auch Überkapazitäten bestehen, könnte man die Überstromproduktion speichern, um damit das wetterbedingt auftretende Manko kompensieren. Im Folgenden wollen wir dafür eine exemplarische Modellrechnung durchführen.
In der Modellbetrachtung verlangen wir, dass die Energie ausschließlich aus erneuerbaren Quellen kommen soll (also keine fossilen Kraftwerke und auch keine Kernenergie). Ferner lassen wir den möglichen Import von Strom außer Acht.
Der Analyse legen wir die konkreten Wetterdaten sowie den Stromverbrauch für die Monate November und Dezember 2022 zugrunde und gehen von einem 3-fachen Ausbau der Wind- und Solarenergie gegenüber dem Stand von 2022 aus. Zusammen mit den sonstigen Erneuerbaren ergibt der dreifache Ausbau von Windkraft und Photovoltaik eine installierte Gesamtleistung mit Regenerativen von ca. 400 GW. Das sind immerhin 600 % des typischen deutschen Leistungsbedarfs von etwa 60 – 70 GW. Auf dem Papier sieht das alles sehr gut aus und sollte, so mag man auf den ersten Blick denken, ohne Weiteres den Strombedarf decken..
Realitätsnahe Analyse zum Speicherbedarf
Die sich nun aufdrängende Frage ist:
Reicht dieser dreifache Ausbau von Windkraft und Photovoltaik bereits aus? Und wenn nicht, welche Speicherkapazität wäre nötig gewesen, um im Beispielzeitraum jederzeit die Versorgungssicherheit gewährleisten zu können?
In Abb. 1-11 sind die Ergebnisse zusammenfassend dargestellt.
Abbildung 1-11: Modellrechnung zur Strombilanz mit Erneuerbaren basierend auf den realen Wetterdaten vom November und Dezember 2022. Unterhalb des Diagramms sind die resultierenden Werte für die Speicherkapazität sowie die minimale und die maximale Speicherladung angegeben. – Rohdaten zu Produktion und Verbrauch: Energy-Charts.info, Fraunhofer ISE. Stand 08.05.2023; Aufbereitung, Darstellung und Speicheranalyse vom Autor.
Die Antwort ist ernüchternd: Tatsächlich entsteht in der Simulation eine Versorgungslücke von über 16.000 Gigawattstunden. Und dies trotz einer formal bestehenden 6-fachen Überkapazität. Der errechnete Verlauf der hypothetisch erforderlichen Speicherladung (rechte Achse, Einheit Gigawattstunden) ist in Abb. 1-11 als rote Kurve dargestellt. Sie erreicht am 18.11.2022, 13:45 Uhr, mit einer Ladung von 16,05 TWh ihr Maximum und entlädt sich binnen eines Monats bis zum 18.12.2022, nachmittags um 15:15 Uhr. Danach befüllt sich der Speicher wieder in etwa auf das Ausgangsniveau. Die anderen Kurven beziehen sich sämtlich auf die linke Achse und geben die jeweiligen Leistungswerte in Gigawatt an.
Erläuterung zur Analyse und Modellierung
Die in Abb. 1-11 dargestellten Kurven zur Stromproduktion (grün), zum Verbrauch (violett) und den sonstigen Erneuerbaren, darunter Biogas, Wasserkraft, Müllverbrennung, Pumpspeicher, Wind Offshore, …, (dunkelgrün) geben die tatsächlich gemessenen bzw. geleisteten Werte an. Bezüglich Wind OnShore (blau) und Solar (gelb) wurden die produzierten Leistungen mit dem Faktor 3 multipliziert, um so einen hypothetisch verdreifachten Ausbau zu simulieren (s. Hinweis unterhalb des Diagrammtitels). Die graue Kurve zeigt zeitgenau den Überschuss bzw. das Defizit der Stromproduktion. Die zeitliche Auflösung für alle Kurven beträgt 15 Minuten, also 96 Datenpunkte pro Tag. Der Analyse liegen folglich 5.856 Datensätze mit jeweils 16 Einzelwerten zugrunde, in Summe also über 90.000 Zahlenwerte.
Wie im Diagramm vermerkt, wurde jeweils eine Verdreifachung der installierten Leistung von Windkraft (Onshore) und Photovoltaik im Vergleich zum tatsächlichen Ausbau Ende 2022 angenommen. Das sind demnach hypothetische Leistungswerte von 183 GW Windstrom (Onshore und Offshore) und 201 GW Solarstrom. Diese Verdreifachung entspricht in etwa den (hochgesteckten) Zielen der Bundesregierung für 2030 und danach.
In der hervorgehobenen Infobox im Diagramm sind einige interessierende Kennzahlen gelistet. Im Minimum werden nur 13 GW produziert – und dies trotz des genannten verdreifachten Ausbaus. Auf der anderen Seite sind es im Maximum 151 GW, etwa doppelt soviel wie heute im gleichen Zeitraum. Der Leistungsüberschuss (also die Überstromproduktion) beläuft sich im Extremfall auf 84 GW. Dem steht ein maximales Leistungsdefizit von 52 GW gegenüber. Alles Daten die zeigen, dass das Management der Energieversorgung auf dieser volatilen Grundlage sehr anspruchsvoll werden wird.
Ergebnis der Analyse
Unter den genannten Modellannahmen ergibt sich eine minimal erforderliche Speicherkapazität von 16,05 TWh. Dabei wurde eine anfängliche Speicherladung per 1.11.2022 von 8,425 TWh unterstellt. Die Erhöhung der Anfangsladung ändert nichts am Speicherbedarf, führt aber dazu, dass Überkapazitäten teilweise ungenutzt bleiben. Sofern man indes den Speicher initial nur mit z.B. 5 TWh befüllt, ergibt sich per 18.12. eine Versorgungslücke von 3,425 TWh. Ein anfänglich leerer Speicher vergrößert das Versorgungsmanko per 18.12. auf über 8 TWh.
Wenn man nur eine Speicherkapazität von 1 TWh zur Verfügung hat, so zeigt die Modellrechnung unter den ansonsten gleichen Annahmen, dass Windkraft und Photovoltaik im Vergleich zu 2022 um den Faktor 14 auf über 800 GW Windstrom und über 900 GW Solarstrom ausgebaut werden müssten. Das ist kaum vorstellbar.
Der errechnete Speicherbedarf von 16 TWh entspricht ungefähr 11 durchschnittlichen Tagesverbräuchen oder etwa 3 % des deutschen Jahresstromverbrauchs. Das ist enorm. Gleichfalls gewaltig sind die potentiellen Kosten. Für Batteriespeicher rechnet man typischerweise mit 1.000 € pro kWh. Auf dieser Basis kommt man für den erforderlichen Speicher auf die gigantische Summe von 16.000 Mrd. Euro (= 16 Mrd. kWh * 1000 € / kWh), das ist in etwa das Vierfache des deutschen Bruttoinlandsprodukts.
Nun darf man sicherlich annehmen, dass aufgrund des technischen Fortschritts Batteriespeicher nach und nach günstiger werden. Auch Skalierungseffekte spielen eine Rolle: Jedenfalls sind Lithium-Ionen-Speicher für Elektroautos mit 100 € bis 200 € bereits heute deutlich billiger. Nehmen wir den niedrigeren Wert, so könnten sich die Speicherkosten auf 1.600 Mrd. Euro reduzieren. Das ist angesichts der nur begrenzten Lebensdauer immer noch gewaltig. Unter der Annahme einer 20-jährigen Nutzungsdauer belastet das den Energiehaushalt um Zusatzkosten von 80 Mrd. Euro pro Jahr. Auf den Strompreis würde das mit zusätzlichen 16 ct pro kWh (≈ 80 Mrd. € / 510 Mrd. kWh) durchschlagen.
Wie belastbar ist die Speicheranalyse?
Ohne Frage sprengen die Kosten für einen solchen Speicher unterm Strich den Rahmen des Machbaren. Dabei haben wir den immensen Ressourcenbedarf und die technisch-wirtschaftlichen Fragen betreffend der Herstellung noch völlig ausgeklammert. Zudem muss man sehen, dass die errechnete Speichergröße noch nicht als final angesehen werden kann, da wir ja nur die Monate November und Dezember, und dies auch nur für das Jahr 2022 zugrunde gelegt hatten. Es gibt zwar Gründe für die Annahme, dass insbesondere die Wintermonate potentiell einen hohen Speicherbedarf erfordern und dass dabei gerade November und Dezember hervorstechen, dennoch erfordert die Analyse eine komplette Jahresbetrachtung und auch die Einbeziehung weiterer Vergleichsjahre. Eine daraus folgende eventuelle Erhöhung der erforderlichen Speichergröße kann man jedenfalls nicht definitiv ausschließen.
Anmerkung: Die Analyse über das komplette Jahr 2022 zeigt, dass die o.g. Speicherkapazität ausreichen würde. Für die Wetterbedingungen in 2021 könnte der Speicher mit 15 TWh sogar etwas kleiner ausfallen.
Welche ergänzenden Maßnahmen und Alternativen bieten sich an?
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass es mit dem Ausbau von Wind- und Solarleistung alleine nicht getan ist. Natürlich kann – und muss – man Windkraft und Photovoltaik weiter voranbringen. Es gibt aber Grenzen dafür, weil mit dem Ausbau natürlich auch die Phasen der Überstromproduktion immer stärker zunehmen, Zeiten also, in denen viel mehr Windstrom und Solarstrom produziert wird als wir benötigen und sinnvollerweise verwenden können. Wir hatten ja oben gesehen (s. Abb. 1-11), wie sogar im Winter ein Leistungsüberschuss von 84 GW entstehen kann. Im Sommer könnte der Überschuss leicht bei über 250 GW liegen. Ein kritisches Problem dabei ist die jederzeit sicherzustellende Netzstabilität. Vielfach würde man dann die Überstromproduktion vom Netz nehmen müssen. Auch unter dem Blickwinkel der Wirtschaftlichkeit wird man das so gut es geht vermeiden wollen.
Drei naheliegende Auswege drängen sich auf:
Backup-Kraftwerke
Aufbau von Kraftwerkskapazitäten (sogenannte Backup-Kraftwerke), die bei geringer Wind- und Solarstromerzeugung jederzeit die Lücke füllen können. Dazu bieten sich z.B. GuD-Kraftwerke an (Gas-und-Dampf-Turbine). Backup-Kraftwerke könnten Speicher in einem gewissen Umfang ersetzen. Allerdings benötigen sie einen fossilen Energieträger, nämlich Erdgas oder Flüssiggas, und sorgen damit für CO2-Emissionen. Später ist natürlich auch selbst hergestellter (s.u.) oder importierter grüner Wasserstoff als Energieträger denkbar.
Batterie-Stromspeicher
Als weitere Ergänzung werden wir kaum umhin kommen, zusätzlich nennenswerte Batterie-Speicherkapazitäten aufzubauen. Aus Kostengründen wird das kaum in Höhe des oben bestimmten Umfangs von über 10 TWh erfolgen können. Eine Speicherreserve von mindestens 1 – 2 Tagen (also etwa 1,5 – 3 TWh) wäre indessen technisch machbar und bliebe auch bezüglich der Kosten noch einigermaßen im Rahmen. Aber wie gesagt, diese Speichergröße würde nur einen kleinen Teil der potentiellen wetterbedingten Versorgungslücke abdecken.
Oft werden in diesem Zusammenhang die in Elektroautos verbauten Batterien als optionale Speicher genannt. Das ist tatsächlich ein erwähnenswerter Faktor, allerdings ist die so potentiell entstehende Speicherkapazität sowohl zum Aufnehmen einer größeren Überproduktion als auch hinsichtlich der Schließung der oben diskutieren Wind- und Solarstromlücken bei weitem nicht ausreichend. Diese Fragestellung wird im nachfolgenden Abschnitt über E-Autos näher beleuchtet.
Wasserstoff als Energiespeicher
Die zeitweise anfallende Überstromproduktion von bis zu weit über 200 GW kann man dazu nutzen, mittels Elektrolyse grünen Wasserstoff zu erzeugen und zu bevorraten. In Zeiten des Strommangels aufgrund schwachen Windes und wenig Sonne würde man den erzeugten Wasserstoff in einer Brennstoffzelle wieder in Strom zurück wandeln. Im Ergebnis ist auch dies ein Stromspeicher, der dabei hilft, Versorgungslücken zu schließen.
Bei der Elektrolyse erreicht man einen Wirkungsgrad von 60 – 80 %, in der Rückverstromung von Wasserstoff sind es ebenfalls etwa 60 – 80 %. In der Gesamtkette Strom-Wasserstoff-Strom erhält man daher Gesamtwirkungsgrade von ca. 40 – 50 %. I. d. R. gehen daher mehr als 50 Prozent der eingesetzten Energie verloren. Das ist indessen belanglos, wenn der eingesetzte Strom aus einer Überschussproduktion kommt.
Selbstverständlich ist die Frage nach dem Wirkungsgrad des technischen Prozesses isoliert betrachtet absolut legitim. Im größeren Kontext macht diese Betrachtung indessen überhaupt keinen Sinn mehr. Sie ist nachgerade absurd. Entscheidend ist die CO2-Effizienz, also das Potential zur CO2-Einsparung.
Das Sprichwort sagt: Einem geschenkten Gaul, schaut man nicht ins Maul.
Entscheidend ist, dass die ansonsten nicht verwendbare Überstromproduktion derart gespeichert werden kann. Das ist ein enorm wichtiger Aspekt im Hinblick auf die Sicherstellung der Energieversorgung in Zeiten geringer Stromproduktion mit Erneuerbaren. Dass dabei graduelle Verluste entstehen ist irrelevant, denn wenn man die Überstromproduktion nicht nutzt, liegen die Verluste bei 100 %.
Synthetische Kraftstoffe als Energiespeicher
Desgleichen bietet es sich an, die zeitweisen Überkapazitäten zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen (sogenannte E-Fuels) heranzuziehen. Die immer wieder dagegen vorgebrachten Argumente (wie z.B. die von Harald Lesch:Harald Lesch zerlegt E-Fuels!) sind nicht stichhaltig und gehen am sachlichen Kern der Thematik völlig vorbei.
Als Effizienz des Herstellungsverfahrens kann man auch in diesem Fall das Verhältnis zwischen dem resultierenden Energieertrag im synthetischen Kraftstoff und der aufgewendeten Energie (i. W. Strom für die Herstellung) heranziehen. Es sind ca. 50 %. Nimmt man nun noch die motorischen Verluste im Verbrenner dazu, so bleiben am Ende nur 15 % der aufgewendeten Energie für die eigentliche Mobilität (also Bewegungsenergie). Bei fossilen Kraftstoffen (die ja nicht mittels Strom erzeugt werden müssen) werden 30 % der eingesetzten Energie genutzt, bei Elektrofahrzeugen sind es über 70 % (bezogen auf die Stromnutzung).
Ist damit das Urteil über E-Fuels gesprochen? – Das wäre ein Kurzschluss. Denn man muss ja sehen, dass der für die Herstellung erforderliche Strom auch in diesem Falle sozusagen „Abfallenergie“ ist, die man sonst überhaupt nicht verwenden kann (es sei denn zur Herstellung von Wasserstoff). Diese Abfallenergie entsteht durch die Überstromproduktion in Zeiten starken Windes und hoher Solarerträge. Sie entsteht unvermeidlicherweise, weil die installierten Wind- und PV-Stromleistungen ein Vielfaches des eigentlichen Bedarfs betragen müssen, wie wir oben gesehen haben.
Die Herstellung von E-Fuels ist daher klimapolitisch von Vorteil, weil so CO2-freie Energie bereitgestellt werden kann. Niemand denkt dabei daran, die bestehende Mobilität mit Verbrennern komplett mit Hilfe von E-Fuels zu „retten“. Dies ausschließlich mit erneuerbaren (Überschuss-) Strom aus Deutschland zu machen wäre jedenfalls nicht möglich.
Resümee zu Wasserstoff und E-Fuels
Auch wenn beide Verfahren (Herstellung von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen) für sich genommen eine geringe energetische Effizienz aufweisen, machen diese Ansätze dennoch auch wirtschaftlich absolut Sinn, insofern man ausschließlich die ansonsten nutzlose und sogar netz-destabilisierende Überstromproduktion dafür verwendet. Letztlich verblasst die Frage nach der Effizienz vor diesem Hintergrund. Denn wie gesagt: Einem geschenkten Gaul, schaut man nicht ins Maul.
Der vielfach vorgebrachte Vergleich mit E-Fahrzeugen, die aufgrund des formal höheren Wirkungsgrads mit dem Strom doch eine viel längere Wegstrecke zurücklegen könnten (ADAC: E-Fuels: Sind synthetische Kraftstoffe die Zukunft? | ADAC), führt in die Irre. Mit dem gleichen Argument könnte man auch das Radfahren verteufeln. Ein Radfahrer hat nur einen Wirkungsgrad von 18 – 23 %. Man verschwendet also gewissermaßen Energie, wenn man mit dem Fahrrad statt mit dem Elektroauto unterwegs ist.
Noch pointierter: Der durchschnittliche Wirkungsgrad bei körperlicher Arbeit beträgt beim Menschen etwa 25 %. Roboter dagegen können ihre Leistung – ähnlich wie Elektroautos – ohne Weiteres mit einem Wirkungsgrad von über 70 % erbringen ? Müsste man demnach nicht Menschen schleunigst durch Roboter ersetzen? – Natürlich ist das absurd.
Und noch ein letzter Punkt: Aus einem Kilogramm Bioabfall kann man 0,2 bis 0,3 kWh Strom erzeugen. Erschreckend wenig, angesichts der Tatsache, dass aus 1 kg Braunkohle immerhin 1,6 kWh, aus 1 kg Steinkohle 3,5 kWh und aus 1 kg Flüssiggas sogar 6 kWh Strom werden können. Sollte man deswegen auf die Verstromung des Bioabfalls verzichten? – Keineswegs, selbstverständlich ist das dennoch sinnvoll.
Diese Beispiele sollten nur noch einmal zeigen, dass die Fokussierung auf den Wirkungsgrad ein Irrweg ist. Dasselbe gilt für die u. U. geringe nominelle Ausbeute. Es bleibt ein Rätsel, aus welchem Grunde gerade die eifrigsten Befürworter der Energiewende, Interessenverbände und teilweise auch Wissenschaftsjournalisten und Wissenschaftler diesem Irrtum aufsitzen.
E-Autos als Stromspeicher – was bringt das?
Nehmen wir an, es gebe 10 Mio. Elektroautos (derzeit sind nur etwa 1 Million E-Autos zugelassen) mit einer durchschnittlichen Speichergröße von 50 kWh und einer abrufbaren Leistung von 20 kW. Die Leistung wurde deswegen auf diesen niedrigen Wert gesetzt, weil der Hausanschluss typischerweise nur mit 11 bis 22 kW belastet werden kann. Für höhere Einspeisungsleistungen müssen zusätzliche technische Vorkehrungen getroffen werden (höhere Absicherung, Verlegung von Leitungen mit größerem Querschnitt).
Unterstellen wir, die Fahrzeuge stehen in der Garage oder auf einem Stellplatz mit Ladesäule und sind bidirektional ans Stromnetz angeschlossen. Die Batterien können also jederzeit geladen und entladen werden.
Welche Leistung kann abgerufen werden?
Die Speicherkapazität und die Batterieleistung dürfen nicht miteinander vermengt werden. Das erstere ist die Energiemenge, das zweite ist quasi die Geschwindigkeit, mit der die gespeicherte Ladung abgerufen werden kann.
Die Rechnung bezüglich der Leistung ist einfach: 10 Mio. x 20 kW ergibt eine Leistung von 200 Mio. kW, also 200 GW. Das ist bereits deutlich mehr als die typischerweise im Netz angeforderte Leistung von 60 – 80 GW. Auf Seiten der Leistung würden die Batterien von 10 Mio. E-Autos also bereits vollauf und mit reichlichen Reserven genügen für die Sicherstellung der Netzstromversorgung. Im Minimum könnten sogar schon 3 – 4 Mio. Autos dafür reichen. Das ist aber auch nötig, weil natürlich nur ein Bruchteil der Autos tatsächlich mit geladenen Batterien in der Garage stehen. Viele andere sind entweder unterwegs oder müssen ihrerseits geladen werden, haben also Strombedarf.
Der kritische Punkt ist nicht die Leistung der Batteriespeicher, sondern ihre Ladekapazität, wie wir gleich sehen werden. Diese reicht nur für einen relativ kurzen Zeitraum von einigen Stunden.
Welche Speicherkapazität steht zur Verfügung?
Bei einer Entladung bis hinunter auf eine Restkapazität von 20 kWh (was einer Restreichweite von ca. 100 -150 km entsprechen würde) stehen unter den obigen Annahmen pro Fahrzeug 30 kWh zur Verfügung, die im Bedarfsfall in das Netz eingespeist werden können. Das summiert sich auf eine potentielle Netzspeicherreserve von 300 GWh oder 300 Mio. kWh.
Was bringt das für das Stromnetz?
Der durchschnittliche Tagesverbrauch an Strom beläuft sich auf etwa 1,4 TWh (≈ 510 TWh / 365), also 1.400 GWh, bzw. 1.400 Mio. kWh. Wenn wir nun noch die Stromproduktion aus anderen Quellen (Biogas, Wasserkraft, sonstige Quellen) mit etwa 200 GWh pro Tag (entsprechend einer Leistung von etwa 8 GW) berücksichtigen, so kommen wir auf eine potentielle Stromlücke von 1.200 GWh pro Tag. Folglich entspricht die in den 10 Mio. Elektroautos gespeicherte und für das Netz verfügbare Energie in etwa 25 % des durchschnittlichen Tagesbedarfs. Damit können also ca. 6 Stunden Dunkelflaute kompensiert werden. Tatsächlich sind derweil mehrere Tage währende Phasen mit einer extrem geringen Leistung von Solar- und Windkraftanlagen (z.B. weniger als 10 – 20 Prozent der durchschnittlichen Leistung) keine Seltenheit (s. z.B. Abb. 1-9 und 1-10).
Um eine Dunkelflaute von 1 Woche zu überbrücken, benötigt man nach dem Vorstehenden eine Speicherkapazität von bis zu 10 TWh = 10.000 Gigawattstunden. Das ist das 33-fache der hypothetisch vorrätigen Speicherladung von 10 Millionen Elektroautos. Dabei hatten wir in der Modellrechnung oben (s. Abb. 1-11) gesehen, dass die Versorgungslücke durchaus auch höher liegen kann.
Natürlich wird es keine 330 Millionen Elektroautos in Deutschland geben und auch die disponible Batteriespeicherkapazität der grundsätzlich verfügbaren Fahrzeuge wird kaum 50 kWh pro Auto übersteigen, daher ist die Erwartung, auf diesem Wege größere Stromlücken tatsächlich schließen zu können absolut unrealistisch. Allenfalls kann man derart kleinere Engpässe – vorzugsweise innerhalb eines Tages – überbrücken oder andere Mittel (stationäre Speicher, Pumpspeicher, Backup-Kraftwerke) sinnvoll ergänzen. Das ist fraglos ein sehr wertvoller Beitrag, er reicht aber eben zur Lösung der grundsätzlichen Problematik bei Weitem nicht aus.
Nach diesem Ausflug kommen wir zurück auf das Kernthema Energiewende und Wärmepumpe.
Spezifische CO2-Emissionen bezogen auf den Heizwert
Für den Betrieb einer Wärmepumpe braucht man bekanntlich Strom. Der Strombedarf ist abhängig von der benötigten Heizenergie, daher braucht man Im Winter viel Strom, im Sommer eher wenig (ggf. nur für die Warmwasseraufbereitung). Wie man den obigen Grafiken (s. Abb. 1-7 und 1-8) entnimmt, ist nun aber insbesondere im Winter der CO2-Ausstoß pro kWh relativ hoch (geringe Solarstromerträge, zeitweise kein Wind). Deshalb ergibt sich im gewichteten Mittel nach dem Heizenergie- bzw. dem Strombedarf einer Wärmepumpe ein höherer Durchschnittswert als der oben angegebene Strommix-Wert von 420 g/kWh. Im Heizlastprofil beläuft sich der Durchschnittswert der CO2-Emissionen auf ca. 480 g/kWh (s. Abb. 1-6).
Im Folgenden (s. Teil 3, CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude) wollen wir die Emissionen beim Heizen mit Wärmepumpe vergleichen mit der klassischen Gas-Brennwertheizung, also Heizen mit Gas. Deshalb müssen wir auch die spezifischen Emissionen bezogen auf den Heizwert kennen (s. Abb. 1-12).
Abbildung 1-12: Spezifische CO2-Emissionen verschiedener Energieträger bezogen auf den Heizwert (Verbrennung)
Von den vorstehend genannten Emissionswerten werden wir in der Vergleichsbetrachtung Gas-Brennwerttherme vs. Wärmepumpe (s. Teil 3, CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude) vor allem zwei brauchen: Den spezifischen Emissionswert von 480 g/kWh im Heizlastprofil aus dem deutschen Strommix und den entsprechenden Emissionswert von 182 g/kWh beim Heizen mit Gas (genauer, Erdgas).
Ausblick auf Teil 2
Die grundsätzliche Wirkungsweise von Wärmepumpen wird erläutert. Dazu wird der COP-Wert als der wichtigste Effizienzfaktor von Wärmepumpen eingeführt und es werden die theoretisch möglichen und die in der Praxis erreichbaren Effizienzwerte abgeleitet und mit aktuellen Studien verglichen.
Was bringt ein Verbot von Gasheizungen fürs Klima?
Das von der Ampel geplante Verbot von Gas- und Ölheizungen schlägt hohe Wellen. Dabei hat der Wirtschaftsminister dem Parlament noch nicht einmal einen entsprechenden Gesetzentwurf wirklich vorgelegt. Von Kritikern wird angemerkt, dass es rein technisch kaum möglich sein wird, binnen weniger Jahre Millionen von Gas- und Ölheizungen auszutauschen. Zunächst fehlen die Produktionskapazitäten für die Wärmepumpen. Darüber hinaus mangelt es sogar an den Handwerkern für die Durchführung der Arbeiten. Und für die betroffenen Hausbesitzer wird das absehbar immens teuer.
Zwei Fragen drängen sich unmittelbar auf:
1. Was bringen Wärmepumpen im Vergleich zu Gasheizungen hinsichtlich der Reduzierung der CO2-Emissionen?
2. Ist der Umstieg von der Gas- auf eine Wärmepumpen-Heizung aufgrund der Anschaffungs- und Betriebskosten eine ökonomisch vertretbare Maßnahme?
Und drittens kann man anschließen:
3. Wieso denkt man in diesem Falle überhaupt an Verbote? Ist es nicht zweckdienlicher, Anreize zu schaffen? Sollte die Regierung nicht lieber aufzeigen wie sich die Kosten für Gas und Strom in den nächsten Jahren entwickeln werden? Und sollte man es den Leuten nicht selbst überlassen, welche Schlüsse sie daraus ziehen?
Wie steht es mit der Wirtschaftlichkeit?
Die klimapolitische Sinnhaftigkeit des Verbots ist zumindest fragwürdig. Das Einsparungspotential betreffend der CO2-Emissionen bleibt aufgrund der Kohleverstromung vorerst eher klein. Daneben steht insbesondere die Frage im Raum, ob der Austausch überhaupt wirtschaftlich sinnvoll ist oder nur höhere Kosten produziert werden. Trotz Förderung sind die Investitionen in eine Wärmepumpe deutlich höher als bei dem bloßen Austausch einer Gasheizung. Der Grund: Neben den reinen Anschaffungskosten für die Wärmepumpe fällt bei vielen Bestandsgebäuden ein erheblicher zusätzlicher Installations- und ggf. auch Sanierungsaufwand an.
Bei hohen Stromkosten liegen die effektiven Betriebskosten für die Wärmepumpe kaum unter denen einer Gasbrennwertheizung. Und wenn die Kosten für den Bezug von Gas steigen, dann werden aufgrund der Marktmechanismen auch die Stromkosten höher. Denn Gaskraftwerke sind als Backup für die Stromerzeugung unverzichtbar. Bei wenig Wind und starker Bewölkung reicht die Stromproduktion durch Wind und Sonne nicht aus. Das gilt auch noch bei einem deutlich stärkeren Ausbau von Windkraft und Photovoltaik. Die Verzahnung der Preise gilt jedenfalls dann, sofern nicht politisch gegengesteuert wird.
Faustregel zur Wirtschaftlichkeit
Eine erste grobe Aussage zur Wirtschaftlichkeit sei an dieser Stelle vorweggenommen. Als Faustregel kann man sagen:
Wenn der Strompreis pro kWh weniger als zweieinhalb bis dreimal höher ist als der Gaspreis, dann sind die reinen Betriebskosten einer (Luft-Wasser-) Wärmepumpenheizung i. A. (also bei noch annehmbarer Energieeffizienz) signifikant geringer als die einer Gasheizung.
Bei einem ungünstigeren Verhältnis Strompreis zu Gaspreis von etwa 3:1 oder 3,5:1 und höher amortisieren sich die erheblichen Zusatzinvestitionen in die Wärmepumpe in vielen Fällen nicht. Abhängig von den individuellen Verhältnissen im Hinblick auf die Effizienz der Wärmepumpe und der Möglichkeit der Solarstromnutzung besteht daher nicht selten die Gefahr eines dauerhaften Draufzahlgeschäfts.
Ältere Bestandsgebäude sind potentiell problematisch
Die vorstehende Aussage gilt insbesondere für die vielen älteren Gebäude. Immerhin gibt es etwa 20 Millionen Wohngebäude im Bestand. In einer Studie des Forschungsinstituts für Wärmeschutz München (FIW München, s. [12]) wird dazu angemerkt, dass etwa die Hälfte davon (also 10 Mio. Gebäude) für den Betrieb mit Wärmepumpen überhaupt nicht geeignet sei, weil der energetische Sanierungsstand der Häuser einen halbwegs wirtschaftlichen Betrieb gar nicht zulasse.
Hinzu kommt der damit einhergehende höhere Strombedarf. Es gibt berechtigte Zweifel, inwiefern angesichts des schleppenden Ausbaus das Stromnetz an die Belastungsgrenze oder gar darüber hinaus kommt. Gerade auch, wenn gleichzeitig, wie von der Politik gewünscht, immer mehr Menschen auf Elektromobilität umsteigen sollten und auch der Stromverbrauch in der Industrie wächst.
Im letzten Teil 6 (Wärmepumpen für Deutschland – Klimapolitisch sinnvoll oder Fehlinvestition?) diskutieren wir die mit der Wärmewende zusammenhängenden Fragen im Hinblick auf den volkswirtschaftlichen und den globalen klimapolitischen Nutzen, insbesondere hinsichtlich der Effizienz und der Sinnhaftigkeit des Kapitaleinsatzes (auch von Fördermaßnahmen).
Beginnen wollen wir indes in Teil 1 (Energiewende, Stromproduktion und CO2-Emission) mit einem genaueren Blick auf die Stromproduktion: Welche Anteile haben die einzelnen Energieträger? Wie setzt sich der Strommix zusammen? Wie hoch ist der durchschnittliche CO2-Ausstoß pro kWh? Was können Windkraft- und Solarstrom leisten? Wo liegen die Grenzen? Welche ergänzenden Maßnahmen sind nötig, um die Versorgungssicherheit gewährleisten zu können?
Kurzer Überblick über die Einzelbeiträge
1. Energiewende, Stromproduktion und CO2-Emission
Die Belastung der Stromproduktion mit CO2-Emissionen ist in Deutschland relativ hoch, weil noch ein erheblicher Teil der Stromerzeugung mittels fossiler Energieträger erfolgt. Es wird erläutert, wie der durchschnittliche CO2-Ausstoß pro kWh im Strommix zustande kommt. Ferner werden die Chancen und Risiken bezüglich des Ausbaus der Erneuerbaren – insbesondere von Windkraft und Solarstrom – diskutiert. Im Hinblick auf die Sicherstellung der Stromversorgung fragen wir exemplarisch nach der nötigen Speicherkapazität in Zeiten geringer Wind- und Solarstromerträge. Dabei beleuchten wir auch die mögliche Rolle von Elektroautos.
2. Wärmepumpe. Prinzip, Funktionsweise und Grenzen
Die grundsätzliche Wirkungsweise von Wärmepumpen wird erläutert. Dazu wird der COP-Wert als der wichtigste Effizienzfaktor von Wärmepumpen eingeführt und es werden die theoretisch möglichen und die in der Praxis erreichbaren Effizienzwerte abgeleitet.
3. CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude
Es wird die Frage beantwortet: Was bringt das Heizen mit (Luft-Wasser-) Wärmepumpe gegenüber dem Heizen mit Gas an CO2-Einsparung? Neben der grundsätzlichen Betrachtung wird eine bespielhafte Modellrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe durchgeführt.
4. Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung
Ist der Umstieg von der Gasheizung auf die ( Luft-Wasser-) Wärmepumpenheizung wirtschaftlich sinnvoll? Hierzu wird eine konkrete Beispielrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) mit einem typischen Wärmebedarf und einem akzeptablen Energiestandard (Energieeffizienzklasse C) durchgeführt. In die Betrachtung werden die bekannten Fördermaßnahmen mit einbezogen und die Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der Betriebskosten und der Investitionen im Vergleich zu einer modernen Gas-Brennwerttherme bewertet.
5. Grundsätzliche Analyse zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen
Über den konkret betrachteten Fall hinaus werden grundsätzliche Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen gegenüber Gas-Brennwertthermen angestellt. Ferner werden Wirtschaftlichkeitskriterien mit und ohne Investition sowie mit und ohne Einsatz von Photovoltaik formuliert.
6. Wärmepumpen für Deutschland – Klimapolitisch sinnvoll oder Fehlinvestition?
Die Analyse im Vergleich mit anderen Ländern zeigt, dass die Gegebenheiten in Deutschland aufgrund des ungünstigen Strommix‘ und der hohen Kosten unvorteilhaft sind. Ist daher die Wärmepumpe zum jetzigen Zeitpunkt das richtige Heizsystem für Deutschland? Macht ein Verbot bzw. ein Tauschzwang für Gasheizungen Sinn? Und ist der finanzielle Aufwand dafür unter allen Gesichtspunkten – wirtschaftlich und klimapolitisch – vernünftig?
Es wird gezeigt, dass der Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen unter den gegebenen Umständen in der großen Perspektive weder wirtschaftlich ist noch überhaupt eine nennenswerte klimapolitische Wirkung entfaltet. Darüber hinaus wird dargelegt, mit welchen Maßnahmen die CO2-Emissionen wirksam und effizient reduziert werden können. Das Kriterium dafür ist der finanzielle Aufwand pro eingesparter CO2-Menge.
Am 15. April 2023 wurden in Deutschland die letzten drei Kernkraftwerke abgeschaltet. Davor waren bereits Ende 2021 drei Atomkraftwerke vom Netz genommen worden. Damit ist das Kapitel Kernenergie in Deutschland auf absehbare Zeit beendet. In der Konsequenz muss die nun zwangsläufig entstehende Energielücke entweder durch Stromimporte – pikanterweise auch von Atomstrom aus den Nachbarländern – oder durch Ausbau eigener alternativer Erzeugungskapazitäten (z.B. mehr Windräder) geschlossen werden. So lange es die noch nicht gibt, wird man notgedrungen wohl auch auf fossile Energieträger zurückgreifen müssen. Das ist klimapolitisch fatal, weil Atomstrom immerhin als quasi CO2-frei gelten konnte.
Die ersatzweise Kohleverstromung sollte sich aufgrund der dadurch verursachten besonders hohen CO2-Emissionen eigentlich verbieten. Und dennoch haben wir im Vorjahr genau dies gesehen, nachdem bereits im Dezember 2021 drei Atomkraftwerke außer Dienst gestellt worden waren. Trotz günstiger Wetterbedingungen in 2022 und der daraus resultierenden gestiegenen Wind- und Solarstromproduktion, hat dies zu einer um 13 Mrd. kWh höheren Kohleverstromung mit der Konsequenz von 12,5 Mio. Tonnen CO2 zusätzlich geführt. Dabei war der Gesamtstromverbrauch sogar geringer als im Jahr zuvor, was den Ausstoß von CO2 hätte sinken lassen sollen. Es steht zu befürchten, dass der Ausfall des Atomstroms auch in den nächsten Jahren noch zu erhöhten CO2-Emissionen im Bereich von Zig-Millionen Tonnen führen wird.
Unabhängig davon sieht das politische Programm indessen vor, den nunmehr fehlenden Atomstrom – und natürlich auch die Kohlestromproduktion – in erster Linie durch Windstrom zu ersetzen und dafür die Windkraft zügig auszubauen. Im Folgenden wollen wir beleuchten, was zu diesem Zwecke auf Seiten der Produktionskapazitäten vonnöten ist und auch fragen, wie viele Windräder dafür erforderlich sind.
Die Ausgangssituation
Die sechs seit 2021 in Deutschland abgeschalteten Atomkraftwerke produzierten zuletzt noch eine Energiemenge von 65 TWh pro Jahr (2021) und trugen so etwa 13 % zu unserer Stromversorgung bei. Das ist mehr als halb soviel wie die jährliche Windstromproduktion (2021: 112 TWh / 22 %) und übersteigt die gesamte Solarstromerzeugung (2021: 45 TWh / 9 %) um den Strombedarf von mehr als fünf Millionen Haushalten.
Was leisten Windenergieanlagen?
Der Windstrom wird von etwa 30.000 Windrädern produziert. Eine durchschnittliche Windenergieanlage erzeugt daher eine Strommenge von knapp 3,8 GWh pro Jahr. Um die sechs vom Netz genommenen Kernkraftwerke zu ersetzen, benötigen wir daher ca. 65.000 GWh / 3,8 GWh ≈ 17.000 Windkraftanlagen, also knapp 3.000 Windräder pro Atomkraftwerk.
Siebzehntausend Windräder? Das ist für viele sicher eine unerwartet große Zahl. Sie ist deswegen so groß, weil der Wind natürlich nicht immer gleichmäßig stark weht und der Stromertrag in Zeiten geringen Windes erheblich unter die Nennleistung der Windenergieanlage fällt. Tatsächlich steigt die abgegebene Leistung proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Mit \(P\) als elektrischer Leistung des Windrads und \(v\) als Windgeschwindigkeit gilt daher
\begin{equation} P \sim v^{3} \end{equation}
Doppelte Windgeschwindigkeit bedeutet also \(2^{3}=2 \cdot 2\cdot 2 = 8 \)-fache Leistung. Die Kehrseite der Medaille ist: halbe Windgeschwindigkeit, nur ein Achtel der Leistung. Ein Windrad, das für eine Nennleistung von 3,2 MW bei 10 m/s (= 36 km/h) konzipiert ist, leistet bei 5 m/s (= 18 km/h) nur 0,4 MW, also 12,5 % der Nennleistung. Bei 2,5 m/s (= 9 km/h) sind es gar nur noch 0,05 MW = 50 kW; das ist ein Vierundsechzigstel, also gerade einmal 1,6 % der Nennleistung.
Stromertrag von Windrädern in der Praxis
Aufgrund des vorgenannten Zusammenhangs und des vor allem an Land recht ungleichmäßig wehenden Windes mit häufigen Schwachwindphasen, erreicht der Stromertrag einer Windenergieanlage nur einen Bruchteil des aufgrund der gegebenen Nennleistung theoretisch möglichen Maximalwerts. Um es an einem konkreten Beispiel deutlich zu machen: Wenn der Wind jeden Monat 3 Tage durchgehend mit der vollen Stärke von 10 m/s bläst und in der restlichen Zeit kontinuierlich mit 5 m/s weht – das würden wir immer noch als ziemlich windig empfinden, dann gibt ein Windrad im Mittel nur 21 % seiner regulären Leistung ab.
Typischerweise beträgt der Effizienzfaktor (manchmal auch Leistungsfaktor oder Leistungsausbeute genannt) von Windkraftanlagen an Land etwa 22 %. Eine 3,2-MW-Anlage leistet daher im Mittel ca. 0,7 MW.
Die installierte Leistung
Normalerweise werden natürlich die Nennleistungen der Windräder in den Vordergrund gestellt. Man spricht dann von „installierter Leistung“. Schon in 2021 summierte sich diese auf 63,5 GW. Das ist fast soviel wie der durchschnittliche Bedarf an elektrischer Leistung in Deutschland von etwa 70 GW. Das klingt nach sehr viel, und es ist auch viel, aber eben nur dann, wenn der Wind überall in der erforderlichen Stärke bläst, was nur äußerst selten der Fall ist – eigentlich nie.
An guten Tagen leistet die Windkraft in Deutschland bis zu 40 GW, an schlechten aber nahezu nichts, oder nur 5 GW, also weniger als ein Zwölftel der Nennleistung. Im Mittel sind es tatsächlich nur die genannten ca. 22 % des technischen Leistungsmaximums, entsprechend etwa 14 GW. In windstarken Jahren kann der Wert auch höher liegen, 2019 waren es z.B. über 23 %. Es gibt aber auch Schwachwind-Jahre, in denen der Effizienzfaktor noch nicht einmal die 20%-Grenze erreicht. Z.B. waren es 2016 nur gut 18%.
Das ist der Grund, warum man die o.g. große Anzahl von Windrädern braucht, um nur sechs Kernkraftwerke zu ersetzen. Wobei „ersetzen“ im strengen Sinn so einfach nicht möglich ist, weil man natürlich auch dann Strom benötigt, wenn nur wenig Wind weht und die Sonne nicht scheint. Um diese Phasen zu überbrücken kommt man um zusätzliche Backup-Kraftwerke oder große Speicherkapazitäten – die derzeit aber noch kaum verfügbar und zudem enorm teuer sind – nicht herum.
Wieviel Windräder braucht man?
Nun baut man heute viel größere Windräder, eher Groß-Windkraftanlagen mit nicht selten 150 bis 170 m Turmhöhe und einem Propellerdurchmesser von bis zu 180 m. Solche Anlagen leisten grundsätzlich deutlich mehr als der Durchschnitt der Altanlagen, sie unterliegen aber den selben physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Da sie aber höher sind, profitieren sie eher von den tendenziell besseren Windverhältnissen in den bodenfernen Luftschichten.
Die genannten neuen Groß-Windkraftanlagen sind oft für eine Nennleistung von 5 – 6 MW konzipiert. Legen wir für die Rechnung 5 MW zugrunde und unterstellen wir einen Effizienzfaktor von mindestens 21 %. Um auf dieser Basis die sechs abgeschalteten Atomkraftwerke (65 TWh Jahresertrag) zu ersetzen, benötigen wir daher 65.000.000 MWh / (5 MW * 8760 h * 0,21) ≈ 7.000 Windräder. Anmerkung: 1 Jahr hat 8760 Stunden. Pro AKW sind das also ca. 1.100 große Windräder. Im Folgenden rechnen wir mit diesen 7.000 Groß-Windkraftanlagen als Ersatz für die sechs Kernkraftwerke.
Wir bauen einen Mega-Windpark
Die größte Ausdehnung Deutschlands in der Nord-Süd-Richtung beläuft sich auf 876 km. Die Entfernung zwischen Flensburg und Oberstdorf (Luftlinie) beträgt 822 km.
Unterstellen wir, die Windräder würden im Abstand von 500 m nebeneinander aufgestellt. Das ist aus wissenschaftlicher Sicht ein empfehlenswerter Abstand orthogonal zur Hauptwindrichtung, um Interferenzen und Minderleistungen zu vermeiden. Demnach erstrecken sich die 7.000 Windräder über eine Gesamtlänge von 3.500 km. Wenn wir sie also zwischen Oberstdorf und Flensburg aufstellen wollen, dann können wir in einer Reihe nur 822 / 0,5 = 1.644 Windräder nebeneinander unterbringen.
Um alle 7.000 aufzureihen, müssen wir daher in einem gewissen Abstand hinter der ersten Reihe eine zweite, dritte und vierte aufbauen, und auch noch eine fünfte über mehr als 200 km. Nehmen wir auch diesbezüglich den nach wissenschaftlicher Beurteilung zu präferierenden Mindestabstand (in der Hauptwindrichtung) von 1 km. Anmerkung: In vielen existierenden Windparks stehen die Windräder zu eng aufeinander, was auf Kosten des Ertrags geht.
Der Mega-Windpark von Flensburg bis Oberstdorf und die weiteren Folgen aus dem Atomausstieg. Natürlich ist diese Anlage nur als symbolisches Gebilde zu verstehen, um die Dimensionen deutlich zu machen.
Der Mega-Windpark zieht sich also quer durch Deutschland: alle 500 m steht ein Windrad mit einer Höhe des Turms von 150 – 170 m (ungefähr die Nabenhöhe) und einer Scheitelhöhe inkl. des Propellers von bis zu 250 m. Und jeweils 1 km dahinter verläuft die zweite, dahinter die dritte, dann die vierte Reihe und schließlich auch noch eine dünner besetzte fünfte Reihe.
Ressourcen für den Mega-Windpark
Der Ressourcenbedarf für den Bau der 7.000 Windräder ist beachtlich: 1,4 Mio. Tonnen Stahl, 7 Mio. Kubikmeter Beton, dazu noch Unmengen an Kupfer, Aluminium und Glas. Aber wir wollen ja sauberen Strom. Und tatsächlich ist der erzeugte Windstrom, trotz des großen initialen Materialaufwands, mit 5 bis 10 g CO2 pro kWh unterm Strich ausgesprochen CO2-arm. Der zur Herstellung erforderliche Energieaufwand amortisiert sich innerhalb von 12 Monaten.
Gleichfalls hoch ist der Flächenbedarf für den Mega-Windpark. Inklusive einer Abstandszone von beidseitig 500 m kommen wir bei 822 km Länge und 4,5 km Breite auf 3.700 Quadratkilometer. Das sind etwa 1 % der Landesfläche von Deutschland. Immerhin kann man dieses Areal zum größeren Teil noch anderweitig nutzen, z.B. für Ackerbau und Viehzucht.
Die Kosten für den Bau der 7.000 Groß-Windkraftanlagen sind ebenfalls gewaltig. Mit etwa 35 Milliarden € muss man wohl rechnen, wobei die Ausgaben für den erforderlichen Netzausbau noch hinzukommen. Dennoch gilt: Bei einer Betriebszeit von 20 oder 30 Jahren bleibt der Kostenaufwand pro kWh produzierten Stroms insgesamt relativ niedrig. Erwartungsgemäß ist daher Windstrom in der Erzeugung mit 5 – 10 ct/kWh vergleichweise billig (jedenfalls dann, wenn man die versteckten Mehrkosten für Backup-Kraftwerke und Speicher außen vor lässt). Aufgrund der Belastung mit Steuern, Abgaben, Umlagen und Gebühren, kommt das allerdings beim Verbraucher – wie auch in anderen Fällen – absehbar nicht an.
Die Deutschlandkarte zeigt den Mega-Windpark anhand von 40 kleinen Quadraten auf einer geraden Linie zwischen Oberstdorf und Flensburg. Jedes der Quadrate steht für einen „kleinen“ Windpark mit 20 km Länge und 4 – 5 km Breite, bestehend aus jeweils 175 Windrädern.
Natürlich kann man die Windräder auch etwas näher zusammenrücken, damit man weniger Fläche benötigt. Das geht dann aber – wie bereits oben gesagt – auf Kosten der Effizienz.
Was gewinnen wir damit?
Mit diesem Windkraftpark quer durch Deutschland können wir die sechs seit 2021 außer Dienst gestellten Atomkraftwerke ersetzen. Jedenfalls einigermaßen, denn wenn der Wind nicht weht, nützen auch diese 7.000 Windräder nichts. Dann müssen wir Kohlestrom produzieren, ihn vielleicht aus Polen importieren, oder Atomstrom aus Frankreich, Belgien oder Tschechien beziehen. Alternativ können wir die Stromlücken mit Backup-Gaskraftwerken schließen – die wir allerdings in größerer Anzahl noch bauen müssen. Indessen ist auch die letztgenannte Option auf Basis modernster GuD-Kraftwerke mit 400 bis 500 g CO2 pro kWh Strom belastet (Anmerkung: GuD = Gas-und-Dampfturbine).
Verschärft wird die Problematik durch die angestrebte Wärmewende (Tausch von Gasheizungen gegen Wärmepumpen) und die Mobilitätswende, die beide sogar schon kurz- und mittelfristig einen erhöhten Strombedarf nach sich ziehen werden.
Wir brauchen also Strom, und dieser Strom muss sauber sein. Anderfalls macht weder die Wärmewende noch der Umstieg auf Elektromobilität überhaupt irgendeinen Sinn. Deswegen ist die Entscheidung zur Abschaltung der Atomkraftwerke grob gegen die Vernunft gerichtet.
Dreckiger Strom für die Wärmewende und für die Elektromobilität
Apropos Kohlestrom: Natürlich dauert es einige Jahre, bis die oben genannten 7.000 Windräder gebaut sind. Wenn wir die derzeitige Geschwindigkeit von etwa 0,8 – 1,5 Windenergieanlagen pro Tag zugrunde legen, dann brauchen wir dafür 13 – 24 Jahre. Aber auch wenn es schneller gehen sollte – jedenfalls ging es zwischen 2010 und 2019 mit 4 bis 5 (allerdings kleineren) Windrädern pro Tag deutlich flotter – werden wir in den nächsten Jahren noch auf Kohlestrom angewiesen sein. Zumindest im Umfang des ausgefallenen Atomstromanteils wäre das vermeidbar gewesen. Und dies völlig unabhängig von den zu bauenden Windrädern.
10 Jahre ohne eigenen Atomstrom könnte auf eine ersatzweise Kohleverstromung mit einem zusätzlichen Ausstoß von bis zu 600 Mio. Tonnen CO2 hinauslaufen.
Ideologische Sturheit statt „Klimaschutz“
Unter Umständen kann man ja noch verstehen, dass man im dichtbesiedelten Deutschland keine neuen Kernkraftwerke bauen will. Auch wenn es sich dabei um eine Hochsicherheitstechnologie handelt, etwa wie das Fliegen und wie die Hochleistungsmedizin. Aber sicher laufende Atomkraftwerke abzuschalten und dafür Kohlekraftwerke zu betreiben, ist an Torheit kaum zu überbieten. Es ist die Hybris der Irrationalen. Um es mit den Worten des Aufklärers Georg Christoph Lichtenberg auszudrücken:
«In der Dummheit liegt eine Zuversicht, darob man rasend werden möcht‘».
Kann man denn jemand ernst nehmen, der für Klimaschutz wirbt, dann aber aus nicht nachvollziehbaren Gründen bereit ist, Hunderte von Millionen Tonnen CO2 zusätzlich in die Atmosphäre zu pusten? Und im gleichen Atemzug wird das dennoch als Beitrag zur Energiewende und zum Klimaschutz ausgegeben.
Mit der Abschaltung der Atomkraftwerke verhält es sich etwa so, als wolle man vom alkoholfreien Bier auf Mineralwasser umsteigen, und weil das dann nicht verfügbar ist, trinkt man stattdessen Schnaps.
Resümee
War es vernünftig, aus der Kernenergie auszusteigen? War es vernünftig, sicher zu betreibende Atomkraftwerke abzuschalten? – Ja, in einer halbwegs idealen Welt ohne das ausgegebene Ziel einer CO2-Reduzierung wäre es rational gewesen. In einer Welt ohne Kriege und ohne die Notwendigkeit einer sicheren Energieversorgung. In einer solchen Welt leben wir allerdings nicht.
Ist es vernünftig, stattdessen auf Windkraft zu setzen? – Ja, aber nur auf Basis eines durchdachten und funktionierenden Plans, unter Berücksichtigung der Belange des Natur- und Umweltschutzes, unter Einbeziehung von Speichern und Backup-Kraftwerken, konkreter Realisierungsschritte und Zug um Zug.
Damit wir uns nicht missverstehen: Neben der Photovoltaik und den leider weitgehend fehlenden und extrem teuren Speichermöglichkeiten können Windenergieanlagen einen Beitrag zur Energiewende leisten, vorausgesetzt, sie werden dort aufgestellt, wo die Erträge hoch sind und die Beeinträchtigungen für Mensch und Umwelt klein bleiben. Effiziente, am richtigen Ort platzierten Windräder sind also potentiell ein echter Mehrwert. Aber auch um eine im Prinzip gute Sache Lösung umzusetzen, sollte man den Verstand bemühen und nicht den zweiten Schritt vor dem ersten tun.
Um es an einem simplen Beispiel zu persiflieren:
Wenn ich meinen Kühlschrank durch einen neuen ersetzen möchte, dann schmeiß ich den alten nicht weg, bevor der neue geliefert wurde.
Und wenn ich zwei Kühlschränke besitze? Einen ganz alten mit der grottenschlechten Energieeffizienzklasse G und einen relativ neuen der Effizienzklasse A++ mit Eisfach? Dann sortiere ich vernünftigerweise zuerst die alte G-Klasse-Kröte aus. Auch wenn mir am A++-Kühlschrank die Platzverschwendung für das nicht benötigte Eisfach missfällt.
Im Jahr 2023 wird der Equal Pay Day in Deutschland – wie auch schon im Jahr 2022 – am 7. März begangen. Was ist eigentlich der Equal Pay Day? Das Thema ist die – je nach Sichtweise tatsächlich bestehende oder auch nur konstruierte – Lohnlücke (Gender Pay Gap) zwischen den Geschlechtern. Konkret geht es um gleichen Lohn für gleiche Arbeit. Oder geht es nur um Gleichmacherei? – Der Equal Pay Day ist der Tag, an dem … da fängt es schon an, es sind mindestens zwei unterschiedliche Definitionen für die Bestimmung des Equal Pay Day im Umlauf … und beide sind falsch. Näheres findet man hier: (NOT) EQUAL PAY DAY.
Gleicher Lohn für gleiche Arbeit: Kampf dem Gender Pay Gap?
Gleicher Lohn für gleiche Arbeit: Das klingt vernünftig, das ist gerecht. Aber ist es in der Realität wirklich so simpel? Lässt sich der Kampf gegen die teilweise bestehende Lohnlücke zwischen den Geschlechtern (Gender Pay Gap) tatsächlich auf diese einfache Formel herunterbrechen Jedenfalls hat sich jetzt auch das Bundesarbeitsgericht mit der Thematik befasst.
Damit wir uns nicht missverstehen, natürlich sollen zwei, die unter den gleichen Bedingungen und mit denselben Voraussetzungen die gleiche Arbeit machen und in Summe die gleiche Leistung erbringen auch das gleiche Gehalt bekommen. Und zwar völlig unabhängig von Faktoren wie Geschlecht, Rasse, Religion, Aussehen etc. Das ist aber ersichtlich etwas anderes als die platte Parole gleicher Lohn für gleiche Arbeit.
Warum sollten individuelle Unterschiede, die potentiell oder tatsächlich Auswirkungen auf die Arbeit haben keine Rolle spielen dürfen? Wäre das so, dann müsste man von Gleichmacherei sprechen.
Entscheidung des Bundesarbeitsgerichts zum Gender Pay Gap
Das Urteil des Bundesarbeitsgerichts vom 16. Februar 2023 hat es in sich: Die höchsten deutschen Arbeitsrichter sprachen einer Arbeitnehmerin sowohl die Lohndifferenz der Vergangenheit, als auch immateriellen Schadensersatz zu. Ein männlicher Kollege mit der gleichen Tätigkeit und der gleichen Betriebszugehörigkeit hatte von Anfang an ein höheres Gehalt bezogen, da er – so der Arbeitgeber – „besser verhandelt“ hatte. Ebenso war ihm zu einem früheren Zeitpunkt eine Gehaltserhöhung gewährt worden.
Das Bundesarbeitsgericht ließ dieses Argument nicht gelten: „Eine Frau hat Anspruch auf gleiches Entgelt für gleiche oder gleichwertige Arbeit, wenn der Arbeitgeber männlichen Kollegen aufgrund des Geschlechts ein höheres Entgelt zahlt. Daran ändert nichts, wenn der männliche Kollege ein höheres Entgelt fordert und der Arbeitgeber dieser Forderung nachgibt.“ – so die Aussage der gerichtlichen Pressemitteilung.
Was kann der Sigismund dafür, dass er so schön ist?
Geht es hier wirklich um gleiche Bezahlung für gleiche Arbeit oder ist das ein Fall von Gleichmacherei? Hätte der Kollege nur deswegen mehr bekommen, weil er männlichen Geschlechts ist, so wäre das zweifellos ein Verstoß gegen die Gleichbehandlung und ganz klar zu beanstanden. Die in der Pressemitteilung wiedergegebene Begründung ist indessen nicht stichhaltig. Der Kollege hatte ja nicht mehr bekommen, weil er männlichen Geschlechts ist, sondern, weil er besser verhandelt hatte. Das ist ein Unterschied. Ein wesentlicher Unterschied! Niemand hatte die klagende Kollegin daran gehindert, Argumente ins Feld zu führen, die aus Sicht des Arbeitgebers ein höheres Gehalt hätten rechtfertigen können.
Wenn zwei sich unterschiedlich verhalten, dann ist das offensichtlich nicht dasselbe.
Vielleicht hat das Gericht noch andere Gründe in petto, vielleicht liegen die Details im konkreten Falle anders als es bisher kommuniziert wurde. Nach dem bisher veröffentlichten Kenntnisstand zu urteilen, halte ich die Entscheidung allerdings für fragwürdig.
Gleich, gleicher, Gleichmacherei: Egalitarismus
Vorausgesetzt, die schriftliche Urteilsbegründung bestätigt die Aussage, dass das individuelle Verhandlungsgeschick kein hinreichender Grund für die Gewährung eines höheren Gehalts ist, so wäre dieser Rechtsspruch ein weiterer Meilenstein auf dem Weg in den Sozialismus. Dass dieses Urteil inmitten der Hochphase des Karnevals gesprochen wurde ist wohl nur Zufall. Es sagt aber dennoch viel über die hierzulande das ganze Jahr über herrschende und von Jahr zu Jahr groteskere Possen reißende Narretei. Und nicht nur hier, die ganze EU ist vom Virus des Egalitarismus befallen. Der Gerechtigkeitswahn unter dem Deckmantel der Gleichbehandlung treibt immer skurrilere Blüten. Und dies auf Kosten der Freiheit des Individuums, indem der Gestaltungsspielraum des Einzelnen immer stärker eingeengt wird.
Die Lohnlücke (Gender Pay Gap) und die Wirklichkeit
Die Mär vom Gender Pay Gap in Höhe von 18 % oder gar 22 % wird zwar jedes Jahr aufs Neue wiederholt, wahrer wird sie damit aber nicht. Bereinigt um die wichtigsten gesellschaftlichen Unterschiede (Berufswahl, Erwerbsbiographie) bleibt am Ende eine Lücke von ca. 5 %. Das ist mehr oder weniger irrelevant, weil die Gehaltsunterschiede für dieselbe Tätigkeit auch in Gruppen mit gleichartigen Voraussetzungen und Erwerbsbiographien teilweise ein Mehrfaches davon betragen können. Und natürlich spielt Verhandlungsgeschick da ebenfalls mit hinein. Bei Männern jedenfalls. Und warum sollte es bei Frauen anders sein? Kann man ihnen nicht zumuten, dass sie klug verhandeln und auf ihren Vorteil bedacht sind? Dass sie Argumente ins Feld führen, die den Arbeitsgeber überzeugen? Dass sie etwas riskieren? – Doch, das kann man, aber offenbar ist das für einige von ihnen unter ihrer Würde, sie beschreiten lieber den Rechtsweg.
Vor allem differiert die Bezahlung in den unterschiedlichen Berufen
Wahr ist, dass Frauen sehr oft in Berufen tätig sind, die schlecht bezahlt werden. Wahr ist aber auch, dass ein weiblicher Ingenieur i. d. R. mehr verdient als eine männliche Erzieherin. Es ist daher Unsinn, diesen systemischen Unterschied in die Lohnlücke hineinzurechnen und als Ungleichbezahlung zwischen Männern und Frauen zu brandmarken. Das ist eine ganz andere Baustelle.
Wenn zwei bei sonst gleichartigen Voraussetzungen unterschiedlich verdienen, dann gehen sie in den meisten Fällen auch verschiedenen Tätigkeiten nach.
Es geht hier absolut nicht um Gleichstellung, es geht um Gleichmacherei. Die im Grundsatz freie Entscheidung des Individuums, diesen oder jenen Beruf zu ergreifen determiniert die Gehaltserwartungen zu einen großen Teil. Die Geschlechterthematik ist nur vorgeschoben.
Wie clever darf man sein?
Wenn jemand besser verhandelt und es schafft, so sein Gehalt zu erhöhen, dann ist er seinem Arbeitgeber offensichtlich dieses höhere Gehalt wert. Die Vermutung liegt nahe, dass die betreffende Person dieses Verhandlungsgeschick auch gegenüber Kunden und Auftraggebern unter Beweis stellt, also z.B. die besseren Argumente ins Feld führt und somit die Belange der Firma besser vertritt, als jemand, der noch nicht einmal für seine eigenen Interessen angemessen einzutreten in der Lage ist. Mit anderen Worten: Verhandlungsgeschick ist ein Indiz für eine höhere Leistung zu Gunsten der Firma. Das gilt völlig unabhängig vom Geschlecht des Arbeitnehmers.
Sicher gibt es egoistische Dampfplauderer und Blender, die vor allem ihr eigenes Wohl im Auge haben und für die Firma nur wenig leisten. Über kurz oder lang kommt das aber auf.
Ansonsten gilt: Smarte Mitarbeiter helfen der Firma, Paragraphenreiter schaden ihr.
Gleichmacherei und das Leistungsprinzip
Wohin soll solche Missachtung individueller Unterschiede führen? Am Ende führt es dazu, dass der Arbeitgeber seinem gut verhandelndem Arbeitnehmer kein höheres Gehalt anbietet, weil er ansonsten ja allen anderen das gleiche Angebot machen müsste. In der Konsequenz kündigen die besonders guten und leistungsfähigen Mitarbeiter oder sie resignieren und schalten um auf Durchschnittsleistung, weil ihr Engagement ohnehin nicht honoriert wird. In beiden Fällen hat die Firma ein Problem.
Welches Problem? – Das kann man erahnen, wenn man an den Zustand der öffentlichen Verwaltung denkt. In der Verwaltungsbürokratie ist der Grundsatz „gleicher Lohn für gleiche Arbeit“ verwirklicht (wobei es in der Wirtschaft nur selten „die gleiche Arbeit“ gibt und die Abläufe auch nicht so stark formalisiert sind). Führt das etwa dazu, dass sich die Angestellten und Beamten besonders ins Zeug legen, um ein höheres Gehalt zu bekommen? – Na ja, für diese Vermutung gibt es kein Indiz. Die Folge ist die sprichwörtliche Ineffizienz der Verwaltung. Der Staat kann sich das leisten, weil er vom Steuerzahler finanziert wird und die nötigen Einnahmen auf dem Wege der Steuererhöhung weitgehend frei nach seinem Bedarf bestimmt und erforderlichenfalls erhöht. In der freien Wirtschaft funktioniert dieses Modell nur ausnahmsweise und allenfalls für eine begrenzte Zeitspanne.
Natürlich gilt auch in der Verwaltung das Leistungsprinzip – und zwar das Prinzip der Durchschnittsleistung. Damit wären wir wieder beim Sozialismus.
Wo bleibt die Vertragsfreiheit?
Ohne Frage ist das vorliegende egalitaristische Urteil ein Eingriff in die Vertragsfreiheit des Arbeitgebers. Gewiss ist es die Aufgabe des Staates, für einen einheitlichen Rechtsrahmen zu sorgen und diesen durchzusetzen. Es ist aber nicht seine Aufgabe, in die Mechanismen des Marktes einzugreifen, Werturteile vorzugeben oder die freiwilligen Entscheidungen von Marktteilnehmern zu sanktionieren.
Wie kann man das fortspinnen? Immobilienmakler werden dazu verpflichtet, die Eigentumswohnungen im neu erstellten Wohnblock an alle Interessenten zum gleichen Preis zu verkaufen, unabhängig davon, wie gut der potentielle Käufer verhandelt. Autohändler müssen für gleich ausgestattete Autos allen Käufern das identische Angebot machen. Und wenn sie einem Käufer einen Rabatt einräumen, dann müssen sie denselben Nachlass allen anderen gewähren.
Und ist es denn überhaupt rechtens, dass eine Firma ein bestimmtes Produkt, das es baugleich auch von der Konkurrenz gibt, nur aufgrund des besseren Marketingkonzepts teurer anbieten und damit einen höheren Erlös erzielen kann? Darf überhaupt der Verkäufer Provision für seine höheren Verkaufserfolge bekommen, wo er doch das Produkt gar nicht selber herstellt und vielleicht nur deswegen mehr Produkte absetzt als seine Kollegen, weil er mit den Kunden besser verhandelt? – Absurd! Das ist Gleichmacherei auf Kosten des Individuums und gegen den Markt. Der Wettbewerb wird außer Kraft gesetzt. Und mit ihm a la longue auch das Leistungsprinzip.
Resümee
Urteile, wie das des Bundesarbeitsgerichts können nur dann entstehen, wenn das Denken der Protagonisten von planwirtschaftlichen Vorstellungen und behördenmäßigen Abläufen bestimmt wird. Offensichtlich ist das der Fall.
Im Ergebnis reden wir hier von Egalitarismus und damit von Sozialismus. Und der führt bekanntlich dazu, dass am Ende alle weniger haben. Und zwar alle gleich wenig! Vor Gericht gilt das dann sicherlich als gerecht.
In einer freien, vom Wettbewerb bestimmten Wirtschaft benötigt man solche juristische Gleichmacherei nicht. Der Wettbewerb selbst sorgt dafür, dass die gleiche Arbeit auch gleich entlohnt wird. Jedenfalls in der großen Perspektive.
