Teil 3 der Reihe „Energiewende und Wärmepumpe“
Zusammenfassung
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.
CO2-Emissionen Gas vs. Wärmepumpe
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.
Link: Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung
Alle Beiträge der Reihe:
1. Energiewende, Stromproduktion und CO2-Emission
2. Wärmepumpe. Prinzip, Funktionsweise und Grenzen
3. CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude
4. Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung
5. Grundsätzliche Analyse zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen
6. Wärmepumpen für Deutschland – Klimapolitisch sinnvoll oder Fehlinvestition?