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Wärmepumpen für Deutschland – Klimapolitisch sinnvoll oder Fehlinvestition?

Teil 6 der Reihe „Energiewende und Wärmepumpe“

Zusammenfassung

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).

© Hieronymus Fischer

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).

© Hieronymus Fischer

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.

© Hieronymus Fischer

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.

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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 3 CO2-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.

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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

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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?

Natürlich ist diese Frage an dieser Stelle zugespitzt formuliert und unzulässig eingeengt auf den CO2-Effekt. Wie es um die Wirtschaftlichkeit insgesamt steht, haben wir in Teil 4 (Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung) und Teil 5 (Grundsätzliche Analyse zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen) näher beleuchtet. Im Hinblick auf den klimapolitischen Effekt geht es aber genau darum:

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.

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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).

StromerzeugungLeistung [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.

StromerzeugungGestehungskosten
[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.

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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.


Querverweise

Windräder statt Atomstrom

Alle Beiträge der Reihe:

Energiewende und Wärmepumpe

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?

Energiewende, Stromproduktion und CO2-Emission

Teil 1 der Reihe „Energiewende und Wärmepumpe“

Der deutsche Strommix

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.

© Hieronymus Fischer

Abbildung 1-1: Stromverbrauch nach Energieträgern 2021

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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.

CO2-Emissionen im deutschen Strommix

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Abbildung 1-3: CO2-Emissionen des Stromverbrauchs nach Energieträgern 2021

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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).

Spezifische CO2-Emissionen der Energieträger

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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.

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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.

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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.

Grobanalyse zu Windflauten 2021

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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.

Grobanalyse zu Windflauten 2022

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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.

© Hieronymus Fischer

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).

© Hieronymus Fischer

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.

Link: Wärmepumpe. Prinzip, Funktionsweise und Grenzen


Querverweise

Windräder statt Atomstrom

Alle Beiträge der Reihe:

Energiewende und Wärmepumpe

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?

Energiewende und Wärmepumpe

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.

Welche Themen werden behandelt?

Die engere Frage der Wirtschaftlichkeit soll an dieser Stelle noch nicht weiter vertieft werden, sie wird in Teil 4 (Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung) und Teil 5 (Grundsätzliche Analyse zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen) behandelt. Davor wollen wir in Teil 3 (CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude) beleuchten, ob mit dem Umstieg von der Gas- auf die Wärmepumpen-Heizung dem Klima gedient ist. Konkret soll dabei an einem Beispiel die Frage beantwortet werden: Was bringt das Heizen mit Wärmepumpe gegenüber dem Heizen mit Gas an CO2-Einsparung. In Teil 2 (Wärmepumpe. Prinzip, Funktionsweise und Grenzen) wird die grundlegende Funktionsweise von Wärmepumpen erläutert. Ferner wird das theoretische und das in der Praxis mittels Wärmepumpenheizungen erreichbare Effizienzpotential aufgezeigt.

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.

Link: Energiewende, Stromproduktion und CO2-Emission

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.

Link: Wärmepumpe. Prinzip, Funktionsweise und Grenzen

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.

Link: CO2-Emissionen von Gasheizung und Wärmepumpe – Vergleich für ein Bestandsgebäude

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.

Link: Gasheizung oder Wärmepumpe? Exemplarische Wirtschaftlichkeitsrechnung

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.

Link: Grundsätzliche Analyse zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen

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.

Link: Wärmepumpen für Deutschland – Klimapolitisch sinnvoll oder Fehlinvestition?


Quellen

[1] https://www.agora-energiewende.de/
Stromerzeugung, Stromverbrauch, CO2-Emissionen – Agora Energiewende

[2] Stromproduktion | Energy-Charts
Energy-Charts-Info – Fraunhofer ISE, u.a. mit den Leistungs- und Energiedaten sowie dem Datenstand zum Ausbau der Erneuerbaren:
Bundesnetzagentur, 50 Hertz, Amprion, Tennet, TransnetBW, EEX-Transparenzplattform, ENTSOE Transparenzplattform, Statistisches Bundesamt (Destatis), Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), AGEE

[3] CO2-Emissionen im deutschen Strommix
Umweltbundesamt

[4] Fachlexikon Mechatronik / Energiewerte (fachlexika.de)
Brennwerte und Heizwerte üblicher Brennstoffe

[5] Zukunft Umweltwärme – Wirkungsgrade der Stromerzeugung (zukunft-umweltwaerme.de)
Wirkungsgrade der Stromerzeugung

[6] A-EW_273_Waermepumpen_WEB.pdf (agora-energiewende.de)
Agora Energiewende 2022

[7] Wärmepumpen in Bestandsgebäuden (tsb-energie.de)
Wärmepumpen im Bestand – Mythen und Fakten (Fraunhofer ISE 2022)

[8] BMWi-03ET1272A-WPsmart_im_Bestand-Schlussbericht.pdf
Fraunhofer ISE 2020

[9] Zukunft Bau: Effizienz von Wärmepumpen
Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) 2017

[10] Nicht jede Wärmepumpe trägt zum Klimaschutz bei
Feldtest zu Wärmepumpen

[11] Feldstudien & Ergebnisse (jahresarbeitszahlen.de)
Übersicht über einige ältere Studien zu Wärmepumpen und den erreichten COP-Werten

[12] Wärmepumpen-Offensive nur bei Hälfte aller Wohnungen sinnvoll (merkur.de)
Studie des Forschungsinstituts für Wärmeschutz München (FIW München)

[13] Heizwerte/-äquivalente
Heizwerte- und Heizäquivalente für eine Reihe von Energieträgern

[14] Das können die neuen Wärmepumpen (merkur.de)

[15] Wärmepumpen sind laute und teure Stromfresser? Experte klärt über die 10 größten Irrtümer auf (merkur.de)

[16] Habeck plant Verbot von Öl- und Gasheizungen: Jetzt gibt es erste Details (merkur.de)

[17] Klimawende im Heizungskeller: Handwerk gegen strikte Verbote (merkur.de)

[18] Wärmepumpen-Engpass: Diese Hersteller liefern jetzt am schnellsten (merkur.de)

[19] Handwerk kritisiert Habecks Heiz-Plan: „Klimawende nicht mit einem Fingerschnippen“ (merkur.de)

[20] Wasserstoff oder Wärmepumpe? Studie klärt auf: Was ist beim Heizen im Haushalt günstiger (merkur.de)

[21] Handwerk: Verbot neuer Öl- und Gasheizungen nicht umsetzbar (merkur.de)

[22] Aufregung um Öl- und Gasheizung: „Das macht Dänemark schon seit 2013“ (merkur.de)

[23] Energiewende mit Gefahren: Jahrhundertgift PFAS in Wärmepumpen (merkur.de)

[24] Wärmepumpen-Boom hält an (merkur.de)

[25] Wirtschaftsweise Grimm übt harsche Kritik an Habecks Heizungsverbot (merkur.de)

[26] „Ins Knie schießen“: Wirtschaftsweise zerpflückt Habeck-Pläne zum Verbot von Öl- und Gasheizungen (merkur.de)

[27] Lindner zerreißt Habecks Heizungspläne: Geplantes Verbot ein „finanzielles Luftschloss“ (merkur.de)

[28] Heizen ohne Putin: Wärmepumpen sind beliebt – und werden knapp (merkur.de)

[29] FDP will Habecks Heizungspläne stoppen (merkur.de)

[30] Habecks Heizgesetz: Verbraucher soll auf Energieverbrauch durchleuchtet werden (merkur.de)

[31] Einbau von Wärmepumpen: So fördern andere Staaten in Europa – FOCUS online