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

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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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:

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?

Wärmepumpe: Prinzip, Funktionsweise und Grenzen

Teil 2 der Reihe „Energiewende und Wärmepumpe“

Zusammenfassung

Die grundsätzliche Wirkungsweise von Wärmepumpen wird erläutert. Dazu wird der COP-Wert als der wichtigste Effizienzfaktor von Wärmepumpen eingeführt und es werden die theoretisch möglichen und die in der Praxis erreichbaren Effizienzwerte abgeleitet und mit aktuellen Studien verglichen.

Heizen mit Wärmepumpe –  der Carnot-Prozess

Das Prinzip der Wärmekraftmaschine ist bekannt: Die in einem Trägermedium mit hoher Temperatur enthaltene thermische Energie wird aufgenommen und zum Teil in Bewegung (mechanische Energie) umgewandelt. Dabei kühlt sich das Medium ab. Die verbleibende Restwärme wird an die Umwelt abgegeben. Ausgeführt als Kreislaufprozess kann so kontinuierlich aus Wärme Bewegung erzeugt werden. Diesem Vorgang liegt der Carnot-Prozess zugrunde. In einer Wärmepumpe wird dieses physikalische Prinzip umgekehrt: Die eingesetzte mechanische Energie wird dazu verwendet, Wärmeenergie aus der Umgebung an ein Trägermedium zu übertragen. Die aufgenommene thermische Energie wird anschließend zielgerichtet abgeleitet (also z.B. für die Erwärmung von Wasser benutzt), dabei kühlt sich das Trägermedium wieder ab. Danach kann der Prozess unter erneutem Einsatz von mechanischer Energie wiederholt werden. Es ist auch hier ein Kreislaufprozess.

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Abbildung 2-1: Prinzip der Wärmepumpe als Umkehrung der Wärmekraftmaschine (Carnot-Kreisprozess)

Abhängig vom dafür eingesetzten Trägermedium ist es mit der Wärmepumpe im Grundsatz möglich, bei nahezu jeder Temperatur der Umwelt thermische Energie zu entziehen und diese zur Aufheizung zu verwenden. Dazu muss man sich vergegenwärtigen, dass z.B. auch Außenluft mit einer Temperatur von unter Null Grad Celsius noch Wärmeenergie enthält. Der Bezugspunkt dafür ist der absolute Nullpunkt von -273 °C = Null Grad Kelvin. Bei 250 Grad Kelvin (= -23 °C) enthält ein Stoff erheblich mehr thermische Energie als bei 200 °K (= -73 °C). Wenn ihm diese entzogen wird, so kann sie prinzipiell an anderer Stelle zum Aufheizen verwendet werden. Erst beim absoluten Nullpunkt ist die thermische Energie null.

Es ist daher auch ohne Weiteres durchführbar, der kalten Außenluft, die z.B. im Winter deutlich unter 0 ° Celsius liegen kann, Wärmeenergie zu entziehen und diese als Heizquelle zu verwenden.

Grundsätzliches zur Effizienz von Wärmepumpen

Die Effizienz der Wärmeerzeugung hängt ab vom verwendeten Trägermedium (typischerweise ein Gas mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, z.B. Propan), der Umwelttemperatur und der Zieltemperatur der Heizwärme. Je höher die Temperatur der Umwelt und je niedriger die gewünschte Heiztemperatur, desto größer der Effizienzfaktor der Wärmepumpe, meist Coefficient of Performance (COP) genannt. Theoretisch sind COP-Werte von bis zu 10 möglich. Aufgrund von unvermeidlichen Verlusten werden in der Praxis Werte von etwa 2 (niedrige Außentemperatur, hohe Heiztemperatur, z.B. bei der Brauchwassererwärmung) bis 5 (hohe Außentemperatur, niedrige Heiztemperatur, z.B. Fußbodenheizung) erreicht.

Grundsätzlich kann der Effizienzfaktor (COP) im zugrundeliegenden Carnot-Prozess wie folgt bestimmt werden:

\begin{equation} COP = \frac{T_{H}} {T_{H} – T_{U}} \end{equation}

Dabei ist z.B. \(T_H\) die Temperatur im Heizkreis (Vorlauftemperatur) und \(T_U\) die Umwelttemperatur. Man sieht hier unmittelbar: Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Heizkreis und Umwelt, desto größer der Effizienzfaktor. Die Temperaturen sind hierbei in Kelvin anzugeben.

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Abbildung 2-2: Prinzip der Wärmepumpe: Aus Umweltwärme wird unter Einsatz von mechanischer Arbeit (elektrische Antriebsenergie) Heizwärme. Die Effizienz der Wärmeerzeugung hängt ab vom verwendeten Trägermedium (typischerweise ein Gas mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, z.B. Propan), der Umwelttemperatur und der Zieltemperatur der Heizwärme. Je höher die Temperatur der Umwelt und je niedriger die gewünschte Heiztemperatur, desto größer der Effizienzfaktor COP.

Haben Wärmepumpen einen Wirkungsgrad von mehr als 100 %?

Da man aus dem Einsatz von 1 kWh Strom teilweise 3 oder 4 kWh Wärmeenergie erhält, scheint der Wirkungsgrad der Wärmepumpe größer als 1 zu sein, sogar deutlich größer als 1. Manchmal liest man daher, der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe liege bei 300 oder 400 Prozent. Das ist Unsinn. Rein physikalisch ist auch der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, wie der eines jeden technisch-physikalischen Systems, auf jeden Fall kleiner als 1 (also <100 %), weil in die Energiebilanz auch die der Umwelt entnommene Wärmeenergie einbezogen werden muss. Der COP-Wert darf nicht mit dem Wirkungsgrad verwechselt werden. Er beschreibt lediglich das Verhältnis zwischen der erhaltenen Heizwärme und der investierten elektrischen Energie.

Realistische COP-Faktoren

Mit der oben angegebenen Formel wird indes nur eine theoretische Effizienz bestimmt. In der Praxis gibt es eine Reihe von Verlusten, so dass der tatsächliche COP-Faktor sogar unter Laborbedingungen den Wert

\begin{equation} COP = \eta \cdot \frac{T_{H}}{T_{H} – T_{U}} \end{equation}

in der Regel nicht übersteigt, wobei \(\eta \approx 0.35 \dots 0.5 \).

Wenn man die Temperaturen in Celsius angibt, lautet die Formel wie folgt:

\begin{equation} COP = \eta \cdot \frac{273 + T_{H}}{T_{H} – T_{U}} \end{equation}

Unter günstigen Bedingungen, also bei vergleichsweise hohen Umwelttemperaturen und niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizkreis, werden COP-Werte über 4 erzielt. Um vier Kilowattstunden Heizwärme zu erzeugen, muss dann nur eine Kilowattstunde elektrische Energie eingesetzt werden. Anders sieht es aus, wenn die Umwelttemperaturen niedrig (unter null Grad Celsius) und die erforderlichen Heizkreis-Vorlauftemperaturen hoch sind. Letzteres ist dann der Fall, wenn mit klassischen Radiatoren geheizt wird und der Wärmebedarf (z.B. bei vielen Gebäuden im Bestand) eher höher anzusetzen ist. Dann muss man mit COP-Werten zwischen 2 und 3 rechnen.

In Abb. 2-3 ist der prinzipielle Zusammenhang zwischen Außentemperatur und COP-Wert dargestellt.

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Abbildung 2-3: Theoretisch möglicher und praktisch erzielbarer Effizienzfaktor COP in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur. Dabei wurde eine Heizkreisvorlauftemperatur von 40 °C bei 0 °C und 45 °C bei -10 °C Außentemperatur zugrunde gelegt. Der blau verschwommene Bereich um die durchgezogene Kurve soll die Schwankungsbreite der real erzielbaren COP-Werte symbolisieren.

Der Einfluss der Heizkreistemperatur

Neben der Außentemperatur hat insbesondere auch die Zieltemperatur – im Falle der Heizung also die Vorlauftemperatur – einen maßgeblichen Einfluss auf die resultierenden COP-Werte. In Abb. 2-4 wird das exemplarisch für drei unterschiedliche Vorlauftemperaturen aufgezeigt.

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Abbildung 2-4: Praktisch erzielbare Effizienzfaktoren COP in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur und unterschiedlichen konstanten Vorlauftemperaturen im Heizkreis. Der farblich verschwommenen Bereiche um die durchgezogenen Kurven sollen die Schwankungsbreite der real erzielbaren COP-Werte symbolisieren. Man erkennt dennoch unschwer, dass eine Vorlauftemperatur von 65 °C höchst ineffizient ist. Dabei tritt dieser Fall bei der Warmwasseraufbereitung durchaus auf. Aber auch eine Vorlauftemperatur von 50 °C ist bei den üblicherweise zu erwartenden Wintertemperaturen von unter 0 °C kaum wirklich günstig zu nennen, da der resultierende COP-Faktor unter 3 fällt.

Effizienz von Wärmepumpen in der Praxis

Nachfolgend werden die typischerweise erreichten COP-Werte für die drei diskutierten Vorlauftemperaturen übersichtlich in einem Säulendiagramm dargestellt. Im konkreten Falle können die tatsächlichen COP-Werte davon abweichen. Das hängt von der jeweiligen Wärmepumpe und vom Aufstellungsort ab. Als Orientierung können die Werte dennoch dienen.

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Abbildung 2-5: Praktisch erzielbare Effizienzfaktoren in Abhängigkeit von der Umwelttemperatur und unterschiedlichen konstanten Vorlauftemperaturen im Heizkreis. Man erkennt unschwer, dass die hohe Vorlauftemperatur T_V von 65 °C ein Effizienzkiller ist. Aber auch bei einer Heizkreistemperatur von 50 °C und Außentemperaturen von unter 0 °C erreicht man bei niedrigen Außentemperaturen kaum COP-Werte über 3. Auf der anderen Seite erweist sich die niedrige Vorlauftemperatur von T_V = 35 °C, wie man sie in Verbindung mit einer Fußbodenheizung regelmäßig antrifft, noch bis hinunter zu einstelligen Minustemperaturen als sehr effizient.

Vergleich mit Ergebnissen aus Studien

Dazu sei an dieser Stelle auf die aktuelle Studienlage zu den in der Praxis erzielbaren Effizienzfaktoren von Luft-Wasser-Wärmepumpen hingewiesen. Vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) nennt eine Studie aus 2017 COP-Werte von 1,9 – 3,3 mit einem Mittelwert von 2,6 (s. Zukunft Bau: Effizienz von Wärmepumpen). Davon nicht gänzlich verschieden berichtet eine Studie von Agora Energiewende 2022 (s. A-EW_273_Waermepumpen_WEB.pdf (agora-energiewende.de) Werte von 2,5 – 3,8 mit einem Mittelwert von 3,1. Durchgeführt wurde diese Studie von Fraunhofer ISE und dem Öko-Institut e.V. In älteren Studien (s. WP-Bericht-2006-07 (pro-dx.de)) wurden eher geringere Werte gemessen, z.B. COP 2,1 – 3,3 mit einem Mittelwert von 2,8 beim Betrieb mit Fußbodenheizung (also niedriger Vorlauftemperatur) und 1,4 – 2,8 mit einem Mittelwert von 2,3 beim Betrieb mit Radiatoren, also klassischen Heizkörpern (und damit höherer Vorlauftemperatur).

Anmerkung: Da diese Studien vornehmlich eher von Lobbyverbänden und ihnen nahestehenden Instituten durchgeführt wurden, stehen die Ergebnisse nach Ansicht des Autors nicht im Verdacht einer ausgesprochen negativen Berichterstattung. Jedenfalls darf bzw. muss man wohl davon ausgehen, dass die tatsächlichen COP-Faktoren in Bestandsgebäuden im Mittel kaum über den in den Studien genannten Werten liegen werden.

Diskussion zu den COP-Faktoren

Wie man Abb. 2-5 entnehmen kann, ist die Wärmepumpe bei hohen Außentemperaturen sehr effizient. Mit einem geringen Einsatz an elektrischer Energie erzielt man hohe Wärmeleistungen. Aber natürlich benötigt man eine Heizung vor allem dann, wenn es kalt ist. Sofern der Heizkreis auf niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt ist (z.B. Fußbodenheizung), sind für das Heizen mit Wärmepumpe auch Frosttage mit Temperaturen bis  -10 °C und darunter kein ernsthaftes Problem. Anders sieht es aus bei hohen Vorlauftemperaturen, wie das bei Gebäuden im Bestand und klassischen Radiator-Heizungen zu erwarten ist. Bei Temperaturen unter -10 °C und Vorlauftemperaturen von 50 °C und mehr sinkt die Wärmepumpen-Effizienz schnell unter die klimapolitisch sinnvolle Schwelle von COP = 3, entsprechend steigen die Betriebskosten. Glücklicherweise sind solche niedrigen Temperaturen nur selten zu erwarten (in Deutschland regional unterschiedlich mit etwa 1 %  Wahrscheinlichkeit [2 – 5 Tage pro Jahr]).

Bei der Bewertung der Effizienzfaktoren aus Abb. 2-5 muss man noch berücksichtigen, dass der größte Wärmebedarf eben bei niedrigen Außentemperaturen anfällt, so dass bei der gewichteten Mittelwertbildung übers Jahr gerade die niedrigeren COP-Werte das Gesamtergebnis stark beeinflussen. Die bei den hohen Außentemperaturen sehr günstigen COP-Faktoren von 3,5, 4,5 oder 6 klingen gut, sind in der Gesamtbetrachtung aber eher von nachrangiger Bedeutung, weil bei höheren Temperaturen von 10 °C und mehr nur ein geringer Teil der erforderlichen Jahresheizwärme erzeugt werden muss. Allenfalls kann die ganzjährig nötige Warmwasseraufbereitung davon profitieren.

Wie steht’s mit der Wirtschaftlichkeit?

Verglichen mit einer reinen Elektroheizung ist gewiss jeder COP-Wert über 1 von Vorteil. Aber: Die absehbaren Betriebskosten liegen dann schnell in Bereichen über den Kosten für die klassischen fossilen Energieträger Öl, Gas und Holz (Pellets) – und dies bei nicht unerheblichen Investitionen für die Installation der Wärmepumpe. Dieser Themenkreis wird im Hinblick auf Erdgas als Energieträger  in den Teilen 4 und 5 näher beleuchtet.

Bereits an dieser Stelle kann man aber Folgendes vorwegnehmen: Bei energetisch nicht sanierten Bestandsgebäuden mit klassischen Radiator-Heizungen und hohen Vorlauftemperaturen ist der Einsatz einer Wärmepumpe im Allgemeinen unwirtschaftlich, weil die Betriebskosten absehbar höher liegen als bei den alternativen Heizsystemen. Mittels einer durchgreifenden energetischen Sanierung kann man die Effizienz steigern und damit die Heizkosten deutlich senken, allerdings können die dafür erforderlichen hohe Zusatzinvestitionen leicht einige 10.000 € ausmachen und teilweise gar sechsstellig werden. Und wenn dabei die Strompreise im Vergleich zum heutigen Niveau nicht erheblich nachgeben, dann ist es fraglich, ob sich die Investitionen überhaupt je amortisieren werden. Mehr dazu in Teil 4.

Ausblick auf Teil 3

Wir betrachten die zu erwartenden CO2-Emissionen von Luft-Wasser-Wärmepumpen im Bestand anhand einer Modellrechnung auf Basis realer Verbrauchwerte mit und ohne Photovoltaik. Es wird die Frage beantwortet: Was bringt das Heizen mit Wärmepumpe gegenüber dem Heizen mit Gas an CO2-Einsparung? Neben der grundsätzlichen Analyse wird eine bespielhafte Modellrechnung für ein Bestandsgebäude (Baujahr 2000) durchgeführt.

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


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?