Wärmepumpen – Schlüssel zur Wärmewende?

Beitrag von Simon Greif, Rene Magg und Roger Corradini in der et – Energiewirtschaftliche Tagesfragen, Ausgabe 05/2019

Wie schaffen wir die Energiewende im emissionsreichen Gebäudebestand? Die Wärmewende basiert auf drei Mechanismen: der Reduktion des Nutzenergiebedarfs, der Erhöhung der Anlageneffizienz sowie der verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien. Die Wärmepumpe vereint die Nutzung von Umweltwärme und den effizienten Einsatz von Strom. Auf dem Weg hin zu einem nahezu klimaneutralen Gebäudebestand kann sie neben der Gebäudesanierung eine Schlüsselrolle spielen.

Rund 70 % der Emissionen in privaten Haushalten werden durch Heizungen verursacht. Der Großteil dieser Emissionen entfällt dabei heute wie auch im Jahr 2050 auf Gebäude mit Baujahr vor 1995 und damit vor dem Inkrafttreten der dritten Wärmeschutzverordnung (vgl. [1]). Die mit Abstand am weitesten verbreiteten Heizsysteme sind Gas- und Ölkessel, welche diese Gebäude mit Raumwärme und Trinkwarmwasser versorgen.

Die elektrische Wärmepumpe ist eine Alternative zu fossil betriebenen Kesseln. Sie heizt v. a. mit Umweltwärme – aus dem Erdboden, der Luft, der Sonne oder dem Grundwasser –, welche durch den Einsatz von Strom nutzbar wird.

Wärmepumpe im Altbau

Aktuell stehen Elektrowärmepumpen vor allem im Gebäudeneubau im Fokus, da das Vorurteil weit verbreitet ist, dass sie in Bestandsgebäuden aufgrund der hohen Vorlauftemperaturen nicht sinnvoll einsetzbar sind. Aus technischer Sicht hingegen sind auch für Altbauten Elektrowärmepumpen-Lösungen verfügbar. Dies betrifft sowohl die Anlagenregelung als auch die Reduktion der Vorlauftem-peratur durch hydraulischen Abgleich und den Tausch einzelner Heizkörper. Da die Klimaziele ohne die Dekarbonisierung des Gebäudebestands nicht erreicht werden können, sind derartige Ansätze von besonderer Bedeutung.

Daraus leitet sich die Frage ab: Kann durch den flächendeckenden Einsatz von Elektrowärmepumpen in dem Gebäudebestand eine bezahlbare und akzepierte Wärmewende bis zum Jahr 2050 realisiert werden? Um die vielfältigen Aspekte dieser Fragestellung zu sammeln, wurde eine PESTEL-Analyse durchgeführt und deren Ergebnisse in Form einer Mind-Map visualisiert (vgl. Abb.). Auf Basis dieser Zusammenfassung sollen Potenzialgrenzen quantifiziert sowie gesellschaftlicher und politischer Handlungsbedarf aufgezeigt werden.

Umwelt

Mit Ausnahme der Luftwärmepumpe ist die Verfügbar- bzw. Erschließbarkeit der Wärmequellen stark standortabhängig und gerade in dicht besiedelten Gebieten limitiert. Die Möglichkeit zur Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle ist durch dessen Tiefe, die Permeabilität des Untergrunds sowie die Wasserqualität (Verockerung des Schluckbrunnens) begrenzt. Erdwärmepumpen benötigen Freifläche für die Einbringung von Kollektoren oder die Bohrung von Sonden. Versiegelte Flächen, Baumbestand und einzuhaltende Abstände zu Wohnhäusern und Nachbargrundstücken reduzieren die im Bestand nutzbare Fläche (vgl. [2]).

Auch solarthermisch erzeugte Wärme kann als Quelle für Wärmepumpen dienen. Da Solarthermiekollektoren typischerweise auf dem Dach montiert werden, muss hierfür ausreichend verfügbare Dachfläche vorhanden sein. Aufgrund der hohen Volatilität der Solarstrahlung werden derartige Anlagen entweder in Kombination mit großen Wärmespeichern oder bivalent z. B. mit sog. Hybridkollektoren ausgeführt.

Bei allen aufgeführten Wärmepumpen-Varianten erfolgt der Entzug von Wärme aus der Wärmequelle anhand eines mit Kältemittel gefüllten Kreislaufs. Dieses Kältemittel darf aufgrund der oftmals hohen Klimaschädlichkeit nicht in die Atmosphäre gelangen, weshalb für die leckagefreie Befüllung und Wartung von Anlagen Fachpersonal benötigt wird.

Gesellschaft

Grundsätzlich sind Entscheidungen über die Wahl der Wärmebereitstellungstechnologie aufgrund der langen Nutzungsdauern und der hohen Investitionen durch Risikoaversion geprägt. Dies ist ein Grund, weshalb fossil betriebene Heizkessel selten durch Wärmepumpen ersetzt werden.

Darüber hinaus ist die gesellschaftliche Akzeptanz durch Vorbehalte gegenüber dem Heizen mit Strom eingeschränkt. Diese basieren u. a. auf der Ablehnung von Kohle- und Kernkraftwerken, dem Bau von Windenergieanlagen, dem Ausbau der Stromnetzinfrastruktur sowie der Wahrnehmung dann stärker von der Stromversorgung und deren Unternehmen abhängig zu sein.

Bestehende Wissenslücken können zu Fehlinformation führen: So hält sich z. B. bei vielen Akteuren das Vorurteil, dass aufwendige Gebäudesanierungen notwendig sind, um effizient mit einer elektrischen Wärmepumpe heizen zu können. Auch Solarthermiekollektoren als sinnvolle Ergänzung zur elektrischen Wärmepumpe werden aufgrund von fehlendem Know-How oftmals nicht in Betracht gezogen.

Die Lärmemissionen der Luftwärmepumpen während des Betriebs können ein Akzeptanzproblem darstellen. Bei unsachgemäßem Einbau können Nachbarn von Lärmbelästigung betroffen sein. Die zur Vermeidung derartiger Probleme notwendigen Abstände verringern jedoch das Einsatzpotenzial von Luftwärmepumpen. Die Beachtung von Schallreflektionen und -überlagerungen sowie weitere Maßnahmen können die Lärmemissionen hingegen reduzieren (vgl. [3]).

Technik

Der Bereich Technik umfasst zwei Aspekte: Die Wärmepumpe selbst und die Gesamtheit aller zur Stromversorgung notwendigen Elemente. Die Wärmepumpe selbst ist ein technisch ausgereiftes Produkt, welches seit über 50 Jahren gebaut und erfolgreich eingesetzt werden kann. Die oftmals als kritisch eingestufte Vorlauftemperatur des Heizsystems stellt in Wohngebäuden keine technische Beschränkung dar. In Gebäuden mit Heizkörpern kann die Vorlauftemperatur durch Maßnahmen wie dem hydraulischen Abgleich sowie dem Austausch der am kleinsten dimensionierten Heizkörper oftmals deutlich abgesenkt werden. Fehler wie Überdimensionierung oder unpassende Regelung der Anlage können jedoch in der Praxis zu Effizienzeinbußen und weiteren Problemen führen. Bei einer deutlichen Erhöhung des Marktanteils von Wärmepumpen bildet die Verfügbarkeit von Fachpersonal zur sachgemäßen Planung und Montage von Wärmepumpen demnach eine große Herausforderung.

Des Weiteren wird durch den Einbau einer Vielzahl von elektrischen Heizsystemen das gesamte Energiesystem vor Herausforderungen gestellt. Für die Stromnetzinfrastruktur ist maßgeblich der Beitrag zur Maximallast ausschlaggebend (vgl. [4]). Insbesondere der ungesteuerte Einsatz von Wärmepumpen kann im Winter zu einer sehr hohen Gleichzeitigkeit und damit zu einem großen Beitrag zur Jahreshöchstlast führen.

Um den Anteil erneuerbarer Energien am Strombezug zu steigern, ist eine Steuerbarkeit in Kombination mit einer hohen Speicherkapazität wichtig.

Ökonomie

Aus finanzieller Sicht ist die Wärmepumpe derzeit in vielen Fällen teurer als konventionelle Heizsysteme wie Gas- und Ölkessel (vgl. [5]). Dies ist sowohl auf die höhere Investition als auch die höheren Betriebskosten zurückzuführen. Zur Reduktion der Investition wird vielfach auf eine monovalente Auslegung verzichtet und die thermische Spitzenlast durch ein ergänzendes Heizsystem bereitgestellt. Die Betriebskosten hängen maßgeblich von dem Strompreis und der Effizienz ab. Die Effizienz wiederum steht in direktem Zusammenhang mit der Quelltemperatur und der Vorlauftemperatur. Hohe Vorlauftemperaturen sind demnach technisch realisierbar erhöhen jedoch die Betriebskosten.

Politik

Politisch wird aktuell kein ausreichender Anreiz geboten, Bestandsgebäude von fossil basierten Heizsystemen auf elektrische Wärmepumpen umzurüsten. Ganz im Gegenteil werden weiterhin rein fossil beheizte Systeme wie Brennwertgeräte als Übergangslösung gefördert (vgl. [6]). Auch wenn die Investition für Privatpersonen ein wichtiger Entscheidungsparamter sein kann, ist die Gestaltung der Energieträgerpreise eine weitere politische Handlungsoption. Der Endkundenpreis von Strom ist stärker durch Umlagen, Abgaben und Steuern belastet als der von Gas und Öl. Deshalb wird vielfach ein sog. „level playing field“ gefordert. Eine Idee ist es, die Abgabenhöhe abhängig von der Emissionsintensität zu gestalten. Unter Rahmenbedingungen wie der ungewissen Energiepreisentwicklung ist ein fundamentaler Technologiewechsel derzeit nicht in Sicht.

Recht

Rechtlich steht der Schutz des Grundwassers über der Nutzung von Erd- und Grundwasserwärme und verbietet deren Nutzung in derartigen Schutzgebieten. Weiterhin muss beachtet werden, dass Bohrvorhaben für Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen genehmigungspflichtig sind. Dabei gibt es je nach Bundesland verschiedene Genehmigungsverfahren, die befolgt werden müssen.

Projekte im Umfeld

Im Projekt Dynamis [1] untersucht die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. die Bestandsentwicklung von Gebäuden und deren Heizsystemen mit dem Ziel, die CO₂-Emissionen in den nächsten drei Jahrzehnten stark zu verringern. In dem Demonstrationsvorhaben C/sells (vgl. [7]) werden elektrische Wärmepumpen in einem Feldtest ferngesteuert, so dass durch Lastverschiebung die Integration erneuerbarer Energien aktiv vorangebracht wird. In dem Projekt COP4EE werden erste Geodatenauswertungen zum Potenzial von Erdwärmepumpen auf Einzelgebäudeebene durchgeführt (vgl. [8]). Auf dieser Basis ist geplant, an der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. weitere Untersuchungen auch für Bestandsgebäude durchzuführen, um herauszufinden, in welchem Maß Wärmequellen für Wärmepumpen in Deutschland erschließbar sind.

Weitere Informationen:

• Wärmepumpenatlas – Räumlich hochaufgelöstes Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in Deutschland zur Erreichung der Klimaziele
• Potenzialanalyse zur Nutzung von Erdwärmepumpen im Gebäudebestand – Oberflächennahe Geothermie im außerstädtischen Wohngebäudebestand
• Dynamis – Dynamische und intersektorale Maßnahmenbewertung zur kosteneffizienten Dekarbonisierung des Energiesystems
• Wärmepumpen im Energiesystem

Quellen:
[1] Regett, A.; Conrad, J.; Fattler, S.: Laufendes Projekt: Ver-bundprojekt Dynamis – Dyna-mische und intersektorale Maßnahmenbewertung zur kosteneffizienten Dekarboni-sierung des Energiesystems. In: www.ffe.de/dynamis. Mün-chen, München: FfE e.V., 2018.
[2] Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen (VDI 4640). Düsseldorf: VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt, 2015.
[3] Tieffrequente Geräusche bei Biogasanlagen und Luftwärme-pumpen. Augsburg: Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2011.
[4] Conrad,J.; von Roon,S.: Beitrag elektrischer Heizsysteme zur Jahreshöchstlast im deutschen Übertragungsnetz in: Energie-wirtschaftliche Tagesfragen. Essen: etv Energieverlag GmbH, 2014.
[5] Corradini, R.; Conrad, J.; Greif, S.: Energierationalität im Eigenheim – Effiziente Energieversorgung von Wohngebäuden. Ludwigsburg: Wüstenrot Stiftung, 2018.
[6] Klimaschutzplan 2050 – Klimaschutzpolitische Grundsätze und Ziele der Bundesregierung. Berlin: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, 2016.
[7] Greif, S; Conrad, J.: Laufendes Projekt: Intelligente Wärme München. In: www.ffe.de/themen-und-metho-den/waermeversorgung/740-intelligente-waerme-muenchen. München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE), 2017.
[8] Konetschny, C.; Schmid, T.; Greif, S.: Oberflächennahe Geothermie im außerstädtischen Wohngebäudebestand – Potenzialanalyse zur Nutzung von Erdwärmepumpen im Gebäudebestand. In: BWK Bd. 70 (2018) Nr. 7/8. Düsseldorf: VDI Verlag, 2018.