Wärmepumpe und Effizienz

In der siebten Folge unserer Blogserie zum Thema Wärmepumpen im Bestand geht es um die Frage nach der Effizienz beim Betrieb einer Erdwärmepumpe oder Luftwärmepumpe. Je effizienter sie laufen, desto größer ihr Beitrag zur Einsparung von CO₂-Emissionen im Gebäudebestand. Wärmepumpen sind damit ein wichtiger Baustein für das Gelingen der Energiewende – denn zu der gehört auch eine erfolgreiche Wärmewende.

Um die Folgen des Klimawandels abzumildern, ist eine drastische Absenkung der CO2-Emissionen von entscheidender Bedeutung. Die EU-Kommission hat die Reduktionsziele deshalb mit ihrem „European Green Deal“ weiter verschärft: Statt um 40% sollen die Emissionen bis 2030 jetzt um 55% sinken. In Deutschland ist aktuellen Studien zufolge eine Senkung der Treibhausgasemissionen um 65% bis 2030 erforderlich, um eine Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen. Um diese Ziele auch im Gebäudebestand zu erreichen, muss die Wärmeversorgung möglichst zügig auf Technologien umgestellt werden, die möglichst wenig CO2-Emissionen verursachen und perspektivisch vollständig klimaneutral sind.

Wirkungsgrad der Wärmepumpe

Eine wichtige Kennzahl zur Messung der Effizienz von Wärmepumpen ist der Wirkungsgrad. Je nach Wärmequelle und Temperaturhub produzieren Wärmepumpenanlagen aus 1 kWh Strom 3 bis 5/5,5 kWh Nutzwärme. Dies entspricht einem Wirkungsgrad der Wärmepumpe von 300 bis 400 Prozent. Dabei sollte das Wärmeverteilsystem Ihrer Wärmepumpe möglichst energieeffizient arbeiten. Sie erkennen dies an einer hohen Arbeitszahl, also einem guten Verhältnis von Aufwand (Antriebsarbeit) und Ertrag (Heizwärme). Wenn die Jahresarbeitszahl beispielsweise bei 4,0 liegt, können Sie von einer hohen Effizienz Ihrer Wärmepumpe ausgehen. Je höher die Leistungszahl ist, desto energieeffizienter ist die Wärmepumpe, damit auch umweltfreundlicher und kostengünstiger.

CO2-Einsparungen: Wärmepumpe schlägt fossile Energieträger

Wer eine Wärmepumpe kauft, setzt schon heute auf ein technologisch ausgereiftes System, das in großem Umfang auf Erdgas oder Heizöl basierte Heizungssysteme ersetzen kann. Aus diesem Grund gelten Wärmepumpen als ein zentraler Baustein für ein zukünftiges, klimaneutrales Energiesystem – und für eine erfolgreiche Wärmewende.

Die Höhe der CO2-Einsparung durch den Einsatz elektrisch betriebener Wärmepumpen hängt von zwei Faktoren ab:

1. CO2-Intensität des Stroms
2. Effizienz der Wärmepumpe

Der erste Faktor gibt an, wie „sauber“ die elektrische Energie erzeugt wird, d.h. wie viel Gramm Kohlendioxid pro erzeugter Kilowattstunde Strom emittiert werden. Dieser Wert variiert zwar zwischen unterschiedlichen Regionen und im zeitlichen Verlauf. Es lassen sich aber aussagekräftige Mittelwerte angeben.

Wann arbeiten Wärmepumpen CO2-neutral?

Laut Umweltbundesamt sank durch den Zubau von Windkraft- und Photovoltaikanlagen und dem damit verbundenen Rückgang der Kohleverstromung der spezifische Emissionsfaktor für den deutschen Strommix von 1990 bis 2019 von 764 g CO2/kWh auf 401 g CO2/kWh (Zahlen für 2019 geschätzt). Im Jahr 2020 hat der erneuerbare Anteil bei der Stromerzeugung erstmals die 50-Prozent-Marke überschritten. Der Trend zu sauberem Strom setzt sich also fort. Zum Vergleich: Der Mittelwert für die EU28–Länder liegt bereits unter 300 g CO2/kWh.

Das Ziel, in Deutschland Strom zu 100% aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft zu erzeugen und zu nutzen, ist noch nicht erreicht. Daher rechnen wir in diesem Beispiel mit den verfügbaren Daten zum deutschen Strommix. Eine mit 100% Ökostrom betriebene Wärmepumpe arbeitet hingegen komplett CO2-neutral. Bestandskund:innen von Green Planet Energy können schon heute von einem speziellen Wärmestromtarif mit 100% Ökostrom für 100% Klimaschutz profitieren.

Wärmepumpe: Emissionen im Vergleich

Die Grafik zeigt die CO2-Emissionsminderungen durch Wärmepumpen – abgestuft je nach deren Effizienz – beim herkömmlichen deutschen Strommix, verglichen mit den Emissionen eines Gaskessels, der bei der Warmwasserbereitung von einer thermischen Solaranlage unterstützt wird. Als Bilanzraum wurde Deutschland im Jahr 2019 sowie 2030 gewählt.

Effizienz-Mittelwerte von Wärmepumpen

Mit den für die Berechnung zugrunde gelegten Werten erreicht eine Wärmepumpe im Beispiel „Deutschland 2019“ schon ab einem (relativ niedrigen) Effizienzwert von 1,7 eine CO2-Minderung. Im Vergleich dazu liegen die Effizienz-Mittelwerte der Luft- bzw. Erdreichwärmepumpen aus dem Feldversuch Wärmepumpen in Bestandsgebäuden mit 3,1 bzw. 4,1 deutlich darüber (siehe Teil 4 dieser Blogserie). Die CO2-Einsparungen liegen bei über 44% bzw. 58%. Die Wärmepumpen sparen demnach schon beim heute noch kohlelastigen Strommix in etwa die Hälfte an CO2-Emissionen gegenüber einer Gasheizung ein.

Wirkungsgrad von Luftwärmepumpen und CO2-Ersparnis

Für Wärmepumpen ist Dämmung stets eine kritsiche Metrik. Selbst die Luftwärmepumpen mit dem schlechtesten Jahresergebnis von 2,5 erreichten immer noch eine CO2-Ersparnis von 33%. Eine Auswertung von Luftwärmepumpen für die zwei kalten Februarwochen des Jahres 2021 hat eine mittlere Effizienz der 17 Anlagen von 2,3 ergeben. Das bedeutet selbst bei isolierter Betrachtung kalter Winterwochen dennoch eine CO2-Einsparung von 27%.

Im zweiten Beispiel „Deutschland 2030“ wurden die Emissionsfaktoren der Stromerzeugung anhand der aktuellen Studie „Klimaneutrales Deutschland 2050“ fortgeschrieben. Nach Auskunft der Autoren von Prognos liegen die Emissionen der Stromerzeugung danach im Jahr 2030 bei 143 g pro kWh. Eine Wärmepumpe mit einer eher geringen Effizienz von 2,5 erreicht dann bereits eine Emissionseinsparung von 76%. Dieser Wert steigt für effizientere Wärmepumpen auf fast 90%. Bei diesem Szenario erreicht selbst ein elektrischer Heizstab für die Wärmepumpe mit der Effizienz von 1,0 bereits 40% CO2-Ersparnis.

Fazit: Wärmepumpen senken CO2-Emissionen

Das Ergebnis ist eindeutig: Der Einsatz von Wärmepumpen führt zu einer klaren CO2-Emissionsminderung gegenüber fossil betriebenen Heizungssystemen wie z.B. Gaskesseln. Mit dem Zubau erneuerbarer Energien und dem steigenden Ökostrom-Anteil im deutschen Strommix werden diese Einsparungen noch anwachsen. Die Effizienzergebnisse aus den Feldstudien zeigen, dass Wärmepumpen sowohl im Neubau als auch im Altbau schon heute (und erst recht in Zukunft) problemlos den Ausstoß von CO2-Emissionen senken – und damit spürbar beim Klimaschutz helfen.

FAQ – Häufig gestellte Fragen zu Wärmepumpen und Effizienz

Wie effizient ist eine Wärmepumpe?

Je nach Wärmequelle produzieren Wärmepumpenanlagen aus 1 kWh Strom 3 bis 5/5,5 kWh Wärme. Die Energieeffizienz wird mit der Jahresarbeitszahl gemessen. Schon bei vergleichsweise niedrigen Arbeitszahlen schafft die Wärmepumpe hohe CO2-Einsparungen im Vergleich zu fossilen Energieträgern.

Wann ist eine Wärmepumpe wirtschaftlich?

Je nach Strompreis und dem Preis für andere Heizarten ist eine Wärmepumpe meist bei einer Jahresarbeitszahl von 2,5 bis 3 wirtschaftlich.

Welche Wärmepumpe hat den besten Wirkungsgrad?

Sole-Wärmepumpen auf der Basis von Erdwärme haben einen besonders hohen Wirkungsgrad, Luftwärmepumpen einen geringeren. Auch Grundwasserwärmepumpen haben einen hohen Wirkungsgrad, sind aber in der Regel teurer bei der Installation.

Zum Weiterlesen:

Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 – 2019, CLIMATE CHANGE 13/2020, Umweltbundesamt.

Überblick über die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen.

Dr. Marek Miara forscht seit mehr als 20 Jahren am Fraunhofer ISE (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme) und koordiniert dort als einer der führenden Spezialisten in Deutschland die Arbeiten des Forschungsinstitutes zum Thema Wärmepumpen.