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 Prozent sollen die Emissionen bis 2030 jetzt um 55 Prozent sinken. In Deutschland ist aktuellen Studien zufolge eine Senkung der Treibhausgasemissionen um 65 Prozent 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.

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.

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: Dieser 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.
2. Effizienz der Wärmepumpe: Sie bestimmt, wie viel Heizwärme aus einer Kilowattstunde Strom gewonnen werden kann – je höher die Effizienz, desto größer die CO₂-Einsparung.

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 Prozent 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.

Die untenstehende 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.

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. Erdwärmepumpen 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 Prozent bzw. 58 Prozent. Die Wärmepumpen sparen demnach schon beim heute noch kohlelastigen Strommix in etwa die Hälfte an CO₂-Emissionen gegenüber einer Gasheizung ein.

Für Wärmepumpen ist Dämmung stets eine kritische Metrik. Selbst die Luftwärmepumpen mit dem schlechtesten Jahresergebnis von 2,5 erreichten immer noch eine CO₂-Ersparnis von 33 Prozent. 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 Prozent.

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 Prozent. Dieser Wert steigt für effizientere Wärmepumpen auf fast 90 Prozent. Bei diesem Szenario erreicht selbst ein elektrischer Heizstab für die Wärmepumpe mit der Effizienz von 1,0 bereits 40 Prozent CO₂-Ersparnis.

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.