Wärmepumpe vs. Solarthermie: Verursachte Emissionen im Vergleich

Angesichts zunehmender erneuerbarer Anteile im Strommix erscheint einem der Betrieb einer Wärmepumpe, insbesondere aus ökologischer Sicht, durchaus attraktiv. Doch wie viel CO₂ emittiert eine Wärmepumpe in Betrieb – und wie steht sie damit im Vergleich zu Solarthermie-Anlagen da? Ein Projekt der Wüstenrot-Stiftung in Zusammenarbeit mit der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V., FfE, geht diesen Fragen nach und liefert jetzt erste Antworten, die ich hier für euch zusammengefasst habe. Die ausführliche Abhandlung hat das Energie-Fachmagazin BWK in seinem Heft 6/2016 veröffentlicht.

Wer die Wissenschaftler hinter der Untersuchung sind

Der eine der beiden Autoren des Fachbeitrags ist M.Sc. Jochen Conrad, der andere ist Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Roger Corradini, einer unserer Akteure der Wärmewende.   

Was die Untersuchung vergleicht

Conrad und Corradini vergleichen die Emissionen von Wärmepumpen-Systemen mit denen, die eine Gasheizung verursacht, die von einer Solarthermie-Anlage unterstützt wird.

Was der Vergleich bringen soll

Mit dem Vergleich könne man den solarthermisch substituierten Endenergieanteil ermitteln, der kurz auch SSE-Anteil genannt werde, der in Kombi mit der Gasheizung genauso hohe CO₂-äquivalente Emissionen verursache, wie das zum Vergleich herangezogene Wärmepumpensystem. Die Parität der Emissionen werde dabei für verschieden hohe Anteile an erneuerbaren Energien im Strommix berechnet.

Welche Methodik angewendet wird

Die Methodik wird ausführlich in dem eingangs genannten Artikel erklärt. Sie hier in allen Details aufzuführen, würde den Rahmen meines Blogposts sprengen.

Was beim Vergleich der Emissionen von Wärmepumpe und Gasheizung plus Solarthermie raus kam

Die Ergebnisse des Vergleichs haben die Wissenschaftler in zwei Diagrammen (siehe die Grafiken) veranschaulicht,

• zum einen für Bestandsgebäude (Abbildung 1)

 

• und zum anderen für effiziente Gebäude (Abbildung 2).

Schauen wir mal genauer auf die Diagramme! Die Farbe der Linien darin stehe laut den Autoren der Studie für die elektrischen Heizsysteme, die untersucht wurden. Bei den Wärmepumpen gebe es gemäß der Jahresarbeitszahl (JAZ) jeweils sowohl minimale als auch maximale Werte. Die Linien entsprechen der im Voraus definierten Parität der Emissionen. Das heißt, dass sich der benötigte SSE-Anteil (rechte y-Achse der Diagramme), der zu gleich hohen CO2-Emissionen führt, anhand der Anteile erneuerbarer Energien im Strommix und anhand der gewählten E-Heizung bestimmen lasse.

Man könne laut Conrad / Corradini auch umgekehrt vorgehen und einen SSE-Anteil vorgeben, der in einem bestimmten Gebäude dank des Einsatzes einer Solarthermie-Anlage erzielt werde. Daraus ließe sich dann schließen, welche elektrischen Heizungen welche (ausschlaggebend ist an dieser Stelle sicher, ob mehr oder weniger) Emissionen verursachen. Wissen müsse man, dass die spezifischen Emissionen der linken y-Achse in den Diagrammen jeweils auf die Nutzenergie bezogen seien: Der maximale Wert von 331 Gramm pro thermische Kilowattstunde (331 g/kWh_th) entspreche demnach dem Emissionsfaktor von Gas geteilt durch die Verluste, die im Wärmeverteilsystem anfielen.

Die Diagramme informieren jedoch nicht nur über die Emissionen der verschiedenen Heizungstechnologien. Sie geben laut den Autoren auch Auskunft darüber, welchen aktuellen Anteil erneuerbare Energien im Strommix hätten. Der erreichbare SSE-Anteil werde als gestrichelte schwarze Linie gekennzeichnet.

Drei Beispiele für die Aussagekraft der Diagramme

Mit drei Beispielen wollen die Autoren des Fachartikels die Aussagefähigkeit ihrer Diagramme verdeutlichen, wobei sie das Augenmerk auf die

• Investitionen und
• die Brennstoffkosten

legen, die jährlich anfielen. Für die Beispiele gelte demnach: Die Gesamtkosten des Gas-Solarthermie-Systems und die des Wärmepumpensystems liegen gleich auf.

Beispiel 1: Luftwärmepumpe (LWP) in Bestandsgebäuden

Derzeit liege der Anteil regenerativer Energien im Strommix bei fast einem Drittel (32,5 Prozent). Damit verursachten die technisch betrachtet ineffizienteren Luftwärmepumpen (Luft-WP_min) ungefähr genauso viele Emissionen (laut Diagramm: 331 g/kWh_th) wie eine Gasheizung ohne Zuheizung von einer Solarthermie-Anlage (siehe Abbildung 1, Punkt 1). Zum Erzielen einer Kostenneutralität ergänze man die Gasheizung im Folgenden mit einer Solarthermie-Anlage. Kostenäquivalenz erreiche man mit einer Anlage mit 50 Quadratmetern (m²) Kollektorfläche. Somit erziele man einen SSE-Anteil von 37 Prozent und senke die Emissionen auf 210 g/kWh_th (siehe Abbildung 1, Punkt 2).

Zu bedenken geben die Autoren, dass Luft-Wärmepumpen in Bestandsgebäuden nicht eine wie die andere gleich effizient arbeiteten. So kämen  Modelle mit höchster Effizienz (Luft-WP_max) auf etwa die gleiche Menge an CO₂-Emissionen wie die Gas-Solarthermie-Kombiheizung. Wichtig: Die Autoren hätten in ihrer Untersuchung zwar Solarthermie-Anlagen mit saisonalem Speicher außen vor gelassen, vermuten aber, dass sich „unter der Maßgabe der Kostenneutralität die Kollektorfläche“ reduzieren würde. Außerdem erwarteten sie für diesen Fall leicht erhöhte SSE-Anteile.

Beispiel 2: Erdwärmepumpe in effizienten Gebäuden

Sollen in effizienten Gebäuden Emissionen erreicht werden, wie sie eine Erd-Wärmepumpe verursache, müssten die SSE-Anteile laut Conrad / Corradini zwischen 40 und 60 Prozent betragen (siehe Abbildung 2, Punkte 1 und 2). Mit einer kostenäquivalenten Solarwärme-Anlage mit einer Kollektorfläche von 34 Quadratmetern erreiche man in diesem Gebäudetyp etwa 43 Prozent SSE-Anteil (siehe Abbildung 2, Punkt 3).

Vergleiche man an dieser Stelle Erdwärmepumpen mit Luftwärmepumpen, müsse man festhalten, so die Autoren der Studie, dass keine Luftwärmepumpe auf ähnlich niedrige Emissionen komme wie die Solarthermie-Anlage mit 180 g/kWh_th, während die Mehrzahl der Erdwärmepumpen niedrigere Emissionen verursachten.

Beispiel 3: Effizientes Solarhaus mit großer Solarthermie-Anlage

Solarhäuser mit großer Solarthermie-Anlage und Saisonalspeicher erreichten laut der Untersuchung SSE-Anteile von etwa 65 Prozent. Ineffizientere Luftwärmepumpen kämen demnach dann auf vergleichbare Emissionen, wenn der Strommix etwa 91 Prozent Erneuerbare Energien (siehe Abbildung 2, Punkt 4) beinhalte, während effiziente Erdwärmepumpen den Wert schon mit einem EE-Anteil von 39 Prozent  im Strommix erreichten (siehe Abbildung 2, Punkt 5).

Fazit der Autoren

Die Autoren der Untersuchung, M.Sc. Jochen Conrad und Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Roger Corradini, ziehen folgendes Fazit:

• Unter den Rahmenbedingungen, die die Untersuchung annehme, erreichten im Vergleich zu Solarthermie-Anlagen Luft-Wärmepumpen nur dann ähnliche geringe Emissionen, wenn sie maximal effizient ausgelegt seien.
• Erdwärmepumpen erreichten dagegen in bestehenden Gebäuden schon im Mittel die Werte von Solarthermie-Anlagen und in effizienten Gebäuden lägen sie Großteils sogar unter diesen.
• Die Emissionswerte von Solarhäusern mit saisonalem Speicher lägen derzeit stets unter den Werten von Wärmepumpensystemen.

Ausblick der Autoren

Mit Blick auf die Zukunft schreiben die Autoren, dass das Stromangebot während der Bezugszeiten von Wärmepumpen höhere Emissionen (bezogen auf das Jahresmittel) verursachen könnte, wenn die derzeit als konstant angenommene elektrische Last infolge einer Marktdurchdringung mit elektrischen Heizungen oder E-Autos künftig ansteigen würde. Derzeit forsche man an einer Neubeurteilung der Lage unter eben diesen Randbedingungen.

Nun, da bleiben wir gespannt dran!

Titelbild: kallejipp / Photocase; Grafiken (2): Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V., München, M.Sc. Jochen Conrad  / Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Roger Corradini