Positionspapier (6): Heizungstechnologien mit Zukunft (3): Wärmepumpen

Schlag auf Schlag geht’s bei uns weiter: In unserer Artikelreihe zum KEA-Positionspapier, das auf die Energieeffizienz und damit Zukunftstauglichkeit verschiedener Heizungstypen fokussiert, stehen heute Wärmepumpen auf dem Plan. Lest hier, wie die Verfasser des Positionspapiers, Experten für Gebäudesanierung und Heizungsmodernisierung, die elektrisch betriebene Wärmepumpe (Elektrowärmepumpe) und die gasbetriebene Wärmepumpe (Gaswärmepumpen) bewerten – haben sie das Zeug zur Heizung mit Zukunft?

Los geht’s mit der elektrisch betriebenen Wärmepumpe:

Wie energieeffizient ist die Elektro-Wärmepume?

Eine elektrisch betrieben Wärmepumpe verwende erneuerbare Energiequellen, um Wärme zu erzeugen. Mit der Wärme werde geheizt oder ließe sich Warmwasser bereitgestellt wird: Die Energie ist

• entweder im Erdboden (Sole/Wasser-Wärmepumpen),
• im Grundwasser (Wasser/Wasser-Wärmepumpen)
• oder in der Luft (Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen)

gespeichert.

Die mit einer Elektro-Wärmepumpe erzeugte Wärmemenge betrage den Experten zufolge, die das KEA-Positionspapier verfassten (Download der PDF-Datei hier), dabei ein Mehrfaches der für den Antrieb der Pumpe benötigten Strommenge.

Aufgrund des Energieträgermixes sei – bei der heutigen Stromerzeugungsstruktur – der Betrieb von Wärmepumpen hinsichtlich ihrer CO₂-Bilanz dann von Vorteil, wenn ein Verhältnis von jährlicher Wärmeabgabe zu Stromaufnahme (sogenannte Jahresarbeitszahl, kurz: JAZ) von über 2,5 erzielt werde.

Bei dem – in den kommenden Jahren zu erwartenden – weiter steigenden Anteil erneuerbarer Energien am Strommix wären demnach bereits Wärmepumpen-Heizungen mit einer noch niedrigeren Jahresarbeitszahl CO₂-sparender als mit Erdgas betriebene Brennwertgeräte.

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht sei jedoch zu bedenken, dass der Strompreis zurzeit vier Mal höher sei als der Preis fossiler Brennstoffe und daher weiterhin eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl anzustreben sei.

Der Gesetzgeber erlaube deshalb in Baden-Württemberg eine Anrechnung von Wärmepumpen als Erneuerbare Energien nur dann, wenn diese mit einer JAZ von 3,5 und höher arbeiteten. Das gelinge prima, wenn der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke (Temperaturhub) nicht zu groß sei, schreiben die Fachexperten. Das bedeute, dass einerseits die Temperatur der Wärmequelle nicht zu niedrig und dass andererseits die Temperatur auf der Seite der Wärmeabgabe nicht zu hoch sein dürfe. In der Konsequenz daraus sollte das mit der Wärmepumpe zu beheizende Gebäude demnach Niedertemperatur-Heizflächen und eine entsprechend abgestimmte Trinkwarmwasserbereitung haben.

Als geeignete Wärmequellen beziehungsweise Technologien zur Gewinnung der Energie aus diesen führen die Verfasser des Positionspapieres

• Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren,
• Grundwasser
• und Fließgewässer an
• sowie unter bestimmten Umständen auch Abwassersammler.

Luft als Wärmequelle würde demnach insbesondere bei sehr kalten Außentemperaturen zu einem relativ hohen Stromverbrauch der Wärmepumpe führen.

Zu bedenken geben die Experten auch die Geräuschemissionen der Außenlufteinheiten von Wärmepumpen, die vor allem in dicht bebauten innerstädtischen Quartieren Probleme machen könnten.

In der Praxis ließen sich mit Elektro-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen zwischen 2,5 und in sehr günstigen Fällen 4,5 auch in der Bestandssanierung erzielen. Die Experten machen einen Trend zu besseren Betriebsergebnissen bei jüngeren Anlagen aus.

Zur Verbesserung der Jahresarbeitszahl von Luft-Wasser-Wärmepumpen sei vor allem in Bestandsgebäuden eine Kombination der Wärmepumpe mit einem fossil befeuerten Spitzenlastkessel denkbar (sogenannter bivalent-alternativer Betrieb). Dann würde die Wärmepumpe nur bei günstigen Temperaturverhältnissen arbeiten. In Bezug auf lokale Luftschadstoffe sei die Elektro-Wärmepumpe nach der Expertenmeinung emissionsfrei, wobei aber großräumig natürlich die vom bundesdeutschen Kraftwerkspark bedingten Emissionen anfielen.

Für die Bilanzierung von Wärmepumpenheizungen spielten die Kosten für die Erschließung der Wärmequelle eine wesentliche Rolle, schreiben die Experten weiter.

Lasse sich eine geeignete Wärmequelle günstig erschließen, zum Beispiel Grundwasser, Oberflächenwasser oder Abwasser bei entsprechend großen Anlagen, dann stelle sich die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpenheizung günstiger dar. Zu berücksichtigen seien hierbei allerdings die zum Teil aufwendigen Abstimmungs- und Genehmigungsprozesse.

Außenluftwärmepumpen wären demnach die bei der Erschließung der Wärmequelle günstigsten Wärmepumpen. Aber: Wegen ihrer üblicherweise niedrigeren Jahresarbeitszahl würden sie höhere Betriebskosten verursachen.

Strombetriebene Wärmepumpe als Kältemaschine

Weil sich Wärmepumpen und Kältemaschinen nur in der Nutzung unterscheiden (Wärmeabgabe oder Wärmeaufnahme), ließe sich mit Wärmepumpenheizsystemen grundsätzlich auch kühlen. Das heiße, dass Wärmepumpen dort von Vorteil sein würden, wo neben einem Wärmebedarf auch ein Kältebedarf bestünde.

Nutze man als Energiequelle das Erdreich oder das Grundwasser für die Heizungswärmepumpe, ließe sich demnach eine sommerliche Kühlung häufig auch direkt über einen Wärmetauscher realisieren – ohne den Betrieb der Wärmepumpe als Kältemaschine. Dann schlüge sich nur der Betriebsstrom  für die beteiligten Umwälzpumpen auf der Verbrauchsrechnung nieder.

Um Elektro-Wärmepumpen energieeffizient zu betreiben, sei es den Verfassern des KEA-Positionspapiers zufolge besonders wichtig, diese sorgfältig

• zu planen,
• auszuführen,
• und ihren Betrieb nach Bedarf zu optimieren
• sowie geeignete Maßnahmen zur Qualitätssicherung zu ergreifen.

Ein hinreichend dimensionierter Speicher oder ein Flächenheizungssystem könnten demnach dazu beitragen, den Strombezug des Gebäudes netzdienlich zu gestalten. Dies gelte vor allem dann, wenn mit einer am Gebäude installierten Photovoltaikanlage ein Teil des für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten Stroms lokal erzeugt werden soll (Stichwort: Eigenverbrauch). Der Wärmespeicher ließe sich zur Steigerung des solaren Deckungsgrades nutzen. Die Strom verbrauchende Wärmepumpe könne dank des Speichers in den Nachtstunden abgeschaltet werden. Die Notwendigkeit eines Wärmespeichers und die zu erwartenden Verluste seien im Einzelfall zu prüfen.

Die Experten schließen dieses Kapitel mit dem Hinweis, dass in Bestandsgebäuden, wo sich Heizungsvorlauftemperaturen von unter 50 Grad Celsius (°C) erreichen ließen, Elektro-Wärmepumpen inzwischen auch eine Heizenergiequelle seien, die zu erwägen sich lohne.

Wie energieeffizient sind Gas-Wärmepumpen?

Gasbetriebene Wärmepumpen würden auch dann relativ effizient arbeiten, wenn man sei mit höheren Vorlauftemperaturen beschicke, schreiben die Verfasser des KEA-Positionspapieres. MIt Gas angetriebene Wärmepumpen könnten

• entweder monovalent ausgelegt sein
• oder in Kombination mit einem Spitzenlastkessel betrieben werden.

Kompressions- vs. Sorptions-Wärmepumpe

Grundsätzlich unterscheiden die Experten zwischen

• gasmotorbetriebenen Kompressions-Wärmepumpen
• und gasbefeuerten Sorptions-Wärmepumpen.

In der Kompressions-Wärmepumpe arbeite  ein mechanischer Kompressor. In der  Sorptions-Wärmepumpe finde dagegen die Verdichtung auf thermischem Wege über Sorptions- und Desorptionsprozesse statt. Bei der Sorptions-Wärmepumpe benötige man nur für den Lösungsmittelkreislauf noch eine kleine elektrisch betriebene Pumpe: Die verbauche aber weit weniger Strom als der Kompressor in einer Elektro- Wärmepumpen.

Je nach Art des Adsorbens ließen sich Sorptions-Wärmepumpen noch in

• Absorptions-
• und Adsorptions- Wärmepumpen

unterschieden: Bei der Absorptionstechnik werde das verdampfte Kältemittel in einer Lösung wie Ammoniak/Wasser oder Wasser/Lithiumbromid absorbiert, während es bei der Adsorptionstechnik an der Oberfläche eines Feststoffes wie Zeolithe, Silikagel, Aktivkohle angelagert werde.

In Sachen Wirkungsgrad kämen Gasmotor-Wärmepumpen tendenziell auf Werte, die bis zu zehn Prozent höher als die von Absorptions-Wärmepumpen ausfielen.  Den Wissenschaftlern zufolge erzielten Gasmotor-Wärmepumpen heute bestenfalls Jahresheizzahlen bis etwa 1,6. Das bedeute: Aus einer Kilowattstunde (kWh) Gas ließen sich bis zu 1,6 kWh Wärme gewinnen.

Wie Erdgas-BHKW könnten auch Gas-Wärmepumpen langfristig mit erneuerbarem Methan (Biogas, PtG) betrieben werden, was ihre THG-Bilanz weiter verbessere.

Foto: david-w-/photocase