Wärmepumpen sind nur für Neubauten oder energetisch anspruchsvoll sanierte Gebäude geeignet – so lautet eine gängige Auffassung, die heute in vielerlei Hinsicht als widerlegt gelten kann. Auf Basis von fast 20 Jahren Forschungsarbeit am Fraunhofer ISE begegnet diese fünfteilige Serie häufigen Vorurteilen beim Einsatz von Wärmepumpen im Bestand. In der dritten Folge geht es um die ökologische und ökonomische Bewertung der Wärmepumpen in Bestandsgebäuden.
Kompakt zusammengefasst
■ Elektrisch angetriebene Wärmepumpen sind ein wichtiger Schlüssel zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors und damit auch für den Gebäudebestand.
■ Allerdings existieren zahlreiche Vorbehalte gegen den Einsatz von Wärmepumpen in noch nicht energetisch vollsanierten Gebäuden.
■ Eine genauere Analyse auf wissenschaftlicher Basis und auch Felduntersuchungen zeigen jedoch, dass gewichtige Vorbehalte falsch, überholt oder überbewertet sind.
■ Wärmepumpen haben eindeutige ökologische Vorteile gegenüber fossil betriebenen Heizsystemen. Bei der ökonomischen Betrachtung der Betriebskosten wird deutlich, dass die Senkung der Strompreise eine Schlüsselstrategie zur Erhöhung der Attraktivität von Wärmepumpen ist.
Um die Folgen des Klimawandels abzumildern, ist eine drastische Absenkung der CO2-Emissionen unabdingbar. Im Rahmen des „European Green Deal“ wurden vor Kurzem die europäischen Reduktionsziele von 40 auf 55 % bis 2030 verschärft (Minderung der Treibhausgasemissionen gegenüber 1990).
Aktuellen Studien zufolge ist bezogen auf das gleiche Referenzjahr auch in Deutschland eine Verringerung der Treibhausgasemissionen um 65 % bis 2030 erforderlich, um das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 oder sogar bis 2045 erreichen zu können. Einen entsprechenden Vorstoß hat die Bundesregierung mit ihrem Entwurf für eine Novelle des Bundes-Klimaschutzgesetzes vorgelegt (Nachtrag: Der KSG-Novelle haben Bundestag und Bundesrat Ende Juni 2021 zugestimmt).
Die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung von Gebäuden ist ein zentraler Hebel, um diese Reduktionsziele zu erreichen. Dafür ist auch im Bestand neben der Verbesserung der Sanierung der Gebäudehüllen – und damit der Absenkung des Wärmebedarfs – die möglichst zügige Umstellung der Wärmeversorgung auf Technologien notwendig, die möglichst geringe CO2-Emissionen verursachen und perspektivisch klimaneutral sind.
CO2-Einsparung durch Wärmepumpen im Vergleich zu einer Gas-Heizung
Wärmepumpen sind technologisch ausgereift und können schon heute in großer Breite Heizungssysteme ersetzen, die auf fossilen Brennstoffen (wie Erdgas oder Heizöl) basieren. Aus diesem Grund gelten Wärmepumpen als ein zentraler Baustein für ein zukünftiges klimaneutrales Energiesystem.
Die CO2-Einsparung durch den Einsatz elektrisch betriebener Wärmepumpen hängt von zwei Faktoren ab: Der CO2-Intensität des verwendeten Stroms und der Effizienz der Wärmepumpe. Der erste Faktor gibt an, wie „sauber“ die elektrische Energie erzeugt wird, d. h. welche Menge Kohlendioxid bei der Bereitstellung einer Kilowattstunde Strom emittiert werden. Dieser Wert variiert zwar zwischen unterschiedlichen Regionen und im zeitlichen Verlauf. Es lassen sich aber aussagekräftige Mittelwerte angeben.
Laut Umweltbundesamt sank durch den Zubau von Windenergie und Photovoltaik und den damit verbundenen Rückgang der Kohleverstromung der spezifische Emissionsfaktor für den deutschen Strommix in den Jahren 1990 bis 2019 von 764 gCO2/kWh auf 401 gCO2/kWh, für 2019 basierend auf vorläufigen und geschätzten Daten. Im Jahr 2020 hat der erneuerbare Anteil bei der Stromerzeugung erstmals die 50 %-Marke überschritten. Der Trend zu sauberem Strom setzt sich also fort. Zum Vergleich: Der Mittelwert für die EU-28-Länder liegt bereits unter 300 gCO2/kWh.
Strommix Deutschland 2019 und 2030
Bild 2 zeigt die CO2-Emissionsminderungen von Wärmepumpen in Abhängigkeit von ihrer Effizienz verglichen mit den Emissionen eines Gas-Heizkessels (mit 100 % fossilem Erdgas) unterstützt von einer thermischen Solaranlage für die Trinkwassererwärmung. 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“ eine CO2-Minderung ab einer Effizienz von 1,7. Im Vergleich dazu liegen die Effizienz-Mittelwerte der Luft- bzw. Erdreichwärmepumpen aus dem Feldversuch im Gebäudebestand mit 3,1 bzw. 4,1 deutlich darüber [7]. Die CO2-Einsparungen liegen bei über 44 % bzw. 58 %. Wärmepumpen sparen demnach schon heute etwa die Hälfte der CO2-Emissionen gegenüber einer Gas-Heizung ein.
Fraunhofer ISE
Selbst die Luft/Wasser-Wärmepumpen mit dem schlechtesten Jahresergebnis von 2,5 [7] erreichten 2019 immer noch eine CO2-Einsparung von 33 %. Eine aktuelle Auswertung von Luft/Wasser-Wärmepumpen für die zwei kalten Februarwochen 2021 hat eine mittlere Effizienz der 17 Anlagen von 2,3 ergeben. Das bedeutet selbst bei isolierter Betrachtung kalter Winterwochen noch eine CO2-Einsparung von 27 %.
Im zweiten Beispiel „Deutschland 2030“ wurden die Emissionsfaktoren der Stromerzeugung anhand der aktuellen Studie „Klimaneutrales Deutschland 2050“ fortschrieben. Nach Auskunft der Autoren von Prognos liegen die Emissionen der Stromerzeugung danach im Jahr 2030 bei 143 gCO2/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 mit der Effizienz von 1,0 bereits 40 % CO2-Ersparnis gegenüber der oben beschriebenen Gas-Heizung mit thermischer Solaranlage für die Trinkwassererwärmung.
Anmerkung: Bezogen auf die im Bundes-Klimaschutzgesetz verankerten Ziele für den Gebäudesektor beträgt die Einsparung einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe sogar stets 100 %, weil die Treibhausgasemissionen der Stromerzeugung im Sektor Energiewirtschaft bilanziert werden. Für eine reale Bewertung ist aber eine gemeinsame Betrachtung beider Sektoren erforderlich. Dies geschieht hier auch für die Vorketten der Erdgasbereitstellung. Nach Bundes-Klimaschutzgesetz wären nur die bei der Verbrennung von Erdgas entstehenden CO2-Emissionen zu betrachten.
Bedeutung der Effizienz aus der ökologischen Perspektive
Bild 2 verdeutlicht noch einen Aspekt: Je effizienter die Wärmepumpe oder je geringer der Emissionsfaktor der Stromerzeugung, desto weniger steigen die CO2-Ersparnisse bei gleichzeitig wachsender Effizienz. In Zahlen ausgedrückt – eine Effizienzsteigerung der Wärmepumpe von 2,5 auf 3,5 im Jahr 2019 bedeutet knapp 20 % weniger CO2-Ausstoß.
Eine Steigerung ebenfalls um 1,0 (von 3,5 auf 4,5) im gleichen Jahr reduziert diesen lediglich um ca. 10 %. Da die CO2-Einsparungen im Jahr 2030 ohnehin auf einem sehr hohen Niveau liegen, führt eine Effizienzsteigerung der Wärmepumpe um 2,0 (von 2,5 auf 4,5) lediglich zu ca. 10 % Treibhausgasreduktion gegenüber 30 % Einsparung im Jahr 2019.
Allerdings sinken mit zunehmender Effizienz der Wärmepumpe der Stromverbrauch und die aufgenommene Leistung, was mit Blick auf die Kosten für den Verbraucher und die begrenzten Potenziale für die Erzeugung erneuerbaren Stroms in Deutschland ebenfalls ein wichtiges Ziel ist.
Anders ausgedrückt wird die Effizienz der Wärmepumpe in Zukunft aus rein ökologischer Betrachtung weniger wichtig werden. Das bedeutet allerdings nicht, dass die Effizienz für die ökonomische Bewertung von Wärmepumpen nicht wichtig bleibt.
Ist das Heizen mit Wärmepumpen nicht zu teuer?
Unabhängig davon, wie ökologisch sinnvoll eine Technologie ist, wird sie sich nur durchsetzen, wenn sie auch ökonomische Vorteile für ihre Nutzer hat: Die Technik muss sich für den Verbraucher rechnen. Eine umfassende wirtschaftliche Bewertung von Wärmepumpen ist relativ komplex und hängt von sehr vielen Faktoren ab. Die Geräte sind in der Anschaffung derzeit noch teurer als beispielsweise Gas-Heizkessel, auch wenn die Differenz je nach Modell und Qualität schwankt.
Angesichts der weiter steigenden Produktionszahlen ist allerdings davon auszugehen, dass die Gerätepreise deutlich fallen werden. Zurzeit werden die Mehrkosten für die Geräte größtenteils (oder sogar vollständig) durch unterschiedliche Formen der Förderung aufgefangen. Für den Endnutzer ist die Betrachtung der Betriebskosten wichtiger. Die folgende Betrachtung wird sich daher auf diesen Aspekt konzentrieren.
Ungleiche Ausgangslage bei Heizkosten
Bei elektrisch betriebenen Wärmepumpen ist der Strompreis entscheidend für die Betriebskosten. Wie unterschiedlich dieser in seiner Zusammensetzung (Anteil der Steuern und Abgaben) und Höhe in unterschiedlichen Ländern sein kann, zeigt Bild 3.
Fraunhofer ISE
Laut „Eurostat“, der Statistikbehörde der Europäischen Union, sind die Strompreise für Haushaltskunden unter allen untersuchten Ländern derzeit in Deutschland am höchsten. Sie sind in den letzten zehn Jahren um 20 % gestiegen. Dabei ist insbesondere der Anteil von Steuern und Abgaben am Strompreis in Deutschland hoch. Hintergrund ist, dass in Deutschland die Energiewendekosten (bisher) vor allem auf den Strompreis umgelegt werden und kaum auf die Preise von Heizöl und Erdgas.
Der europäische Strompreis-Mittelwert liegt bei 21 Ct/kWh und damit sehr nah an den Preisen in Österreich. Eine bemerkenswerte Entwicklung ist in den Niederlanden zu beobachten. Die privaten Haushalte bezahlen dort weniger als halb so viel wie in Deutschland. Die Steuern und Abgaben auf den Strompreis wurden hier konsequent gesenkt. So sind die Preise in den letzten zehn Jahren um gut 20 % gesunken.
Vergleich der Betriebskosten
Neben den Strompreisen sind noch andere Faktoren für die Abschätzung der Betriebskosten von Wärmepumpen wichtig. Offensichtlich sind der energetische Standard des Gebäudes sowie die Größe der beheizten Fläche maßgeblich für den Energiebedarf und damit für die Betriebskosten. Darüber hinaus ist die Effizienz der Wärmepumpen zentral. Im Vergleich mit anderen Heizsystemen stehen die Energiekosten des alternativen Energieträgers im Mittelpunkt.
In Deutschland werden Heizöl und Erdgas derzeit steuerlich geringer belastet als Strom. Im Ergebnis ist der Preis für den Strom zum Betrieb der Wärmepumpe knapp viermal so hoch wie der Preis von Heizöl und Erdgas. Mit der seit Januar 2021 geltenden CO2-Bepreisung, die zu einer schrittweisen Steigerung der Bezugskosten für Gas bzw. Heizöl führt, wird sich dies jedoch ändern. Zudem ist aufgrund politischer Willenserklärungen vieler Akteure davon auszugehen, dass die EEG-Umlage in den nächsten Jahren deutlich gesenkt wird. Damit werden Wärmepumpenanlagen wirtschaftlich immer attraktiver – auch nach der Installation.
Bild 4 zeigt die monatlichen Kosten von Häusern mit unterschiedlichem Energiestandard (nicht saniert, teilsaniert und saniert) mit einer Wärmepumpe sowie einem Gas-Heizkessel. Bei der Wärmepumpe wurde sowohl der heutige mittlere Wärmepumpentarif von 24 Ct/kWh als auch der Preis von 20 Ct/kWh – der eine deutliche Senkung der EEG-Umlage berücksichtigt – betrachtet.
Die monatlichen Kosten sind in Abhängigkeit von der Effizienz der Wärmepumpe dargestellt. Beim Gaspreis wurde die gesetzlich eingeführte CO2-Bepreisung laut Brennstoffemissionshandelsgesetz (BEHG) für die Jahre 2021 und 2025 sowie eine Abschätzung für spätere Jahre berücksichtigt. Die Effizienz des Gas-Heizkessels wurde für die Berechnung mit 90 % angenommen.
Bei den Betriebskosten ist der Einfluss der Effizienz besonders deutlich sichtbar. So liegen zum Beispiel die monatlichen Kosten einer Wärmepumpe mit einer Effizienz von 3,0 (z. B. für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe) derzeit mehr als 40 Euro höher als bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Effizienz von 4,0 – in beiden Fällen für ein unsaniertes Haus. Beim teilsanierten Haus beträgt die Differenz gut 30 Euro. Für das sanierte Haus sind es dagegen nur knapp 20 Euro (Bild 4).
Fraunhofer ISE
Effizienz beeinflusst die Betriebskosten
Unter Berücksichtigung der aktuellen Preise in Deutschland muss eine Wärmepumpe mindestens eine Effizienz von 3,5 erreichen, um in etwa die gleichen Energiekosten wie ein Gas-Heizkessel aufzuweisen. Da sich die Gaspreise in den nächsten vier Jahren aufgrund der steigenden CO2-Kosten um 1 Ct/kWh auf 7,5 Ct/kWh im Jahr 2025 erhöhen dürften, wird bereits eine Wärmepumpe mit der Effizienz von 3,0 im Betrieb wirtschaftlich vergleichbar mit einem Gas-Heizkessel sein.
Wenn die Gaskosten weiter steigen oder die Stromkosten fallen, zum Beispiel aufgrund einer Senkung der EEG-Umlage, erreicht die Wärmepumpe deutliche Kostenvorteile. In unserem Beispiel wird dann eine Wärmepumpe mit einer Effizienz von 2,5 wirtschaftlicher sein als eine Gas-Heizung.
Eine vereinfachte Darstellung der Ergebnisse zeigt (Bild 5). Beispielhaft wurde für den Vergleich nur das teilsanierte Haus in Betracht gezogen. Die monatlichen Kosten wurden jeweils für eine Wärmepumpe und eine Gas-Heizung berechnet. Im oberen Beispiel wurde eine Effizienz der Wärmepumpe von 3,0 und im unteren eine Effizienz von 3,5 betrachtet. Die Balken mit der grünen Farbe zeigen jeweils die günstigste Lösung. Eine Wärmepumpe mit der Effizienz von 3,5 erreicht bereits mit heutigen Preisen ökonomische Vorteile gegenüber einer Gas-Heizung.
Fraunhofer ISE
Wie eingangs dargestellt, bringen Wärmepumpen eindeutige ökologische Vorteile gegenüber fossil betriebenen Heizsystemen. Bei der ökonomischen Betrachtung der Betriebskosten wird deutlich, dass die Senkung der Strompreise in Deutschland eine Schlüsselstrategie zur Erhöhung der Attraktivität von Wärmepumpen im Vergleich zu fossilen Heizungssystemen ist.
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier Wärmepumpe
Fortsetzung folgt
Im Teil 1 der Serie ging es um das vermeintliche Hauptausschlusskriterium „hohe Vorlauftemperaturen“ sowie die Ausgangslage im zu sanierenden Gebäude [6]. In Teil 2 wurde über Monitoring-Ergebnisse und den tatsächlichen Heizstabeinsatz in der Praxis berichtet. Im folgenden Teil 4 geht es darum, ob man angesichts der technologischen Entwicklung nicht lieber noch etwas mit dem Einbau einer Wärmepumpe warten soll … und um Hybridanlagen. Teil 5 stellt dann Einsatzbeispiele in Ein- und Mehrfamilienhäusern vor.
Grundlage der Serie ist eine von der Stiftung Klimaneutralität beauftragte und von Marek Miara verfasste Blogreihe. Das Ziel ist es dabei, Vorurteilen gegenüber dem Einsatz von Wärmepumpen im Bestand zu begegnen und eine Grundlage für die notwendigen Weichenstellungen für einen klimaneutralen Gebäudebestand zu schaffen.
Die Stiftung Klimaneutralität wurde gegründet, um in enger Kooperation mit anderen Denkfabriken sektorübergreifende Strategien für ein klimagerechtes Deutschland zu entwickeln. Auf der Basis von guter Forschung will die Stiftung informieren und beraten – jenseits von Einzelinteressen. www.stiftung-klima.de
Studien und Projektberichte
[1] Prognos, Öko-Institut, Wuppertal Institut: Klimaneutrales Deutschland. Studie im Auftrag von Agora Energiewende, Agora Verkehrswende und Stiftung Klimaneutralität, 2020. Download: www.bit.ly/tga1381
[2] Fraunhofer ISE: Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem. Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher Verhaltensweisen; 2020. Download: www.bit.ly/tga1382
[3] Ausfelder et al. (Hrsg.): Sektorkopplung – Untersuchungen und Überlegungen zur Entwicklung eines integrierten Energiesystems (Schriftenreihe Energiesysteme der Zukunft): München, 2017. Download: www.bit.ly/tga1383
[4] Günther et al., Fraunhofer ISE: Wärmepumpen in Bestandsgebäuden: Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“; 2020. Download: www.bit.ly/tga1384
[5] Prinzing et al., OST – Ostschweizer Fachhochschule: Bericht „Feldmessungen von Wärmepumpen-Anlagen Heizsaison 2019/20“: 2020. Download: www.bit.ly/tga1385
[6] Miara, Marek: Wärmepumpen im Bestand, Teil 1: Auch unsaniert passt die Vorlauftemperatur. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 05-2021, Webcode 950038
[7] Miara, Marek: Wärmepumpen im Bestand, Teil 2: Gute Effizienzwerte auch in der Praxis. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 06-2021, Webcode 950042
Marek Miara
