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 vierten Folge geht es um zukünftige technologische Weiterentwicklungen der Wärmepumpen sowie um Hybridanlagen.
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 schon heute einen großen ökologischen Vorteil gegenüber einer Gas-(Hybrid-)Heizung, auch bei einer Vorlauftemperatur von 55 °C. Mit der absehbaren Preisentwicklung bei Erdgas und der politisch angekündigten Entwicklung bei den Strompreisen schwindet der wirtschaftliche Vorteil von Hybridanlagen.
Ob es sich lohnt, mit der Installation einer Wärmepumpe noch weiter zu warten, hängt von zwei Überlegungen ab: Ist die Technologie auf heutigem Stand reif für den zufriedenstellenden Einsatz im Gebäudebestand? Und: Welche Vorteile sind eventuell von einer Weiterentwicklung der Technologie zu erwarten?
Die Ergebnisse der Langzeit-Monitoringprojekte des Fraunhofer ISE (siehe Teil 2 [7] in TGA 06-2021) basieren auf dem technologischen Stand von vor fünf bis zehn Jahren. Schon damals waren die meisten Luft/Wasser-Wärmepumpen mit elektronischen Expansionsventilen ausgestattet, die eine bedeutsame Effizienzsteigerung mit sich brachten. Einige der untersuchten Anlagen arbeiteten bereits mit leistungsgeregelten Verdichtern – heute ist das Standard. Diese zwei Beispiele zeigen, wie stark sich die Technologie in letzten Jahren bereits weiterentwickelt hat.
Ähnlich wie bei anderen ausgereiften technischen Geräten ist heute eine breite Produktpalette auf dem Markt, die sich über den Preis und die (oft damit verbundene) Effizienz unterscheiden. Eine Analyse der „BAFA-Liste“, die alle für die Bundesförderung zugelassenen Geräte in Deutschland beinhaltet, zeigt eine enorme Bandbreite von Effizienzwerten beim gleichen Betriebspunkt der Wärmepumpen. So liegen zum Beispiel für die Außentemperatur 2 °C und Wärmesenkentemperatur 35 °C die Effizienzwerte (COP-Werte) von Luft/Wasser-Wärmepumpen zwischen 3,1 und 4,7!
Diese beträchtliche Spannbreite verdeutlicht, wie groß schon heute die Unterschiede zwischen den angebotenen Produkten sind. Sie zeigt aber auch, wie hoch die heute bereits erreichbare technische Effizienz ist. Der nächste Schritt der Entwicklung sollte deshalb sein, die gute Effizienz kostengünstiger anbieten zu können. Dies wird mit höheren Stückzahlen als kontinuierliche Entwicklung auch erwartet.
Und schließlich: Der Europäische Wärmepumpenverband EHPA meldet knapp 15 Mio. installierte Wärmepumpen in 21 europäischen Ländern im Jahr 2020. Bei einer stark steigenden Tendenz kamen zuletzt pro Jahr ca. 1,6 Mio. dazu. Eine unausgereifte Technologie wäre nicht in der Lage, solche Verkaufszahlen zu erreichen.
Werden Wärmepumpen zukünftig noch besser für Bestandsgebäude geeignet sein?
Die ISH in Frankfurt ist ein gutes Barometer, um technische Trends im Markt zu erkennen. Die Mehrheit der Wärmepumpen-Hersteller präsentierte während der ISH digital 2021 (auch) Lösungen für Bestandsgebäude. Viele neue Produkte arbeiten mit klimafreundlichen Kältemitteln, zum Beispiel das natürliche Kältemittel Propan (R290), die „nebenbei“ auch höhere Temperaturen ermöglichen. Es ist also kein Problem, das passende Gerät auch für Häuser zu finden, die hohe Heizkreistemperaturen benötigen.
Vor 20 bis 30 Jahren ging es darum, zu beweisen, dass Wärmepumpen funktionieren. Vor etwa 10 Jahren haben viele noch die ausreichende Effizienz der Geräte infrage gestellt. Heute ist das bei richtig geplanten und installierten Anlagen kein Thema mehr. Es kommt immer weniger auf das Gerät als auf eine fachgerechte Installation an.
Fraunhofer ISE
Die heutigen Strukturen und Prozesse im Markt sind noch nicht darauf ausgerichtet, die eigentlich notwendige Menge an Wärmepumpen zu installieren – zumindest in Deutschland, aber auch in einigen anderen Ländern. Viele Kunden berichten davon, dass es schwierig ist, kurzfristig ein Angebot und einen Installationstermin zu bekommen. Je klarer die politischen Rahmenbedingungen hier gesetzt werden, desto stärker wird sich die Branche auf die neuen Herausforderungen einstellen.
Die technische Weiterentwicklung von Wärmepumpen ist derzeit auf unterschiedliche Ziele ausgerichtet, so wie auch die Bedürfnisse und Erwartungen der Endkunden unterschiedlich sind. Das spiegelt sich in den Arbeiten im Rahmen des internationalen Projekts „IEA HPT Annex 55 CCB“. Die vier möglichen Entwicklungsrichtungen sind schematisch in (Bild 2) dargestellt.
● Beim ersten Entwicklungsziel „so günstig wie möglich, so effizient wie nötig“ handelt es sich um eine Massenmarkt-taugliche Variante. Sie ist nicht durch die höchste Effizienz gekennzeichnet, dafür aber preislich attraktiv.
● Die zweite Richtung steht für eine maximal flexible Wärmepumpe. In der Weiterentwicklung wird dabei der Fokus auf die Kommunikationsfähigkeit des Geräts gelegt. Das kann der Austausch mit dem äußeren Energiesystem als auch die Kommunikation innerhalb des (smarten) Gebäudes umfassen.
● Eine weitere Variante zielt auf eine sehr kompakte Heizungstechnik ab. In vielen Fällen kann dies eine entscheidende Rolle bei der Kaufentscheidung spielen.
● Und dann gibt es noch die weniger spezifische „Luxus“-Variante. Wahrscheinlich werden bei dieser Lösung nicht der Preis oder die Kompaktheit, sondern die technische Raffinesse, die maximale Effizienz, aber auch das Design eine Rolle spielen.
Tatsächlich wird es deutlich mehr Varianten auf dem Markt geben, die jeweils eine Mischung aus den dargestellten vier Grundrichtungen sind.
Es wird also deutlich, dass es aus Kundensicht keinen Grund gibt, auf technologische Weiterentwicklungen zu warten und vorerst noch keine Wärmepumpe zu installieren: Es gibt schon heute viele verschiedene Produkte im Markt, die die jeweils spezifischen Anforderungen erfüllen.
Zukünftige Wärmepumpenmodelle werden wahrscheinlich zwar schneller und einfacher installiert werden können oder sogar in der Lage sein, sich im Betrieb selbst zu optimieren. Die Geräte werden aber nicht prinzipiell „viel besser geeignet“ sein, auch nicht für Bestandsgebäude. Und: Um die Klimaziele zu erreichen, haben wir einfach keine Zeit mehr zu verlieren.
Stiebel Eltron / Bundesverband Wärmepumpe (BWP)
Sind Hybrid-Heizsysteme in Bestandsgebäuden vorteilhaft?
Um die Sinnhaftigkeit von Hybrid-Heizsystemen zu bewerten, sind zunächst Begrifflichkeiten zu klären. Die einfachste Konfiguration eines Heizungssystems mit einer Wärmepumpe bezeichnet man als monovalent. Hierbei wird die gesamte Wärme ausschließlich über die Wärmepumpe bereitgestellt.
Obwohl viele Wärmepumpensysteme genau so arbeiten, sind die meisten mit einem zusätzlichen Heizstab ausgestattet. Weil der Heizstab und die Wärmepumpe den gleichen Energieträger (Strom) nutzen, werden solche Systeme als monoenergetisch bezeichnet.
Wenn neben der Wärmepumpe ein weiterer Wärmeerzeuger (zum Beispiel Gas- oder Öl-Heizkessel) Heizwärme liefert, ist von „bivalenten“ Systemen die Rede. Unter einer Wärmepumpen-Hybridanlage wird meist ein System verstanden, in dem zwei Energieerzeuger mit verschiedenen Energieträgern in einem Gerät zusammengefasst sind oder beide Geräte zumindest über eine gemeinsame Steuerungseinheit verfügen.
Auf dem Markt sind sowohl Anlagen verfügbar, die vor allem eine Wärmepumpe sind und zusätzlich mit einem kleinen Spitzenlast-Heizkessel ausgestattet sind, als auch Geräte, die aus einem Gas- oder Öl-Heizkessel mit hohem Anteil an der Gesamtleistung bestehen und zusätzlich eine kleine Wärmepumpe haben.
Warum könnte man eine Hybridanlage in Betracht ziehen?
Ein möglicher Grund könnte ein sehr hoher Heizenergiebedarf des Hauses und die daraus resultierenden Leistungsanforderungen an die Wärmepumpe sein. Sollte die Wärmepumpe nicht in der Lage sein, die notwendige Wärme in jedem Fall zu liefern, muss sie durch einen zusätzlichen Wärmeerzeuger unterstützt werden.
Bei Ein- und Zweifamilienhäusern ist dieser Fall sehr unwahrscheinlich. Die Ergebnisse aus den Monitoringprojekten in Bestandsgebäuden zeigen, dass die Wärmepumpen auch in sehr kalten Perioden in der Lage sind, die notwendige Wärme zu liefern – entweder allein oder mit geringfügiger Unterstützung durch den Heizstab (siehe Teil 1 [6] in TGA 05-2021). Eine zu geringe Leistung kann jedoch bei Mehrfamilienhäusern ein Problem sein. Häufig ist der Grund dafür eine limitierte Wärmequelle.
Ökologische Überlegungen können ein zweiter Grund für Hybridanlagen sein. Mit fallenden Außentemperaturen sinkt auch die Effizienz der Wärmepumpe. Unterhalb eines bestimmten Effizienzniveaus und bei einem eher durch fossile Energien geprägten Strommix könnte es ökologischer sein, mit dem Gas-Heizkessel statt mit einer Wärmepumpe zu heizen. Dieses Thema wurde detailliert in Teil 3 [8] in TGA 07-2021 beschrieben.
Anmerkung: Für eine umfassende ökologische Bewertung ist allerdings eine Betrachtung erforderlich, die über die Betriebsphasen des fossil befeuerten Wärmeerzeugers hinausgeht. Wichtig ist auch, die zusätzlichen ganzjährigen oder -saisonalen Energieverluste durch die Erweiterung zum Hybridanlagen-Konzept zu bewerten.
Und schließlich könnte es noch einen ökonomischen Grund geben: Die außentemperaturabhängige Effizienz der Wärmepumpe ist ausschlaggebend für die momentanen Betriebskosten der Anlage. Unterhalb einer bestimmten Außentemperatur könnte die Effizienz der Wärmepumpe so niedrig sein, dass sich der vorübergehende Einsatz eines Gas-Heizkessels lohnt (auch hier können die zusätzlichen Energieverluste eine relevante Größe erreichen).
Beide Aspekte, Ökologie und Betriebskosten, sind neben der Effizienz der Wärmepumpe abhängig von weiteren Randbedingungen. Im Fall der Ökologie, also einem Betrieb mit möglichst geringen CO2-Emissionen, sind es die Emissionsfaktoren (Strommix). Und bei den Betriebskosten spielen offensichtlich die Stromkosten bzw. Gaskosten eine wesentliche Rolle.
Bild 4 zeigt, ab welcher Außentemperatur eine Wärmepumpe bzw. ein Gas-Heizkessel aus der ökologischen und ökonomischen Perspektive vorteilhaft wäre. Der Vergleich wurde für die Parameter von heute als auch für die Zeit nach dem Jahr 2025 in Deutschland durchgeführt.
Die Grundlage für die Berechnung bildet eine Verteilung der Heizenergiemengen auf die einzelne Temperaturgrade und eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Effizienz von 3,7 im Betriebspunkt A2/W35. Diese Effizienzannahme ist eher konservativ. Auf dem Markt gibt es Produkte, die unter diesen Bedingungen Effizienzwerte zwischen 3,1 und 4,7 aufweisen. Die Heizkreistemperaturen wurden für Heizkörper berechnet.
Fraunhofer ISE
Neben den „Grenztemperaturen“, unterhalb derer es vorteilhaft ist, mit einem Gas-Heizkessel zu heizen, ist in der Grafik auch der Anteil der Heizwärme, den die Wärmepumpe insgesamt decken kann, dargestellt. So ist beispielsweise bei den Werten aus 2019 die Grenztemperatur aus ökologischer Sicht erst bei − 20 °C erreicht.
Damit übernimmt die Wärmepumpe praktisch die gesamte Wärmebereitstellung. Noch vorteilhafter ist die Situation für eine Wärmepumpe, wenn die Strom-Emissionsfaktoren weiter sinken. Im ökologischen Vergleich mit dem Gas-Heizkessel spielt das allerdings keine Rolle mehr.
Wirtschaftliche Perspektive auf Hybridanlagen
Aus wirtschaftlicher Perspektive ergibt sich ein anderes Bild, zumindest angesichts der heutigen Strom- und Gaspreise in Deutschland (siehe Teil 3 [8] in TGA 07-2021). Unterhalb einer Außentemperatur von 2 °C ist es heute rein ökonomisch noch vorteilhaft, mit dem Gas-Heizkessel zu heizen. Dann übernimmt er 45 % und die Wärmepumpe 55 % der Wärmebereitstellung.
Wenn man allerdings die sich abzeichnende Kostenentwicklung ab dem Jahr 2025 betrachtet, verändert sich die Lage. Aufgrund der angenommenen Kosten in Höhe von 100 Euro/tCO2 wird der Gaspreis dann von 6,5 auf 8,5 Ct/kWh gestiegen sein. Die Stromkosten könnten durch eine Senkung der EEG-Umlage von 24 Ct/kWh (Mittelwert Wärmepumpentarif 2020) auf etwa 20 Ct/kWh fallen.
Dann läge die Grenztemperatur bei − 11 °C und die Wärmepumpe könnte 99 % der Wärmebereitstellung übernehmen. Selbst wenn die Stromkosten nicht sinken sollten, würde allein die gesetzlich vorgesehene Erhöhung der Gaspreise zu einer Grenztemperatur von − 5 °C und einem vorteilhaften Wärmepumpenanteil von 93 % führen.
Die dargestellten Vergleiche machen deutlich, dass Hybridanlagen aus ökologischen Gründen bereits jetzt im Vergleich zu einem reinen Wärmepumpenbetrieb nicht sinnvoll sind. Die Betriebskostenbetrachtung weist bei den heutigen Preisen zwar noch einen gewissen Vorteil beim Gas-Heizkessel aus, aber dies wird sich zugunsten eines reinen Wärmepumpenbetriebs schnell ändern.
Eine interessante sowie ökonomische als auch ökologische vorteilhafte Anwendung von hybriden Wärmepumpensystemen in Bestandsgebäuden kommt in den Niederlanden zum Einsatz. Dort werden unter spezifischen Randbedingungen kleine Wärmepumpen als Add-on-Gerät zum bestehenden Gas-Heizkessel installiert.
Diese sehr kompakten und günstigen Geräte nutzen die Abluft aus den Innenräumen als Wärmequelle, denn in den Niederlanden sind die meisten Wohnhäuser mit mechanischen Abluft-Lüftungssystemen ausgestattet. Die Add-on-Geräte lassen sich dann schnell und wenig invasiv installieren. Verstärkt durch die in den Niederlanden günstigen Strompreise, können die Bewohner mit einer geringen Investition ihre Betriebskosten spürbar senken.
Bei der Investition ist allerdings abzuwägen, ob nicht angesichts steigender CO2-Kosten gleich der Wechsel hin zu einer monovalenten Wärmepumpe die sinnvollere Option ist.
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. In Teil 3 wird eine ökologische und ökonomische Bewertung der Wärmepumpen in Bestandsgebäuden vorgenommen. 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
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier Wärmepumpe
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
[7] Miara, Marek: Wärmepumpen im Bestand, Teil 2: Gute Effizienzwerte auch in der Praxis. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 06-2021
[8] Miara, Marek: Wärmepumpen im Bestand, Teil 3: Wirtschaftliche CO2-Vermeider. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 07-2021
Marek Miara
