Problemkind oder Hoffnungsträger? - Wärmepumpen können in der Kältemittel-, Umwelt- und Kostenbilanz mal positive, mal negative Ergebnisse aufweisen

Dänemark ist auf diesem Weg Vorreiter und verbietet schrittweise Öl- und Gasheizungen, die bis 2016 gar nicht mehr eingebaut werden dürfen. Dadurch boomt dort die Wärmepumpe. Obwohl in Deutschland trotz aller Klimaschutzbekenntnisse die Kohlendioxidemissionen wieder ansteigen, fehlt der deutschen Politik der Mut für derart konsequente Schritte. Doch langsam gewinnt die Wärmepumpe auch in Deutschland Marktanteile hinzu, obwohl Kritiker der Wärmepumpe immer noch skeptisch gegenüberstehen.
In den 1970er-Jahren, nach den ersten Ölkrisen, erlebte die Wärmepumpe schon einmal einen Boom. Doch technische Probleme, zurückgehende Ölpreise und mangelnde Umweltverträglichkeit führten bis Ende der 1980er-Jahre zu einem Zusammenbruch des Markts. Die Umweltbilanz der ersten Wärmepumpen war durch schlechte Leistungszahlen und den Einsatz von Ozonschicht zerstörenden FCKW als Kältemittel schlechter als die von konventionellen Öl- oder Gasheizungen. Erst Mitte der 1990er-Jahre kam der Wärmepumpenmarkt in Deutschland wieder in Schwung und verzeichnet inzwischen konstant hohe Installationszahlen (Bild 1). Heute sind Wärmepumpen technisch viel weiter und gelten inzwischen als Hoffnungsträger für den Klimaschutz.

Der umgedrehte Kühlschrank

Bei der Wärmepumpe unterscheidet man zwischen dem Kompressions-, Absorptions- und Adsorptionsprinzip. Mit Abstand am weitesten verbreitet ist die Kompressionswärmepumpe (Bild 2). Ein Ver­dampfer verdampft durch Zuführen von Niedertemperaturwärme ein Kältemittel. Um Wärmequellen mit sehr niedrigen Temperaturniveaus nutzen zu können, sind Kältemittel mit Verdampfungstemperaturen im negativen Celsiusbereich nötig.
Ein elektrisch angetriebener Ver­dichter bringt das dampfförmige Kälte­mittel auf einen hohen Betriebsdruck. Hierdurch erwärmt es sich stark. Die Wärme auf dem hohen Temperatur­niveau lässt sich nun als Nutzwärme, beispielsweise zur Raumheizung oder Trinkwassererwärmung abführen. Dies geschieht in einem Kondensator, der durch die Wärmeabfuhr das Kälte­mittel wieder verflüssigt. Über ein Expansionsventil entspannt sich das unter Druck stehende Kältemittel wieder, kühlt ab und gelangt erneut zum Verdampfer.
Als Niedertemperatur-Wärmequelle für den Einsatz in Wohngebäuden kann Umgebungsluft, das Erdreich oder Grundwasser dienen. Die Heizwärme wird an Wasser abgegeben. Abhängig von der Wärmequelle werden die Wärmepumpen in Luft/Wasser-, Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Systeme eingeteilt. Je höher die Temperatur der Wärmequelle und je niedriger die benötigte Temperatur der Heizwärme ist, desto weniger elektrische Energie wird zum Antrieb einer Wärmepumpe benötigt.
Das Verhältnis von der abgegebenen Heizwärme zur aufgewendeten elektrischen Antriebsenergie wird als Leistungszahl bezeichnet. Die jahresmittlere Leis­tungszahl heißt auch Jahresarbeitszahl. Sehr gute Systeme erreichen Jahresarbeitszahlen von über 4. Das heißt, aus 1kWh elektrischer Energie können 4 kWh an Heizwärme erzeugt werden.
Das Fraunhofer Institut für Solare Ener­giesysteme hat in einem umfangreichen Feldtest Jahresarbeitszahlen bei bestehenden Anlagen ermittelt. Wärmepumpen, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen, kamen dabei im Durchschnitt auf Jahresarbeitszahlen von rund 4. Luft/Wasser-Wärmepumpen schnitten mit knapp 3 schlechter ab, da die Außenluft im Winter deutlich kühler als das Erdreich ist und damit weniger Wärme liefert.
Firmenprospekte enthalten oft deutlich bessere Jahresarbeitszahlen, die ähnlich wie bei der Angabe des Spritverbrauchs bei Autos nur im absolut idealen Betriebsfall erreichbar sind. Schlecht ausgeführte Luft-Wärmepumpen in Kombination mit Radiatorheizkörpern können sogar nur bei Jahresarbeitszahlen von unter 2 liegen. In diesem Fall ist der ökonomische und ökologische Einsatz der Wärmepumpe generell fragwürdig.

Klimaproblem Kältemittel

Die Palette an Kältemitteln für Kompressionswärmepumpen ist breit (Tabelle 1). In der ersten Boomphase der Wärmepumpen wurden oftmals Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) eingesetzt. Wegen ihres negativen Einflusses auf die Ozonschicht sind diese jedoch seit 1995 in Neuanlagen verboten.
Heute werden meist Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) eingesetzt, die oft auch als FCKW-Ersatzstoffe bezeichnet werden. Diese sind zwar für die Ozonschicht harmlos, haben aber eine weitere für die Umwelt negative Eigenschaft mit den FCKW gemeinsam: Beide Stoffe weisen ein extrem hohes Treibhauspotenzial auf. Dadurch entwickeln sich auch die kleinen Kältemittelmengen zwischen 1 und 3 kg bei Einfamilienhausanlagen als Problem.
Gelangen 2 kg des FKW R404A in die Atmosphäre, entwickeln diese dort den gleichen Einfluss auf das Klima wie 6,5t Kohlendioxid. Diese Menge Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung von 3250 m3 Erdgas. Damit kann man ein Standard-Neubauhaus gut 3 Jahre, ein hoch effizientes Haus sogar rund 9 Jahre komplett beheizen. Der Strombedarf der Wärmepumpe ist in dieser Bilanz noch nicht einmal berücksichtigt.
Kommt es bei einer Wärmepumpenanlage zu einer Leckage, entweichen die Kältemittel schnell, da sie bei normalen Umweltbedingungen verdampfen. Für FKW spricht, dass diese Stoffe ungiftig und nicht brennbar sind. In puncto Umweltverträglichkeit erweist sich aber die schnelle Flüchtigkeit von Kältemitteln als Problem. Zwar muss es nicht bei jeder Wärmepumpenanlage zum Gau kommen, bei dem durch eine Leckage das gesamte Kältemittel in die Atmosphäre entweicht. Beim Befüllen und Entsorgen der Anlage sowie durch kontinuierliche Verluste beim regulären Betrieb sind aber Kältemittelverluste unvermeidbar.
FKW-freie und damit für das Klima unschädliche Kältemittel werden von gängigen Wärmepumpenanbietern jedoch nur selten eingesetzt. Dabei zeigen Wärmepumpen mit R290 bzw. Propan als Kältemittel keine schlechteren Leistungsdaten als bei Verwendung von FKW-haltigen Kältemitteln. Wegen der Brennbarkeit der Kältemittel R290, R600a und R1270 müssen jedoch besondere sicherheitstechnische Maßnahmen getroffen werden, die in der Praxis weitgehend problemlos umsetzbar sind. Da der Druck der Kunden zur Verwendung FKW-freier Kältemittel bei Kühl- und Gefriergeräten in der Vergangenheit offensichtlich größer als bei Wärmepumpen war, gehören die klimaunschädlichen Kältemittel trotz der Brennbarkeit dort bereits seit Jahren zum Standardsortiment.

Ohne grünen Strom kaum Umweltnutzen

Bei den Anbietern von Heizungssystemen wird die Wärmepumpe oftmals in der Kategorie „Erneuerbare Energien“ aufgelistet. Dies ist aber nur bedingt korrekt. Einen Großteil der Nutzenergie der Wärmepumpe stammt zwar in Form von regenerativer Niedrigtemperaturwärme aus der Umgebung. Der Strom kommt aber fast immer aus der Steckdose. Dieser wird von den normalen Energieversorgern geliefert, die nicht selten wegen der großen Stromabnahmemengen der Wärmepumpenanlagen Sonderkonditionen einräumen. In Deutschland stammt dann oft der Strom größtenteils aus Kohle- oder Atomkraftwerken. In Norwegen erzeugen hingegen Wasserkraftwerke nahezu den gesamten Strom des Landes. Hier ist eine Wärmepumpe tatsächlich ein komplett regeneratives System.
In Deutschland besteht die Möglichkeit, auf grüne Stromanbieter zu wechseln. Auch dann ist das Wärmepumpensystem vollständig regenerativ. Wird statt grünen Stroms herkömmlicher Strom für den Betrieb von Wärmepumpen verwendet, sind die CO2-Einsparungen aufgrund der schlechten Wirkungsgrade fossiler thermischer Kraftwerke im Vergleich zu modernen Erdgasheizungen nur noch relativ gering (Bild 3). Kommen noch Umweltbelastungen durch FKW-Kältemittel hinzu, kann die Umweltbilanz sogar schlechter als bei einer herkömmlichen Heizungsanlage ausfallen.

Hohe Investitionskosten, niedrigere Betriebskosten

Vor allem die stark steigenden Öl- und Gaspreise sorgen für einen stetigen Zulauf an Wärmepumpenkunden. Allerdings sind die Investitionskosten für Wärmepumpen in der Regel höher als bei der fossilen Konkurrenz. Für eine typische Wärmepumpenanlage für Einfamilien­häuser betragen die Investitionskosten 8000 bis 12000 Euro. Hinzu kom­men die Kosten für die Erschließung der Wärmequelle, die für Erdkollektoren oder Erd­sonden in der Größen­ordnung von 3000 bis 6000 Euro liegen.
Der Vorteil der Wärmepumpe liegt in den niedrigeren Betriebskosten. Im Vergleich zur konventionellen Gasheizung entfallen die Aufwendungen für Gaszähler, Wartung und Schornsteinfeger. Auch sind die Brennstoffpreise, also die Aufwendungen für Strom zum Betrieb einer Wärmepumpe, meist geringer als die Kosten für Erdöl oder Erdgas. Wie hoch die Vorteile der Wärmepumpe bei den Brennstoffpreisen sind, hängt unter anderem von der Jahresarbeitszahl und dem Stromtarif ab. Beim Bezug von Strom zu einem regu­lä­ren Tarif und einer mäßigen Jahresarbeitszahl von 3 können die Brennstoffkosten der Wär­me­pumpe sogar über denen für Erdgas und Erdöl liegen. Bei einer guten Jahresarbeitszahl von 4 bietet die Wärmepumpe auch bei Standardstromtarifen seit dem Jahr 2005 Vorteile bei den Brennstoffkosten (Bild 4).

Kopplung mit Photovoltaik bringt Kostenvorteile

Bei gut gedämmten Häusern mit niedrigem Heizwärmebedarf sind nur selten Sondertarife erhältlich. Wer für den Betrieb seiner Wärme­pumpe klimaverträglichen grünen Strom beziehen möchte, kommt auch bei höherem Verbrauch meist nicht in den Genuss von Sondertarifen.
Inzwischen ist aber auch selbst erzeugter Photovoltaikstrom günstiger als Strom aus dem Netz. In den Übergangszeiten und im Sommer kann damit güns­tiger Solarstrom vom eigenen Dach die Stromrechnung entlasten. Während die Preise für Strom aus dem Netz genauso wie für Öl oder Gas weiter steigen, bleiben die Kosten für Strom einer Photovoltaikanlage über die Anlagenlebensdauer konstant. Im Winter reicht der Ertrag einer Photovoltaikanlage aber nicht aus, um den gesamten Strom für eine Wärmepumpe zu liefern.

Fazit

Wärmepumpen sind eine echte Alternative zu herkömmlichen Erdgas- oder Ölheizungssystemen, aber in der Anschaffung meist auch deutlich teurer als ihre fossile Konkurrenz. Die Betriebskosten fallen hingegen niedriger aus, weswegen eine steigende Zahl von Neukunden auf die Wärmepumpe setzt.
Wärmepumpen benötigen zum Antrieb jedoch elektrischen Strom, der in Deutschland derzeit noch zu 77% aus konventionellen Kraftwerken stammt. Mit steigendem Anteil Regenerativer Energien an der Stromversorgung im Zuge der Energiewende verbessert sich jedoch auch die Umweltbilanz der Wärmepumpe.
Weitere negative Umweltaspekte liefern die in Wärmepumpen verwendeten Kältemittel. FKW haben ein enormes Treibhauspotenzial. Wird die Wärmepumpe hingegen mit CO2-freiem, grünem Strom betrieben oder durch eine eigene Photovoltaikanlage unterstützt und werden zudem noch FKW-freie Kältemittel verwendet, bietet die Wärmepumpe auch aus ökologischer Sicht eine höchst interessante Alternative zu herkömmlichen Heizungssystemen. Die Kunden haben es letztendlich in der Hand, die ökologische Lösung auch zum Standard zu machen und damit einen wichtigen Beitrag für einen aktiven Klimaschutz zu leis­ten.

Autor: Prof. Dr. Volker Quaschning, Hochschu­le für Technik und Wirtschaft, Berlin

Literatur: Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. Hanser Verlag, München