Aufbauprogramm Wärmepumpe: So bewerten Experten die Chancen und Risiken

Die Bundesregierung mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) strebt den schnellen Ausstieg aus mit fossilen Energien versorgten Heizsystemen an. Laut der BMWK-Veröffentlichung „Energiesparen für mehr Unabhängigkeit. Arbeitsplan Energieeffizienz“ vom 17. Mai 2022 „soll es über eine Reform der BEG [Bundesförderung für effiziente Gebäude] zudem verstärkte Anreize für den Wechsel von fossilen Energieträgern auf Erneuerbare geben (also etwa weg von der Gas-Heizung hin zur Wärmepumpe)“.

Den Wärmepumpenhochlauf soll das „Aufbauprogramm Wärmepumpe“ unterstützen. „Ziel ist, die Zahl neu installierter Wärmepumpen bis 2024 auf über 500.000 Stück pro Jahr zu steigern.“

Anstieg des Strombedarfs muss durch Effizienzvorgaben begrenzt werden

Der Umbau von einer fossilen zu einer zu großen Teilen elektrifizierten Wärmeversorgung parallel zur Elektrifizierung der Mobilität stellt für das zukünftig auf 100 % erneuerbaren Energien basierende Stromsystem eine hohe Herausforderung dar.

Damit Kohlekraftwerke – wie im Koalitionsvertrag vorgesehen – rasch abgeschaltet werden können und eine Renaissance der Kernkraftwerke vermieden wird, muss der Ausbau der erneuerbaren Stromproduktion insbesondere in Form von Wind und Photovoltaik den wachsenden Strombedarf für den Betrieb von Wärmepumpen zusätzlich zur E-Mobilität deutlich überschreiten.

Gleichzeitig muss durch klare Effizienzvorgaben eine Begrenzung der Zunahme des Strombedarfs durch Wärmepumpen und E-Mobilität erfolgen. Damit auch nicht mehr Gaskraftwerke für die Spitzenlasten benötigt werden, sind ausgeprägte Bedarfsspitzen im Stromnetz zwingend zu vermeiden.

Wärmepumpen haben den größten Stromverbrauch an kalten Wintertagen, d. h. zu Zeiten, zu denen nur eine geringe Stromerzeugung durch PV-Anlagen vorliegt und teilweise auch Elektroenergie aus On-Shore-Wind-Anlagen nur begrenzt zur Verfügung steht. Sie sollten deshalb gerade bei tiefen Außentemperaturen effizient arbeiten und einen möglichst geringen Stromverbrauch haben.

Schlecht ausgelegte oder ungünstig betriebene Wärmepumpensysteme führen dazu, dass zu Zeiten der größten Last (kalte feuchte Jahreszeit), die in fast allen Wärmepumpen vorhandenen Elektroheizstäbe aktiviert werden und die Heizleistung der Wärmepumpen ersetzen. Das führt in der Folge gegenüber dem reinen Wärmepumpenbetrieb zu bis zu dreifach erhöhten Strombedarfsspitzen, die – falls zeitgleich in vielen Anlagen auftretend – kritisch für einen stabilen Netzbetrieb werden können.

Um sicherzustellen, dass die Wärmewende gelingt und zusätzlich zu einer stabilen, sicheren und unabhängigen Versorgung basierend auf 100 % erneuerbaren Energien führt, wurde von den Unterzeichnenden des Eckpunktepapiers u. a. folgende Maßnahmen vorgeschlagen:

Effizienzvorgabe vom EE-Anteil im Netz und von der Wärmequelle entkoppeln

Die Effizienzanforderungen der BEG an Wärmepumpen beziehen sich seit 2020 auf die „jahreszeitbedingten Raumheizungseffizienz“ ƞ_s (= ETAs). Sie wird aus der jahreszeitbedingten Leistungszahl (JAZ) durch Division mit dem Primärenergiefaktor für Strom errechnet.

Problematisch ist dabei, dass bei künftig niedrigeren Primärenergiefaktoren für Strom Wärmepumpen technisch ineffizienter werden können, ohne dass sich die jahreszeitbedingten Raumheizungseffizienz verschlechtert. Ließe man dies zu, würde der Strombedarf insbesondere in der Heizperiode steigen. Das Gegenteil sollte jedoch der Fall sein: Die Anforderungen an die Effizienz sollten steigen.

Aus dem gleichen Grund sollten die Anforderungen an Heizsysteme, für die ab 2024 ein Anteil von mindestens 65 % erneuerbare Energie (EE) gefordert wird, auch in Zukunft nicht mit zunehmendem EE-Anteil im Strommix abgesenkt werden, d. h., die Effizienzanforderungen an die Heizsysteme sollen dadurch nicht sinken.

In dem Eckpunktepapier wird eine strikte Orientierung von Zulassungen und Förderungen an der tatsächlichen Effizienz von Wärmepumpen gefordert, unabhängig vom Typ der Wärmepumpe – bei den Anforderungen sollte kein Unterschied zwischen Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen bestehen. Erdreich-Wärmepumpen belasten bereits heute bei gleicher Jahresarbeitszahl das Stromnetz weniger als Luft/Wasser-Wärmepumpen, da ihr Stromverbrauch insbesondere im Winter geringer ist.

Bei den geforderten Mindest-Jahresarbeitszahlen orientiert sich das Eckpunktepapier an den Ergebnissen des Feldtests WPsmart im Bestand [2]. Dort wurde vom des Fraunhofer ISE für Luft/Wasser-Wärmepumpen eine mittlere JAZ von 3,1 ermittelt, die beste JAZ einer Luft/Wasser-Wärmepumpe lag bei 3,8. Demgemäß werden Mindestwerte für eine Zulassung und etwas bessere Werte für eine Förderung vorgeschlagen.

Neben Erdreich, Grundwasser und Luft sowie thermischen Speichern als Wärmequellen für Wärmepumpen sollen innovative effiziente Wärmequellen ohne zusätzliche Hürden eingesetzt werden können. Beispielsweise wurden in den letzten Jahren spezielle PVT-Wärmepumpenkollektoren entwickelt, die als alleinige effiziente Wärmequelle von Wärmepumpen genutzt werden können [3]. PVT-Kollektoren sind Hybridkollektoren die aus solarer Strahlungsenergie sowohl thermische als auch elektrische Energie gewinnen (PVT: Photovoltaik und Solarthermie).

Spezielle PVT-Wärmepumpenkollektoren können zusätzlich der Luft Wärmeenergie entziehen. Damit können beispielsweise im dicht bebauten städtischen Bereich effiziente Wärmepumpen installiert werden, was bislang aus Platzgründen (Erdsonden) oder wegen Schallemissionen (Luft/Wasser-Wärmepumpe) kaum möglich war. Der Einsatz solcher vielversprechender Innovationen darf nicht durch ungeeignete Vorschriften, Zulassungs- und Nachweisverfahren oder Förderbedingungen behindert werden.

Elektrische Direktheizung vermeiden und unabhängige Überwachung

Mit dem Stromnetz verbundene Elektroheizstäbe von Wärmepumpen sollten gemäß den Autoren nur manuell über einen Schalter (bzw. eine Reglereingabe) und nur temporär aktiviert werden können, sodass sie als Notheizung nicht aber als Regelheizung zur Verfügung stehen.

Um dies sicherzustellen, sollte die Anlage (ihr Regler) mit einem Strom- oder Laufzeitzähler ausgestattet sein, der kontinuierlich kontrolliert werden kann. Der maximal zulässige Anteil des elektrischen Heizstabs am Stromverbrauch sollte bei 1 bis maximal 2 % des gesamten jährlichen Stromverbrauchs der Wärmepumpe liegen. Das entspricht nach [2] dem heutigen Stand der Technik (gemessen: 1,9 %).

Aus dem gleichen Grund sind elektrische Direktheizungen (z. B. Infrarot-Heizungen) massenhaft eingesetzt problematisch für das Stromnetz, auch wenn sie in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage oft als „grüne Heizung“ verkauft werden. Den größten Teil ihres Strombedarfs beziehen sie in der Regel aus dem öffentlichen Netz. Gemäß dem Eckpunktepapier sollten solche Direktheizungen deshalb nur bis zu einer sehr geringen flächenspezifischen Heizlast zugelassen werden.

Gemäß BEG müssen alle Energieverbräuche sowie alle erzeugten Wärmemengen eines förderfähigen Wärmeerzeugers messtechnisch erfasst werden. Die Autoren schlagen vor, hierauf aufbauend einen Schwerpunkt auf die real erreichten Effizienzwerte und Stromverbräuche zu legen. Einfache und kostengünstige Monitoring-Tools [4] ermöglichen neben einer Selbstkontrolle durch den Betreiber eine breite übergeordnete unabhängige Anlagenüberwachung (Bild 2).

Schornsteinfeger könnten als neues Tätigkeitsfeld die Effizienzkontrolle von Wärmepumpen erhalten und gleichzeitig eine beratende Funktion zur ggf. notwendigen Optimierung des Anlagenbetriebs übernehmen. Weiterhin könnte der unabhängige Effizienznachweis als Basis für eine Bonus-Förderung dienen, die bei deutlich über den Mindestanforderungen liegender Anlageneffizienz vergeben würde.

Mehrstufige Maßnahmen zur Umstellung auf Wärmepumpen

Vielfach lässt sich die Umstellung des Heizsystems vom fossil befeuerten Heizkessel auf eine Wärmepumpe kosten- und energieeffizient nur in mehreren Stufen realisieren.

Mit Solarthermie-Anlagen kann der externe Energiebezug von Systemen zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung rasch und auch bei Radiatoren ohne Anpassungen am Heizsystem signifikant gesenkt werden. Ebenso erfordert der Einbau von thermischen Solaranlagen keinen Ausbau der elektrischen Infrastruktur (Netze, Trafostationen und Kraftwerke). Voraussetzung für die Installation einer thermischen Solaranlage sollte aber die ausreichende Wärmedämmung des Dachs sein, soweit diese nicht später von innen möglich ist, sowie die zeitgleiche oder spätere Installation einer PV- bzw. PVT-Anlage auf der restlichen Dachfläche.

Alternativ zu einer Solarthermieanlage kann eine Wärmepumpe in Kombination mit einer PVT-Anlage installiert werden, mit der ca. 80 % des Wärmebedarfs gedeckt wird, während der vorhandene Heizkessel weiter genutzt wird, um Leistungs- und Temperaturspitzen abzudecken. Die Auslegung der PVT-Wärmepumpen-Kombination sollte so erfolgen, dass nach Wärmedämmmaßnahmen am Gebäude der verbleibende Energiebedarf durch die Wärmepumpe vollständig gedeckt werden kann [5] (Bild 3).

Kältemittel: Beschränkungen beachten

In Wärmepumpen verwendete synthetische Kältemittel können bei der Freisetzung in die Atmosphäre die gewünschte Klimaschutzwirkung deutlich beeinträchtigen. Dies ist insbesondere bei Split-Luft/Wasser-Wärmepumpen der Fall, die vor Ort befüllt werden; ebenso bei qualitativ niederwertigen Wärmepumpen, bei denen mit höherer Wahrscheinlichkeit Service-Einsätze und auch eine vergleichsweise geringe Lebensdauer zu erwarten sind.

Austretendes Kältemittel hat beim heute noch weit verbreiteten Kältemittel R410A ein Treibhauspotenzial (GWP), das 2088-mal höher als das von CO₂ ist. Im Rahmen der europäischen F-Gase-Verordnung soll die EU-weite Menge an neu in den Verkehr gebrachten fluorierten Treibhausgasen, dazu gehören auch die heute in Wärmepumpen verwendeten synthetisch Kältemittel, erreicht werden. Beim Wärmepumpenhochlauf muss diese Beschränkung berücksichtigt werden.

Eine wichtige Alternative zu synthetischen Kältemitteln sind natürliche Kältemittel, beispielsweise Propan mit einem GWP von 3. Eine direkte Umstellung (Austausch des Kältemittels oder Austausch des Kältekreises) ist aus technischen und sicherheitsrelevanten Gründen allerdings nicht möglich. Neue technologische Konzepte, beispielsweise Kapselung und Entlüftung, werden hierzu aktuell entwickelt, die externe Aufstellung von Monoblock-Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan (R290) im Freien ist bereits im Markt verfügbar. Die Autoren des Eckpunktepapiers schlagen die parallele Überprüfung der entsprechenden Sicherheitsvorschriften und gegebenenfalls ihre Anpassung vor.

Zubau der EE-Stromproduktion muss zusätzlichen Verbrauch übersteigen

Beim Austausch einer größeren Zahl mit fossilen Energien betriebener Heizkessel durch elektrisch angetriebene Wärmepumpen muss für den zusätzlichen Strombedarf entweder ein zur Verfügung stehendes Kraftwerk hochgefahren oder ein neues Kraftwerk gebaut werden.

Soll der zusätzliche Strombedarf mit erneuerbaren Energien bereitgestellt werden, muss die Bereitstellung von Residuallast durch Wind, Sonne oder Kraft-Wärme-Kopplung (KWK mit EE-Brennstoffen) erhöht werden. Die Autoren schlagen verschiedene Maßnahmen vor, um den Umbau auf Wärmepumpen-Heizungen so zu steuern, dass hierdurch die kontinuierliche Reduktion der CO₂-Emissionen konform zu den Klimazielen erreicht wird.

Im Rahmen des Aufbauprogramms Wärmepumpe sollte sichergestellt werden, dass für den zusätzlichen Strombedarf mindestens die entsprechende Menge erneuerbaren Stroms produziert wird, und zwar so weit wie möglich zu den Zeiten, zu denen der Bedarf erhöht wird – also nicht basierend auf einer Jahres-, Monats- oder Wochenbilanz. Hierfür enthält das Eckpunktepapier drei sich ergänzende Ansätze.

Ansatz 1: Kombination mit PV- / PVT-Anlagen

Als Regellösung werden PV- bzw. PVT-Anlagen vorgeschlagen, wenn Wärmepumpen installiert werden: Die von der Bundesregierung geplante und in einigen Bundesländern bereits beschlossene Solardachpflicht könnte nicht nur bei Neubauten oder grundlegender Dachsanierung greifen, sondern auch beim Einbau einer Wärmepumpe. Hier können Übergangsfristen vorgesehen werden, insbesondere, um eine gegebenenfalls vorher erforderlich Dachsanierung durchzuführen. Um die Regellösung mit geringen Hürden auch bei Mehrfamilienhäusern zu ermöglichen, muss zeitnah der direkte Verbrauch des produzierten Stroms durch Verbraucher in der Nähe, z. B. Mieter, unbürokratisch geregelt werden.

Alternativ zur verpflichtenden Installation einer PV- oder PVT-Anlage könnte eine Wärmepumpenförderung davon abhängig gemacht werden, dass in einer Übergangsfrist auch eine PV-oder PVT-Anlage installiert wird. Die Anlage sollte dann so dimensioniert sein, dass mindestens im Jahresmittel die Strommenge produziert wird, den die Wärmepumpe verbraucht.

Besser wäre die Vorgabe, dass der selbst produzierte Strom auf Basis einer Monatsbilanz im ungünstigsten Monat mindestens 20 bis 25 % des von der Wärmepumpe verbrauchten betragen muss. Dieses Verhältnis wird auf der Basis von Simulationsrechnungen mit effizienten Wärmepumpen und typischen PV- oder PVT-Flächen erreicht. Dies führt bei begrenzter Dachfläche zum Einsatz möglichst effizienter Systeme und geringer Energieverbräuche. Nicht ausreichende Dachflächen oder Denkmalschutz können durch Ausnahmeregelungen berücksichtigt werden. Die PV- oder PVT-Anlage kann auch durch Dienstleister installiert und betrieben werden, sodass die Hausbesitzer keine erhöhten Investitionen tragen müssten.

Um insbesondere in den Nachtstunden, wenn kein PV-Strom verfügbar ist, eine zusätzliche Belastung des Stromnetzes und den Verbrauch gegebenenfalls mit fossilen Energieträgern erzeugten Stroms zu vermeiden, ist zudem zu fordern, dass PV- bzw. PVT-Wärmepumpensysteme über einen thermischen und / oder elektrischen Speicher verfügen. Dieser Speicher muss so dimensioniert sein, dass er – gegebenenfalls in Verbindung mit der thermischen Gebäudemasse – eine Deckung des Wärmebedarfs bei Auslegungsbedingungen für die Raumheizung über einen Zeitraum von beispielsweise mindestens 14 h ermöglicht.

Die Erzeugung des zusätzlichen Stromverbrauchs durch PV- bzw. PVT-Anlagen vor allem im Sommerhalbjahr ist jedoch nicht ausreichend. Eine zeitlich fein aufgelöste Emissionsbilanzierung des durch den Wärmepumpenausbau ausgelösten, zusätzlichen Strombedarfs sollte inklusive Vorkettenmissionen durchgeführt werden: entscheidend ist, mit welchen Emissionen der Strom zum Zeitpunkt des jeweiligen Verbrauchs erzeugt wird. Hierauf zielen der zweite und dritte in dem Eckpunktepapier vorgeschlagene Ansatz ab. Ein zum zweiten Ansatz vergleichbares Verfahren könnte auch für die E-Mobilität eingeführt werden.

Ansatz 2: EE-Bedarf und -Verbrauch im Einklang

Der 2. Ansatz sieht vor, dass der Verbrauch und die Produktion der benötigten erneuerbare Strommenge während der Heizsaison im Gleichgewicht gehalten werden.

An das Stromnetz angeschlossene Wärmepumpen sollten bei einem Energieerzeuger angemeldet werden, auch wenn sie keinen Wärmepumpentarif haben. Sie sollten über einen eigenen Unter-Stromzähler verfügen, aber über den gemeinsamen Gesamtzähler abgerechnet werden, damit möglichst viel PV- bzw. PVT-Strom direkt genutzt wird. Mit der Anmeldung wird der mit einem anerkannten Verfahren berechnete Stromverbrauch in den Monaten Dezember und Januar mitgeteilt.

Die Energieversorger sollten dann verpflichtet sein, für diesen zusätzlichen Stromverbrauch die zusätzliche erneuerbare Stromproduktion, z. B. durch Windkraft oder CO₂-arme KWK (z. B. mit zertifiziertem Biogas aus Rest- und Abfallstoffen) in der Summe in diesen beiden Monaten aufzubauen¹⁾. Der Aufbau der entsprechenden neu zugebauten Stromproduktion sollte innerhalb einer angemessenen Frist erfolgen. Bei Energieversorgern, die diese Verpflichtung nicht erfüllen können oder wollen, sollte ein Wärmepumpenanschluss nicht möglich sein.

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Bei dem Ausbau ist zu überwachen, dass ein zusätzlicher Strombedarf und die Produktion von EE-Strom in Deutschland im Mittel geographisch in vergleichbarem Maße geschehen, um aktuell nicht leistbare Stromübertragungen zu vermeiden. Andernfalls müssten entsprechende regulatorische Einschränkungen getroffen werden.

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Wie bei Wärmepumpentarifen bekommen die Energieversorger Zugriff auf die Smart-Grid-Ready(SGR)-Schnittstelle der Wärmepumpe für flexible Anreize und Sperrzeiten, um Bedarfs- und Produktionsspitzen zu vermeiden. Für ein weiter verbessertes Lastmanagement sollten Wärmepumpen zukünftig mit einem prädiktiven Energiemanagement ausgestattet sein, das auf zeitlich fein aufgelöste Strompreissignale des Energieversorgers, welche zur korrekten, d. h. emissionssparenden Verhaltensweise animieren, reagiert (Bild 4). Neben lokal installierten Energiemanagern können Cloud-Lösungen [6], z. B. als Angebot der Energieversorger oder des Messdienstleisters, für eine schnelle und leistungsfähige Umsetzung sorgen.

Analog zum Anschluss an Wärmenetze könnten Stromversorger bei Wärmepumpenanschluss ihren Tarif auch bei Privathaushalten in Abhängigkeit von der maximalen Bezugsleistung gestalten, mit der Möglichkeit, beim Überschreiten des vertraglich vereinbarten Werts, die Leistungsaufnahme von Wärmepumpe und elektrischem Heizstab über die SGR-Schnittstelle zu reduzieren.

Ansatz 3: Energieeffiziente Ausgleichelemente

Nur bei massiv reduziertem Gasbedarf durch effiziente Nutzung ist die Umstellung auf grünen Wasserstoff realistisch und wirtschaftlich: Das direkte Verbrennen von Wasserstoff in einem Gas-Heizkessel verursacht gegenüber einer Wärmepumpe einen mindestens fünfmal größeren Flächenbedarf für Solar- oder Windkraftanlagen²⁾. Dennoch wird in zukünftigen Wärmeversorgungsszenarien Wasserstoff als Ausgleichelement benötigt – aber effizient genutzt, insbesondere in KWK-Anlagen.

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Die Produktion von Wasserstoff mit EE-Strom erfolgt mit ca. 70 % Wirkungsgrad. Die Jahresarbeitszahl einer qualitätsgesicherten Wärmepumpe beträgt ca. 3,5 bis 4,5. Selbst bei einer mit Wasserstoff betriebenen Absorptions-Wärmepumpe ist das Verhältnis ungünstig: der COP beträgt ca. 170 % – aus 1 kWh EE-Strom bekommt man letztlich nur 1,2 kWh Wärme im Vergleich zu 3,5 bis 4,5 kWh Wärme bei einer Kompressor-Wärmepumpe.

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Im Rahmen des Aufbauprogramms Wärmepumpe sollten deshalb besondere Anreize für größere Objekte mit einem Wärmebedarf von z. B. mehr als 150 MWh/a geschaffen werden, die zur Installation von Hybridanlagen, bestehend aus Solarthermie- bzw. PVT-Anlage, Wärmepumpenanlage und KWK-Anlage in Kombination mit möglichst teilsaisonalen thermischen Energiespeichern führen. So kann bei regenerativen Überschüssen die Wärmepumpe und in der kalten Dunkelflaute die KWK-Anlage jeweils monovalent betrieben werden. Bei zeitgleichem Betrieb von Wärmepumpe und KWK kann der Gasbedarf gegenüber dem Betrieb mit einem Gas-Heizkessel um 50 % reduziert werden. So lässt sich durch die Hybridanlage, bei gleichzeitig gesicherter CO₂-armer Residuallast, der Gasbedarf um ca. 75 % reduzieren.

Dr.-Ing. Ulrich Leibfried ist Geschäftsführer der Consolar Solare Energiesysteme GmbH, 79539 Lörrach, www.consolar.de

Dr.-Ing. Harald Drück arbeitet an der Universität Stuttgart am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE), 70550 Stuttgart, www.igte.uni-stuttgart.de