Wärmepumpen im Bestand, Teil 3: CO2-sparend und wirtschaftlich

Bild 1: Bei der Sanierung und Erweiterung dieses denkmalgeschützten Wohnhauses in Duisburg wurde eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer 240-m²-Fußbodenheizung kombiniert. Ein Kunststoff-Wärmespeicher sorgt für die hydraulische Entkopplung von Wärmeerzeuger- und Heizkreislauf.

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. Aktuellen Studien zufolge ist 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.

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 wenig CO₂-Emissionen verursachen und perspektivisch klimaneutral sind.

Wie hoch ist die CO₂-Einsparung durch Wärmepumpen im Vergleich zu einer Gasheizung?

Wärmepumpen sind technologisch ausgereift und können schon heute in großer Breite Heizungssysteme ersetzen, die auf fossilen Brennstoffen basieren (wie Erdgas oder Heiz­öl). 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 Stroms und
• der Effizienz der Wärmepumpe.

Der erste Faktor gibt an, wie „sauber“ die elektrische Energie erzeugt wird, d. h. wie viel Gramm 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 g CO₂/kWh auf 401 g CO₂/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 g CO₂/kWh.

Bild 2 zeigt die CO₂-Emissionsminderungen von Wärmepumpen in Abhängigkeit von ihrer Effizienz verglichen mit den Emissionen eines Gaskessels unterstützt von einer thermischen Solaranlage für die Warmwasserbereitung. 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 (siehe Teil 2 dieser Serie). Die CO₂-Einsparungen liegen bei über 44 % bzw. 58 %. Die Wärmepumpen sparen demnach schon heute in etwa die Hälfte an CO₂-Emissionen gegenüber einer Gasheizung ein.

Selbst die Luftwärmepumpen mit dem schlechtesten Jahresergebnis von 2,5 erreichten immer noch eine CO₂-Ersparnis von 33 %. Eine aktuelle Auswertung von Luft-­Wärmepumpen für die zwei kalten Februarwochen dieses Jahres hat eine mittlere Effizienz der 17 Anlagen von 2,3 ergeben. Das bedeutet selbst bei isolierter Betrachtung kalter Winterwochen dennoch 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 g CO₂/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.

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 dem 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 sinkt mit zunehmender Effizienz der Wärmepumpe der Stromverbrauch, 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 Gaskessel, 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 den 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.

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. Der Hintergrund ist, dass in Deutschland die Energiewendekosten vor allem auf den Strompreis umgelegt werden und kaum auf die Preise von Heizöl und Erdgas.

Der europäische Strompreis-Mittelwert liegt bei 21 Cent 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 konsequent gesenkt. So sind die Preise in den letzten zehn Jahren um gute 20 % gesunken.

Vergleich der Betriebskosten

Neben den Strompreisen sind noch andere Faktoren für die Abschätzung der Betriebskosten von Wärmepumpen wichtig. Offensichtlich ist 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 Gas- bzw. Heizölkosten 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.

Bild 4 zeigt die monatlichen Kosten von Häusern mit unterschiedlichem Energiestandard (nicht saniert, teilsaniert und saniert) mit einer Wärmepumpe sowie einem Gaskessel. Bei der Wärmepumpe wurde sowohl der heutige mittlere Wärmepumpentarif von 24 Cent als auch der Preis von 20 Cent – 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 (BEHG) für die Jahre 2021 und 2025 sowie eine Abschätzung für spätere Jahre berücksichtigt. Die Effizienz des Gaskessels 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 Erdreich-Wärmepumpe mit einer Effizienz von 4,0 – in beiden Fällen für ein unsaniertes Haus. Beim teilsanierten Haus beträgt die Differenz gute 30 Euro. Für das sanierte Haus sind es dagegen nur knapp 20 Euro.

Effizienz beeinflusst deutlich die Betriebskosten

Unter Berücksichtigung der aktuellen Preise in Deutschland muss eine Wärmepumpe mindestens eine Effizienz von 3,5 erreichen, um in etwa die gleichen Betriebskosten wie ein Gaskessel aufzuweisen. Da sich die Gaspreise in den nächsten vier Jahren aufgrund der steigenden CO₂-Kosten um 1 Cent pro kWh auf 7,5 Cent im Jahr 2025 erhöhen dürften, wird bereits eine Wärmepumpe mit der Effizienz von 3,0 im Betrieb wirtschaftlich vergleichbar mit einem Gaskessel 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 Gasheizung.

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 Gasheizung berechnet. In dem 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 Gasheizung.

Wie am Anfang des Artikels 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.

Im nächsten Teil dieser Serie  geht es darum, ob man angesichts der technologischen Entwicklung nicht lieber noch etwas mit dem Einbau warten soll, bis die Wärmepumpen wirklich für den Einsatz in Bestandsgebäuden geeignet sind. Das zweite Thema sind Hybridanlagen. Hier wird die Frage beantwortet, ob es sich lohnt, eine Wärmepumpe mit einem Gaskessel zu kombinieren.

Artikelserie: Wärmepumpen im Bestand

In dieser Artikelserie werden die verschiedenen Argumente gegen den Einsatz von Wärmepumpen im Bestand analysiert und diversen Untersuchungsergebnissen gegenübergestellt. Basis dafür sind das Wissen und die Erfahrungen aus fast 20 Jahren Wärmepumpenforschung am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Dabei werden die folgenden Themenschwerpunkte behandelt:

• Teil 1: Vorlauftemperaturen und Anwendbarkeit im Bestand → 23.06.2021
• Teil 2: Monitoringergebnisse und Heizstabeinsatz → 30.06.2021
• Teil 3: Ökologische und ökonomische Bewertung → 07.07.2021
• Teil 4: Technologie Entwicklung und Hybridanlagen → 14.07.2021
• Teil 5: Einsatzbeispiele EFH und MFH → 21.07.2021

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

Dieser Beitrag von Dr.-Ing. Marek Miara ist zuerst erschienen in SBZ 07/2021. Dr.-Ing. Marek Miara ist Business Developer Heat Pumps am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 79110 Freiburg. www.ise.fraunhofer.de