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Ausnutzung der Potenziale für Windkraft (links) bzw. für Freiflächen-Fotovoltaik (rechts) in Europa im Szenario T45-Strom (Consentec et al. 2022)

Um das Sektorziel im Jahr 2030 einzuhalten, müssen in T45-Strom 5,7 Mio. Wärmepumpen installiert werden. Darunter sind 0,34 Mio. Hybrid-Wärmepumpen. Sie werden in Gebäuden eingesetzt, die zum Zeitpunkt des Einbaus noch nicht ausreichend für den alleinigen (monovalenten) Betrieb einer Wärmepumpe vorbereitet sind (siehe Kapitel 3.4). An besonders kalten Tagen springt dann ein Gasheizkessel zur Unterstützung der Wärmepumpe an. Nachteil dieser Hybrid-Wärmepumpen ist – neben den höheren Investitionskosten -, dass der Brennstoff Gas voraussichtlich nicht bis zum Ende ihrer Nutzungsdauer verfügbar sein wird. Durch die ambitionierte Dämmung der Gebäude wird ein monovalenter Betrieb der Wärmepumpen sukzessive möglich und der Gaskessel wird überflüssig. Um bis 2030 eine Anzahl von 5,7 Mio. Wärmepumpen zu erreichen, muss ab 2024 mindestens jeder zweite neu installierte Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe sein. Dieser grundlegende Umbau des Heizungsmarktes ist bereits in der Wärmepumpen-Offensive des Bundeswirtschaftsministeriums vorgesehen (BMWK 2022a). In den sehr gut gedämmten Gebäuden in diesem Szenario setzen die Wärmepumpen den Strom besonders effizient in Wärme um.

Stromverbrauch im Gebäudesektor in den Langfristszenarien T45-Strom und T45-RedEff. (eigene Darstellung auf Basis von Consentec et al. 2022)

Es wurden zwei Szenarien berechnet, die beide einen sehr hohen Anteil von Wärmepumpen vorsehen. Sie unterscheiden sich dadurch, dass einmal ein sehr hoher baulicher Wärmeschutz angenommen wird (T45-Strom) und einmal ein geringerer Wärmeschutz, der allerdings immer noch über dem heutigen Niveau liegt (T45-RedEff). Wie in Kapitel 3.1 beschrieben, wirkt sich die bessere Wärmedämmung in Kombination mit Wärmepumpen doppelt aus: sie senkt den Wärmebedarf und erhöht gleichzeitig die Effizienz der Wärmepumpe. Dieser Effekt kann im Vergleich der beiden Szenarien dargestellt werden, da beide im Jahr 2045 eine ähnliche Anzahl von Wärmepumpen aufweisen (18,3 Mio. in T45-Strom, 18,8 Mio. in T45-RedEff).  Die Abbildung zeigt den Stromverbrauch für Raumwärme, Trinkwassererwärmung, Lüftung und Hilfsenergie für die beiden Szenarien. Er steigt in beiden Szenarien stark an gegenüber dem Ausgangswert in 2020 in Höhe von 45 TWh. In 2045 beträgt er 124 TWh in T45-Strom und 169 TWh in T45-RedEff – also 37% mehr.

Gelegentlich wird argumentiert, dass der Strom im Jahr 2045 ohnehin Erneuerbar sei und daher keine Treibhausgasemissionen von ihm ausgingen. Tatsächlich entsteht durch den hohen Strombedarf – auch in anderen Sektoren – eine andere Knappheit: die Flächen, auf denen die Erneuerbaren Energien produziert werden, müssen bis an die Obergrenze ausgenutzt werden. Die folgenden Abbildungen zeigen die Potenzialausnutzung für Windkraft und Freiflächen-Fotovoltaik im Szenario T45-Strom. Das heißt, es müssen bereits in diesem Szenario nahezu alle geeigneten Flächen maximal genutzt werden, um den benötigten Erneuerbaren Strom zu erzeugen. Ein derart ambitionierter Ausbaupfad ist mit Risiken und Unwägbarkeiten verbunden. Im Sinne einer Absicherung der Zielerreichung sollte Strom weiterhin so effizient wie möglich eingesetzt werden – auch wenn er Erneuerbar ist.

Gebäudeeffizienz und erforderliche Wärmepumpenanzahl halten sich die Waage: je höher der Wärmeverbrauch der Gebäude ist, desto mehr Wärmepumpen werden benötigt, um das Sektorziel im Jahr 2030 zu erreichen.

Im Szenario T45-RedEff müssen bis 2030 8,0 Mio. Wärmepumpen installiert werden, 0,63 Mio. davon als Hybrid-Wärmepumpen. Ein solcher Hochlauf wird nicht als realisierbar eingeschätzt und dient hier nur zur Verdeutlichung der Auswirkungen von zu wenig Dämmung. Diese extrem hohe Anzahl ist erforderlich, weil der Verbrauch in den fossil-beheizten Gebäuden langsamer sinkt als im T45-Strom-Szenario. Dies ist eine direkte Folge der geringeren Gebäudeeffizienz. Anders ausgedrückt: die in 2030 noch zulässige Menge an Heizöl und Erdgas reicht nur für eine kleinere Anzahl von Gebäuden aus, um das Sektorziel nicht zu überschreiten.

Die Abbildung verbildlicht den Zusammenhang von Gebäudeeffizienz und erforderlicher Wärmepumpenanzahl für das Jahr 2030. Als dritter Fall wird dargestellt, wie viele Wärmepumpen erforderlich wären, wenn ab 2023 keine weiteren Dämm-Maßnahmen mehr ausgeführt würden. In diesem Fall müsste ihre Zahl bis 2030 auf 9,2 Mio. steigen. Diese Anzahl könnte nicht einmal erreicht werden, wenn bis dahin alle neuen Wärmeerzeuger im Markt Wärmepumpen wären.

Auswirkungen schlechterer Gebäudeeffizienz auf Anzahl und Stromverbrauch von Wärmepumpen (eigene Darstellung auf Basis von Consentec et al. 2022)

Die Treibhausgasemissionen des Gebäudesektors müssen laut Klimaschutzgesetz bis 2030 auf 67 Millionen Tonnen gesenkt werden. Das entspricht einer Reduktion um 44 Prozent gegenüber 2020. Um dieses Ziel zu erreichen, soll eine Mischung aus Erneuerbaren Energien und verbesserter Gebäudeeffizienz eingesetzt werden. Wie diese beiden Handlungsfelder gegeneinander ausbalanciert werden, ist Gegenstand aller aktuellen Szenarioberechnungen. In den Langfristszenarien des Bundeswirtschaftsministeriums wurden zwei Szenarien gegenübergestellt, um den Einfluss der Gebäudeeffizienz besser zu verstehen (Consentec et al. 2022). Beide Szenarien setzen einen starken Fokus auf Wärmepumpen. Im Szenario T45-Strom (Kürzel für „Treibhausgasneutralität 2045 mit hohem Anteil an Erneuerbarem Strom“) werden sehr ambitionierte Dämmstandards unterstellt. Sanierungen orientieren sich am Effizienzhaus-55-Niveau. Dies entspricht etwa dem aktuellen Anforderungsniveau an Einzelmaßnahmen in der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG). Gleichzeitig steigt die Sanierungsrate und der Anteil von Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung. Außerdem gehen 30% der Sanierungen über das gesetzliche Anforderungsniveau hinaus und orientieren sich am Effizienzhaus-40-Niveau. Durch diese Maßnahmen geht der Nutzwärmeverbrauch bis 2030 um 13% gegenüber 2020 zurück und beträgt 474 TWh. Diesem Szenario wird das Szenario T45-RedEff (Kürzel für „Treibhausgasneutralität 2045 mit reduzierter Effizienz“) gegenübergestellt. Hier orientieren sich die Sanierungsanforderungen am Niveau eines Effizienzhauses 70, wie es im Koalitionsvertrag (2021) vorgesehen ist. Die Sanierungsrate und die Anteile von Übererfüllungen der Anforderungen und Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung bleiben hinter dem Szenario T45-Strom zurück. Der Nutzwärmeverbrauch sinkt bis 2030 um 9% auf 505 TWh.

Es stehen nur wenige Technologie-Optionen für die Wärmeversorgung zur Verfügung:

  • In beiden Szenarien ist bereits ein äußerst ambitionierter Ausbau von Wärmenetzen unterstellt. Er wird zwischen den Szenarien nicht variiert, weil er nicht weiter gesteigert werden kann.
  • Erneuerbare Brennstoffe, wie synthetischer Wasserstoff oder synthetisches Methan (PtG), stehen dem Gebäudesektor in diesen Szenarien nicht zur Verfügung. Ihr Einfluss wurde ebenfalls in den Langfristszenarien untersucht, jedoch in zwei anderen Szenarien (T45-PtG/PtL und T45-H2). Sie können zur Zielerreichung in 2030 beitragen und den Zusammenhang zwischen Gebäudeeffizienz und Wärmepumpen-Anzahl abmildern, jedoch muss der Hochlauf dieser Technologien dazu weit ehrgeiziger sein als bisher vorgesehen (BMWi 2020). Insgesamt ist der Einfluss Erneuerbarer Gase auf die Erreichung des 2030-Ziels jedoch sehr begrenzt.
  • Wärmepumpen sind – trotz aller bekannten Hindernisse – die flexibelste Option. Sie können Heizkessel ersetzen, wenn deren Nutzungsdauer abgelaufen ist. Dabei sind sie relativ unabhängig von Vorbedingungen beim Infrastrukturausbau und können räumlich und zeitlich flexibel dort eingebaut werden, wo fossile Kessel turnusmäßig auszutauschen sind.

Um das Sektorziel im Jahr 2030 einzuhalten, müssen in T45-Strom 5,7 Mio. Wärmepumpen installiert werden. Darunter sind 0,34 Mio. Hybrid-Wärmepumpen. Sie werden in Gebäuden eingesetzt, die zum Zeitpunkt des Einbaus noch nicht ausreichend für den alleinigen (monovalenten) Betrieb einer Wärmepumpe vorbereitet sind (siehe Kapitel 3.4). An besonders kalten Tagen springt dann ein Gasheizkessel zur Unterstützung der Wärmepumpe an. Nachteil dieser Hybrid-Wärmepumpen ist – neben den höheren Investitionskosten -, dass der Brennstoff Gas voraussichtlich nicht bis zum Ende ihrer Nutzungsdauer verfügbar sein wird. Durch die ambitionierte Dämmung der Gebäude wird ein monovalenter Betrieb der Wärmepumpen sukzessive möglich und der Gaskessel wird überflüssig. Um bis 2030 eine Anzahl von 5,7 Mio. Wärmepumpen zu erreichen, muss ab 2024 mindestens jeder zweite neu installierte Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe sein. Dieser grundlegende Umbau des Heizungsmarktes ist bereits in der Wärmepumpen-Offensive des Bundeswirtschaftsministeriums vorgesehen (BMWK 2022a). In den sehr gut gedämmten Gebäuden in diesem Szenario setzen die Wärmepumpen den Strom besonders effizient in Wärme um.

Häufigkeitsverteilung der Effizienzklassen im deutschen Wohngebäudebestand (Quelle LTRS 2020)

Die Wärmepumpen-Offensive des Bundeswirtschaftsministeriums sieht vor, dass ab 2024 jährlich 500.000 neue Wärmepumpen installiert werden und dass im Jahr 2030 rund 6 Mio. Wärmepumpen im Heizungsbestand sind. Von den angestrebten 500.000 neuen Wärmepumpen können voraussichtlich höchstens 100.000 in Neubauten installiert werden, da deren Anzahl begrenzt ist. Das bedeutet, dass mindestens 400.000 Wärmepumpen jährlich in Bestandsgebäuden eingebaut werden müssen. Etwa jeder zweite neu eingebaute Wärmeerzeuger in Bestandsgebäuden müsste demnach eine Wärmepumpe sein. Wie in Kapitel 3.3 erläutert, wird die Installation von Wärmepumpen desto schwieriger, je schlechter ein Gebäude gedämmt ist. Es müssen also jährlich 400.000 möglichst effiziente Gebäude bereitstehen, in die die Wärmepumpen eingebaut werden können. Schaut man auf die Verteilung der Effizienzklassen in deutschen Gebäuden wird deutlich, dass 30% der Gebäude in den schlechtesten Effizienzklassen G und H sind. 44% sind in mittleren Klassen D bis F und nur 26% in den besseren Klassen A+ bis C. Innerhalb der Klassen A+ bis C sind rund 64% Neubauten, die nach 2002 errichtet wurden und deren Wärmeerzeuger gerade erst in den ersten Austauschzyklus kommen. Wenn man einen 20-jährigen Nutzungszyklus unterstellt, sind jährlich nur etwa 100.000 Heizungserneuerungen in den Klassen A+ bis C zu erwarten – allerdings mit leicht steigender Tendenz in den kommenden Jahren. Dennoch bleiben mindestens 200.000 Wärmepumpen übrig, die jährlich in teil- oder unsanierten Gebäuden installiert werden müssen, um die Wärmepumpen-Offensive zu realisieren. Der Pool dieser Gebäude ist zwar groß, allerdings bestehen weitere Restriktionen, die den Einbau einer Wärmepumpe verhindern, wie z. B. vorhandene Gasetagenheizungen oder Schallprobleme.

Nicht zuletzt müssen die Eigentümer der geeigneten Gebäude sich auch für eine Wärmepumpe entscheiden. Damit diese Entscheidung im Sinne der Wärmepumpen getroffen wird, sind positive Erfahrungen anderer Nutzer wichtig. Wärmepumpen müssen mit niedrigen Kosten und problemlosem Betrieb konnotiert werden. Dazu ist es entscheidend, die Synergien zwischen Wärmepumpen und Wärmeschutz im einzelnen Bauvorhaben auszunutzen

Entwicklung der Raumtemperatur während einer kalten Winterwoche im Januar für die beiden Typengebäude mit unterschiedlichen energetischen Standards nach einem Ausfall der Heizung.

Aktuell wird die Frage eines möglichen durch Überlastung des Systems bedingten Stromausfalls diskutiert. Damit verbunden würde auch das Heizungen nicht mehr funktionieren. Im Folgenden soll kurz der Effekt auf die Raumtemperatur während der oben angesprochenen kalten Winterwoche für die beiden Typengebäude mit unterschiedlichen energetischen Standards untersucht werden. Sowohl im ungedämmten Einfamilienhaus als auch im Mehrfamilienhaus sinkt die Raumtemperatur innerhalb eines halben Tages auf unter 10° Celsius. Nach 3 – 4 Tagen fällt die Raumtemperatur noch weiter auf um die 0° Celsius ab. Das könnte neben der starken Komforteinschränkung auch erhebliche Einflüsse auf die Frostsicherheit der Wasserleitungen bedeuten. Im energetisch ertüchtigen Gebäude hingegen fällt aufgrund der deutlich reduzierten Transmissionswärmeverluste die Raumtemperatur sehr langsam und bleibt sogar nach 3 – 4 Tagen über einer Temperatur von 10°C. Selbst nach einer Woche werden keine kritischen Temperaturen erreicht.

Die hier exemplarisch durchgeführten Berechnungen zeigen, dass gut gedämmte Gebäude bei Ausfall der Energieversorgung weniger schadensanfällig sind als ungedämmte oder schlecht gedämmte Gebäude. Dabei erfolgt das Absinken der Raumtemperatur und damit der thermischen Behaglichkeit bei gut gedämmten Gebäuden deutlich langsamer. Auch eine Notversorgung ist leichter zu bewerkstelligen.

Durch den netzdienlichen Betrieb der Wärmepumpen in Kombination mit einer korrespondierenden Gebäudehülle kann eine erhebliche Entlastung des Stromnetzes erreicht werden.

Die Abbildung zeigt dieses schematisch für ein Quartier bestehend aus 9 Gebäuden. Würde man in jedes dieser neun Gebäude im unsanierten Zustand eine Wärmepumpe einbauen, würde das bedeuten, dass die einzelne maximale elektrische Last bei jeweils 15 kW liegt, und in der Summe wären das dann insgesamt 135 kW. Das gleiche Quartier, bei dem im Vorfeld die thermische Hüllfläche nach dem heutigen Stand der Technik saniert wurde, reduziert die individuelle Last entsprechend auf 5 kW beziehungsweise im gesamten Quartier auf 45 kW. Durch ein flexibles und reaktives Lastenmanagement wäre durch ein „smartes Microgrid“ bei gut gedämmten Gebäuden die individuelle Last nochmals reduzierbar. In dem hier aufgezeigten schematischen Beispiel wird deutlich, wie bei entsprechendem Wärmeschutz durch eine Verpflichtung zum Einbau netzdienlicher Wärmepumpen (SmartGrid-ready) und einer verpflichtenden Nutzung von Regelalgorithmen ein aus energiewirtschaftlicher Sicht sinnvoller Betrieb der Wärmepumpe gewährleistet wäre und zu einer erheblichen Entlastung des Stromnetzes führt.

Schematischer Vergleich des Tagesverlaufs der gesamten Stromleistung, die sich aus der Heizlast und des Nutzerstroms ergibt für ein unsaniertes bzw. saniertes Wohngebäude.

Weil die Elektromobilität boomt und zudem Häuser immer öfter mit elektrisch betriebenen Wärmepumpen geheizt werden, steigt der Strombedarf – und das oft zeitgleich in vielen Haushalten. So kommt es insbesondere abends zu sogenannten „signifikanten Lasten“, für die die Stromnetze im Niederspannungsnetz jedoch nicht ausgelegt sind. Eine typische Wärmepumpe für ein nicht ausreichend gedämmtes Einfamilienhaus verfügt über eine Anschlussleistung von bis zu 20 kW. Das klingt erst mal nicht nach sehr viel. Das Problem wird erst deutlich, wenn man bedenkt, dass eine Wärmepumpe über mehrere Stunden oder sogar über den ganzen Tag kontinuierlich beansprucht wird. Noch dazu wird bei einer vollständigen Elektrifizierung der Wohngebäudebeheizung gleichzeitig in vielen Haushalten eine solche elektrische Last benötigt. Hinzu kommt der, vor allem in den Abendstunden, deutlich zunehmende Bedarf nach Haushaltsstrom und die schnell wachsende Anzahl an Elektrofahrzeugen. Die Abbildung verdeutlicht diesen Aspekt für ein saniertes und unsaniertes Gebäude schematisch. Neben der Reduzierung der entsprechenden elektrischen Last können gut gedämmte Gebäude auch über einen längeren Zeitraum ohne merkliche Komforteinbußen einen systemdienlichen Betrieb, d. h. ein Abschalten der Wärmepumpe bei Überlastung des Systems ermöglichen. Durch einen zukunftsorientierten Wärmeschutz reduziert sich so die Spitzenlast im Winter um den Faktor 2 – 3 und führt durch Nutzung von Wärmespeicherung zu einer erheblichen Entlastung des Stromnetzes. Noch wichtiger wird der Effekt einer Lastenreduzierung durch einen guten Wärmeschutz, wenn man im „Quartier“ denkt. “

Verlauf der Heizleistung während einer kalten Winterwoche im Januar für die beiden Typengebäude mit unterschiedlichen Sanierungszuständen.

Neben der reinen absoluten Auslegungs-Heizleistung ist auch der tägliche Verlauf von Bedeutung. Dazu sind in Abbildung die errechneten stündlichen Heizleistungen für die beiden Typengebäude im sanierten beziehungsweise unsanierten Zustand während einer sehr kalten Winterwoche im Januar aufgezeigt. Zu erkennen ist, dass die tägliche Heizleistung starken Fluktuationen unterliegt. In der Regel sinkt die Heizleistung während des Tages und steigt in den Abendstunden schnell und stark an.

Notwendige Heizleistung zur Aufrechterhaltung einer komfortablen Innenraumtemperatur in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur für die beiden betrachteten Mustergebäude bei unterschiedlichen energetischen Sanierungszuständen. Dargestellt sind die jeweiligen stündlichen Heizlasten.

Verglichen wird die notwendige stündlichen Heizleistung zur Aufrechterhaltung einer Innenraumtemperatur von mindestens 20°C in Abhängigkeit der Außentemperatur. Dieser direkte Vergleich ist in Abbildung zu sehen. Zukunftsorientierte, gedämmte Gebäude reduzieren die Spitzenlast im Winter um den Faktor 2 – 3 und vermindern neben dem Energieverbrauch für Wärme auch die benötigten Netzkapazitäten deutlich.

Gewählte Mustergebäude

Dass eine Sanierung durch einen besseren baulichen Wärmeschutz den Heizenergieverbrauch signifikant reduzieren kann, steht außer Frage. Wenig beachtet ist hingegen die damit verbundene Absenkung der notwendigen Heizlast. Vor allem bei Wärmepumpen bestimmt die notwendige Heizlast die aufzuwendenden Investitionskosten. Die Heizlast hat auch einen erheblichen Einfluss auf das Stromnetz. Zu große Spitzenlasten können das lokale Stromnetz überlasten. Niedrige Heizlasten, die aufgrund eines systemdienlichen Wärmeschutzes erreichbar sind, garantieren hingegen eine Netzstabilität.

Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Wärmepumpe und notwendiger Heizleistung werden instationäre thermische Berechnungen anhand zweier Typengebäude mit Hilfe der Software WUFI Plus durchgeführt. Dabei handelt es sich um ein freistehendes Einfamilienhaus im mittleren Qualitätssegment mit einer Wohneinheit. Die durchschnittliche Wohnungsgröße beträgt ca. 146 m². Das Mehrfamilienhaus in geschlossener Bebauung verfügt über Balkone. Die 6 Wohneinheiten (Zweispänner) grenzen, klassisch auf der Gebäudeachse liegend angeordnet, an ein beheiztes Treppenhaus an. Im Modell wird von einer beheizten Wohnfläche von ca. 335 m² ausgegangen. Beide Wohngebäude stammen aus den 1980er Jahren und erfüllen somit die damals geltenden Wärmeschutzverordnungen. In diesem Zustand ist die Annahme, dass die damals eingebauten Fenster bisher noch nicht ausgetauscht wurden. Auch alle anderen Außenbauteile sind noch im Originalzustand. Zum direkten Vergleich erfolgt eine systemische Sanierung auf das EH 70 Niveau.

Durchflussgeschwindigkeit des Heizungswassers in der Heizkörperanschlussleitung in Bezug auf die maximale Durchflussgeschwindigkeit für verschiedene Gebäude-Effizienzklassen und verschiedene Rohrdurchmesser. Im roten Bereich wird die maximale Durchflussgeschwindigkeit überschritten.

Bei üblichen (Außen-)Durchmessern der Heizkörperanschlussleitung von 12 bis 15 mm kommt es zu Überschreitungen der maximalen Durchflussgeschwindigkeit. Dies muss kein Ausschlusskriterium für den Einbau einer Wärmepumpe sein, da die zugrundeliegende Leistung auf die Normaußentemperatur bezogen ist, die per Definition nur selten herrscht. Es ist aber klar zu erkennen, dass dieses Problem bei den besseren Gebäude-Effizienzklassen deutlich weniger ausgeprägt ist.

Zuweisung der spezifischen Heizlast zu den Gebäude-Effizienzklassen

Die Abbildung zeigt die Durchflussgeschwindigkeit des Heizungswassers in der Heizkörperanschlussleitung relativ zur maximalen Durchflussgeschwindigkeit von 0,5 ms-1 für verschiedene Rohrdurchmesser und verschiedene Gebäude-Effizienzklassen. Der rote Bereich kennzeichnet eine Überschreitung der maximalen Durchflussgeschwindigkeit. Die zugrundeliegende Spreizung beträgt 10 K. Dies ist der empfohlene Maximalwert für Wärmepumpen, die mit Heizkörpern betrieben werden (bwp 2019). Bei einer geringeren Spreizung verschieben sich die Kurven zunehmend in den roten Bereich. Der Bezug zu den Gebäude-Effizienzklassen auf der Abszisse wurde über eine Zuweisung der spezifischen Heizlast hergestellt. Dieser Bezug kann nicht eindeutig mathematisch hergestellt werden, sondern orientiert sich an typischen Richtwerten.

 

Deckung der Heizlast mit verschieden überdimensionierten Heizkörpern in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur. Im roten Bereich wird die Heizlast nicht ausreichend abgedeckt.

Die Abbildung zeigt, dass der vorhandene Heizkörper mit 120% Leistung (bei 70°C Vorlauf) bei einer Absenkung der Vorlauftemperatur auf 60°C die Heizlast des Raumes nicht mehr abdeckt (roter Bereich). Wird er gegen einen Heizkörper mit 220% Leistung ausgetauscht, kann die Vorlauftemperatur bis 50°C gesenkt werden. Bei Austausch gegen einen Heizkörper mit 330% Leistung, wird der Raum auch bei einer Vorlauftemperatur von 43°C noch ausreichend warm. Diese Vorlauftemperaturen sind für den Betrieb einer Wärmepumpe gut geeignet.

Beispiele für Plattenheizkörper: Wenn Typ 21 im Ist-Zustand vorhanden ist, kann er durch Typ 33 gleicher Größe ausgetauscht werden, wodurch die Heizleistung auf 220% steigt, oder durch einen Typ 33, der 50% größer ist und die Leistung auf 330% steigert.

Die erste potenzielle Restriktion ergibt sich, weil die Wärmeabgabe von Heizkörpern sinkt, wenn die Vorlauftemperatur gesenkt wird. Wird die Vorlauftemperatur in einem Heizkreis gesenkt, damit die Wärmepumpe mit einer guten Effizienz arbeitet – z.B. von 70 auf 55°C –, so kann es sein, dass einzelne Räume nicht mehr ausreichend warm werden. In diesen Räumen sind nun die Wärmeverluste durch Wände, Fenster oder Lüftung größer als die Leistung des Heizkörpers. Diese kritischen Räume können durch eine Berechnung identifiziert werden. In der Regel ist es möglich, die vorhandenen Heizkörper durch größere mit höherer Leistung zu ersetzen. Dies können Heizkörper einer anderen Bauart sein (z.B. Plattenheizkörper Typ 33 statt Typ 21), Gebläsekonvektoren oder Heizkörper mit größeren Abmessungen, sofern die räumliche Situation dies zulässt. Die Frage ist, ob es eine Grenze beim Austausch von Heizkörpern gibt, durch die der Einbau einer Wärmepumpe verhindert wird. Dazu wird die Heizleistung von drei Heizkörpern in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur aufgezeichnet:

  • Ein Heizkörper, dessen Leistung bei 70°C Vorlauftemperatur die Heizlast des Raumes um 120% übersteigt (z.B. Typ 21),
  • ein Heizkörper, dessen Leistung bei 70°C Vorlauftemperatur die Heizlast des Raumes um 220% übersteigt (z.B. Typ 33 mit denselben Außenmaßen),
  • ein Heizkörper, dessen Leistung bei 70°C Vorlauftemperatur die Heizlast des Raumes um 330% übersteigt (z.B. Typ 33 mit 50% größeren Abmessungen).

Allgemeines Schema eines Heizkreises mit Begriffserklärung

Bestehen technische Hindernisse für den Einbau von Wärmepumpen in ungedämmten Altbauten? Es werden zwei mögliche Restriktionen untersucht, die sich aus dem großen Einfluss der Vorlauftemperatur auf die Effizienz von Wärmepumpe ergeben könnten:

  • Können die Heizkörper die gegebene Heizlast abdecken?
  • Können die Rohrleitungen die erforderliche Wärmemenge transportieren?

Zur besseren Orientierung zeigt die Abbildung die grundlegenden Elemente eines Heizkreises.

Wärmeschutzqualität der Bestandsgebäude mit Wärmepumpe, die am Feldtest teilgenommen haben (Quelle: ISE 2020)

Der Mythos, dass Wärmepumpen nur in Neubauten und in Kombination mit einer Fußbodenheizung installiert werden können, ist überwunden. 2020 wurden rund 50.000 Wärmepumpen in Bestandsgebäuden eingebaut (dena 2021b). In einem Feldtest des Fraunhofer Instituts ISE wurden ausschließlich Wärmepumpen in Bestandsgebäuden untersucht. 13 von 41 Anlagen wurden dabei zu 100% mit Heizkörpern betrieben. Weitere 12 Anlagen wurden zu 50% oder mehr mit Heizkörpern betrieben (ISE 2020). Die Gebäude waren überwiegend teilsaniert. Die Abbildung zeigt die Wärmedurchgangskoeffizienten der Bauteile und einen Gebäudekennwert, der etwa dem hüllflächenspezifischen Transmissionswärmetransferkoeffizienten (Ht´) im Energieausweis entspricht. Der Heizwärmebedarf der Gebäude weist eine hohe Bandbreite zwischen 40 und 130 kWh/m²a auf. Die meisten Gebäude sind etwa auf dem Wärmeschutzniveau der 3. Wärmeschutzverordnung von 1995. In dem Feldtest ist jedoch kein ungedämmter Altbau aus der Zeit vor 1978 dabei.

Vergleich der Heizkosten von Gasheizungen und Wärmepumpen im Jahr 2022 für ein Einfamilienhaus und eine Wohnung

In dieser Abbildung sind die Heizkosten der Gasheizungen und Wärmepumpen aus dem Jahr 2022 gegenübergestellt. Es ist besonders auffällig, dass die Heizkosten der Wärmepumpe im Einfamilienhaus bei den besseren Effizienzklassen niedriger sind als bei der Gasheizung, bei den schlechteren Effizienzklassen aber stark ansteigen und die Gasheizungen überholen. Dieser Effekt wird durch die geringeren Jahresarbeitszahlen bei den schlechteren Gebäuden verursacht. Er führt dazu, dass der ohnehin höhere Verbrauch der ungedämmten Gebäude zusätzlich durch eine geringe Effizienz der Wärmepumpe gehebelt wird. Auch wenn Wärmepumpen bislang in der Regel nicht in Gebäuden der Klassen G und H installiert werden, muss dieser Effekt trotzdem auch in Zukunft beachtet werden, wenn jährlich 500.000 Wärmepumpen installiert werden sollen (BMWK 2022a) (siehe dazu auch Kapitel 4.3). Positiv formuliert führt der Synergieeffekt von Wärmeschutz und Wärmepumpe dazu, dass durch eine Senkung des Heizwärmebedarfs um 18% (zum Beispiel von Klasse G auf F) die Heizkosten um 37% senkt.

Heizkosten nach Effizienzklasse 2022 und vor Ausbruch des Ukraine-Kriegs für Gasheizungen und Wärmepumpen für ein Einfamilienhaus und eine Wohnung (Annahme Wärmepumpen: Haushaltstarif)

Durch diesen Vergleich wird deutlich, dass die Mehrkosten durch den Krieg in der Ukraine die Bewohner von ineffizienten Gebäuden wesentlich stärker treffen als Bewohner von gut gedämmten Gebäuden. Die Mehrkosten sind in den schlechten Gebäuden 6- bis 10-mal höher.

Die Unterschiede zwischen Gasheizungen und Wärmepumpen gehen zum einen auf die unterschiedlichen Preispfade 2022 bei Erdgas und Strom zurück, zum anderen auf die verschiedenen Ausgangssituationen in den vorangegangenen Jahren. So sind die Kosten für die Wärmepumpen bei den gewählten Rahmenbedingungen etwas höher als bei der Gasheizung (es wurde mit dem Haushaltstarif gerechnet und nicht mit einem Wärmepumpentarif).

Energiekosten für Raumwärme und Warmwasser nach Effizienzklasse für verschiedene Wärmeerzeuger und Gebäudegrößen

Die Abbildung zeigt die Heizkosten 2022 (ohne Dezember) für ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 160 m² und einer Wohnung mit 75 m² in einem Mehrfamilienhaus. Dargestellt sind jeweils die Kosten für die Beheizung mit Erdgas, mit einer Luft-Wärmepumpe sowie verschiedene Effizienzklassen und Energieträger.

Energiekosten für Raumwärme und Warmwasser nach Effizienzklasse, für verschiedene Wärmeerzeuger und Gebäudegrößen

Die Abbildung zeigt die monatlichen Energiekosten für ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 160 m² und eine Wohnung mit 75 m² in einem Mehrfamilienhaus. Dargestellt sind jeweils die Kosten bei Beheizung mit einem Brennwert-Kessel mit Erdgas und einer Luft-Wärmepumpe. Bei der Berechnung wurde berücksichtigt, dass die Bewohner von ineffizienten Gebäuden sich sparsamer verhalten als Bewohner von effizienten Gebäuden. Dazu wurde der Energiebedarf der Effizienzklassen in einen typischen Energieverbrauch umgerechnet, der bei diesem energetischen Standard zu erwarten ist. Grundlage für die Umrechnung ist eine empirische Auswertung von Energiebedarfs- und Verbrauchsausweisen des Instituts Wohnen und Umwelt (IWU 2015). Der Jahresverbrauch wurde mit Hilfe von monatlichen Heizgradtagen auf die einzelnen Monate verteilt und mit den aktuellen Energiepreisen der jeweiligen Monate multipliziert (Verivox 2022a und b). Der Monat Dezember wurde dabei ausgespart, weil noch keine Preisdaten vorlagen.

Die dargestellten Kosten entsprechen nicht den Heizkostenabschlägen, wie sie von den Bewohnern zu zahlen sind, sondern zeigen, in welchem Monat welche Kosten tatsächlich entstehen. Es ist deutlich zu erkennen, dass in den Wintermonaten hohe Heizkosten anfallen, während im Sommer nur die Warmwasserbereitung zu bezahlen ist. Die Farben stellen die verschiedenen Gebäude-Effizienzklassen nach dem Gebäudeenergiegesetz (GEG) dar. Hier zeigen sich große Bandbreiten während der Heizperiode. Wie zu erwarten, betragen die Heizkosten in den schlechteren Effizienzklassen ein Vielfaches derer in den guten Klassen. Der Unterschied zwischen dem Einfamilienhaus (linke Grafiken) und der Wohnung im Mehrfamilienhaus (rechte Grafiken) geht in erster Linie auf die größere Wohnfläche im Einfamilienhaus zurück. Beim Vergleich der Gasheizung (obere Grafiken) mit der Wärmepumpe (untere Grafiken) fällt die größere Bandbreite zwischen den Effizienzklassen auf. Bei genauerem Hinsehen ist zu erkennen, dass die Wärmepumpe in den guten Effizienzklassen geringere Heizkosten verursacht als die Gasheizung, bei den schlechteren Effizienzklassen aber teurer ist.

Beispielhafte Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Gebäude-Effizienzklasse

Der starke Abfall der Jahresarbeitszahl in den schlechteren Effizienzklassen wird deutlich. Die Effizienz der Wärmepumpe ist in der schlechtesten Gebäudeklasse H um 36% geringer als in Klasse A+. Dies wirkt sich linear auf die Treibhausgasemissionen und die Heizkosten aus, die dann entsprechend höher sind.

Beispielhafte Berechnung der Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 für verschiedene Gebäude-Effizienzklassen inklusive der maßgebenden Eingangsparameter

Die Jahresarbeitszahlen für den Heizbetrieb und die Warmwasserbereitung werden mit den angegebenen Parametern und Korrekturfaktoren berechnet. Der Wert für die Warmwasserbereitung ist unabhängig von der Effizienzklasse und daher in allen Klassen konstant.

Für die Effizienzklassen A+, A und B wird unterstellt, dass die Gebäude nur durch die Wärmepumpen beheizt werden können. Ab Klasse C wird bei kalter Witterung zusätzlich ein Heizstab einspringen. Der Leistungsanteil der Wärmepumpe bei Normaußentemperatur gibt an, wie viel die Wärmepumpe an besonders kalten Tagen zur Wärmeerzeugung beiträgt. Der verbleibende Rest wird mit einem Heizstab bereitgestellt. Aus diesen Angaben wird der Deckungsanteil der Wärmepumpe nach VDI 4650 berechnet.

Die Jahresarbeitszahlen für Heizung und Warmwasser werden entsprechend ihrer jeweiligen Anteile gewichtet und zur Gesamt-Jahresarbeitszahl verrechnet. Da der Warmwasserbedarf unabhängig von der Effizienzklasse des Gebäudes konstant ist, hat er in gut gedämmten Gebäuden einen hohen Anteil am Gesamtwärmebedarf. Die Gesamt-Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe ist für alle Effizienzklassen in der letzten Zeile dargestellt.

Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur (gemessene Werte, eigene Darstellung, Quelle: Fraunhofer ISE 2020)

Ein wesentlicher Einfluss auf die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen ist die Vorlauftemperatur – also die Temperatur, die die Wärmepumpe dem Haus zur Verfügung stellt. Sie kann nicht frei gewählt werden, sondern ergibt sich aus

  • den Wärmeverlusten des Gebäudes, und
  • der Leistungsfähigkeit der Heizkörper oder der Fußbodenheizung.

Je niedriger die Vorlauftemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Dieser Zusammenhang ist in der Abbildung dargestellt mit gemessenen Werten aus einem Feldtest des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE). Die Abbildung zeigt ebenfalls, dass Wärmepumpen, die Luft als Wärmequelle nutzen, grundsätzlich eine geringere Jahresarbeitszahl haben als solche, die das Erdreich nutzen. Die Abbildung zeigt: bei höheren Vorlauftemperaturen fällt die Effizienz deutlich ab, was zu höheren Kosten und Treibhausgasemissionen führt.

Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur (berechnet nach VDI 4650)

Ein wesentlicher Einfluss auf die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen ist die Vorlauftemperatur – also die Temperatur, die die Wärmepumpe dem Haus zur Verfügung stellt. Sie kann nicht frei gewählt werden, sondern ergibt sich aus

  • den Wärmeverlusten des Gebäudes, und
  • der Leistungsfähigkeit der Heizkörper oder der Fußbodenheizung.

Je niedriger die Vorlauftemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Dieser Zusammenhang ist in der Abbildung mit berechneten Werten aus einem Feldtest des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE). Die Abbildung zeigt ebenfalls, dass Wärmepumpen, die Luft als Wärmequelle nutzen, grundsätzlich eine geringere Jahresarbeitszahl haben als solche, die das Erdreich nutzen. Die Abbildung zeigt: bei höheren Vorlauftemperaturen fällt die Effizienz deutlich ab, was zu höheren Kosten und Treibhausgasemissionen führt.

Das politische Ziel, formuliert im Koalitionsvertrag von 2021, wird zu einem deutlich veränderten Stromnetz führen.

Dadurch, dass der Zeitpunkt der höchsten elektrischen Last nicht mehr deckungsgleich mit der höchsten Stromproduktion ist, muss der Ausbau der Infrastruktur vorausschauend und parallel zur Wärmepumpen-Offensive erfolgen. Gebäude mit einem guten Wärmeschutz senken den Strombedarf und die Spitzen im Winter erheblich. Vor allem Gebäude, die heute noch nicht für den Einbau von Wärmepumpen vorbereitet sind, müssen vorausschauend entsprechend energetisch ertüchtigt werden. Wärmepumpen sollten heute vor allem in Gebäuden vorrangig eingebaut werden, die schon über einen guten Wärmeschutz verfügen. Wärmepumpen selbst sollten verpflichtend netzdienlich sein und über Regelalgorithmen verfügen, die einen aus Energiewirtschaftlicher Sicht sinnvollen Betrieb gewährleisten.

Die notwendigen Instrumente der Bundesregierung zum Erreichen des Ziels einer klimaneutralen Gesellschaft im Jahre 2045 sind klar und eindeutig im Koalitionsvertrag aus dem Jahr 2021 formuliert. Neben der notwendigen Installation von 5 – 6 Millionen Wärmepumpen bis zum Jahr 2030 sollen 15 Millionen vollelektrisierte Personenfahrzeuge sowie 1 Million öffentliche Ladepunkte in diesem Zeitraum hinzukommen. Durch Elektroautos und Elektrifizierung der Gebäude wird der Strombedarf deutlich steigen. Die zunehmende Abhängigkeit von Strom wird neue Anforderungen an das Stromsystem stellen. Viele Verbraucher erzeugen oder speichern außerdem ihren Strom vor Ort, so dass Stromflüsse im Stromnetz immer häufiger in beide Richtungen gehen. Das wird voraussichtlich sehr schnell zu einer bedeutenden, bisher kaum beachteten zusätzlichen elektrischen Lastendiskussion führen.

Elektrische Beheizungssysteme werden die Hauptlast des Strombedarfs in den Winter schieben. Das bedeutet für das Stromnetz nicht nur mehr Windräder und PV-Anlagen, sondern ein völlig anderes System. Die Frage, wann wir den Strom brauchen, und die Wechselwirkung zwischen Netz und Gebäude stehen immer mehr im Vordergrund.

 

Zielkompatible Gebäude setzen ein Zusammenspiel von Stromnetz, effizienter Gebäudehülle und netzdienlichen Wärmepumpen voraus.

Im Jahr 2030 darf der Gebäudesektor nur noch 67 Mio. Tonnen Treibhausgase ausstoßen – 42% weniger als in 2021. Wie ambitioniert die Klimaschutzziele sind, wird bei Szenarioberechnungen klar. Dabei zeigt sich, dass es absehbar nur wenige Alternativen bei der Heizungstechnik geben wird – vor allem Wärmepumpen und Wärmenetze. Allerdings wird auch ein sehr ambitionierter Hochlauf dieser beiden Technologien nicht ausreichen, um die Ziele für den Gebäudesektor zu erreichen. Der Wärmeverbrauch muss ebenfalls deutlich gesenkt werden. Nur so gelingt es, möglichst viele Gebäude, die noch nicht Erneuerbar heizen, mit der noch „erlaubten“ Menge fossiler Energieträger zu versorgen. Je schlechter der Wärmeschutz im Jahr 2030 ist, umso weniger Gebäude können mit dem verbleibenden Erdgas und Heizöl beheizt werden und umso mehr Wärmepumpen müssen installiert werden. Sanierungen müssen möglichst rasch auf das Wärmeschutzniveau der Einzelmaßnahmen der BEG-Förderung oder besser kommen. Dann werden knapp 6 Mio. Wärmepumpen ausreichen, wie in der Wärmepumpen-Offensive vorgesehen. Steigen die Sanierungsanforderungen nur auf das Niveau eines Effizienzhauses-70 – wie im Koalitionsvertrag angekündigt – brauchen wir schon 8 Mio. Wärmepumpen im Jahr 2030. Dazu müsste heute schon jeder neu eingebaute Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe sein.

Wechselwirkung zwischen Netz und Gebäude: gut gedämmte Gebäude können die Spitzen der Heizlast in die „günstigeren“ Stunden verschieben

Durch den massiven Ausbau elektrischer Beheizungssysteme wird die Hauptlast des Strombedarfs in den Winter verschoben. Diese neue und veränderte Nachfrage wird Investitionen in Kapazitäten sowie in die Übertragungs- und Verteilungsinfrastruktur erfordern. Ein besserer baulicher Wärmeschutz senkt den Heizenergieverbrauch und damit die Anzahl notwendiger Windräder und PV-Anlagen signifikant.

Doch nicht nur die Menge an Strom, sondern die Frage, wann brauchen wir wieviel Strom und die Wechselwirkung zwischen Netz und Gebäude steht immer mehr im Vordergrund. Bisher wenig beachtet ist hingegen die verbundene Absenkung der notwendigen Heizlast durch effiziente Gebäude. Vor allem bei Wärmepumpen bestimmt die notwendige Heizlast die aufzuwendenden Investitionskosten. Die Heizlast hat auch einen erheblichen Einfluss auf das Stromnetz. Zu große Spitzenlasten können das lokale Stromnetz überlasten. Niedrige Heizlasten, die aufgrund eines systemdienlichen Wärmeschutzes erreichbar sind, garantieren hingegen eine Netzstabilität. Das Zusammenspiel aus Nachfrageflexibilität und Energieeffizienzpotenzial könnte die erforderlichen zusätzlichen Investitionen erheblich reduzieren.

Die Abb. veranschaulicht, wie Effizienz, Erzeugung, Lastverschiebung kombiniert werden können, um die Heizlast eines Gebäudes zu senken. Sie zeigt auch, wie diese koordinierten Mechanismen zur Flexibilisierung der Nachfrage beitragen. Eine wesentliche Voraussetzung ist, dass das Gebäude über eine gut gedämmte und luftdichte Hülle und ein effizientes Heiz- und Lüftungssystem zur Reduzierung des Energiebedarfs verfügt. Damit verbunden sind geringere Energiekosten und reduzierte THG-Emissionen. Zusätzliche kann so, ohne Komforteinbußen, durch Lastverschiebung die Nachfragekurve eines Gebäudes gemildert werden, d.h. der Energieverbrauch wird von Spitzenzeiten auf anderen Zeiten verlagert, um sowohl die Kosten (bei tageszeitabhängigen Stromtarifen) als auch die Netzbelastung zu senken. Lasten können auch FIW & ifeu = Wärmeschutz und Wärmepumpe – warum beides zusammengehört = 9 verschoben werden, um ein besseres Ausnutzen der volatilen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien zu gewährleisten. In ungedämmten Gebäude sinkt die Raumtemperatur innerhalb von 2-3 Stunden deutlich unter das Komfortkriterium, bei Gebäuden mit einem ausreichenden Wärmeschutz sind Sperrzeiten von bis zu einem halben Tag ohne weiteres überbrückbar. Das heißt, dass der Einbau netzdienlicher Wärmepumpen in Kombination mit einer korrespondierenden Gebäudehülle und Energieerzeugung vor Ort (Solardachpflicht) netzeffiziente Gebäude ermöglicht und so aus energiewirtschaftlicher Sicht sinnvoll sind.

Häufigkeitsverteilung der Effizienzklassen im deutschen Wohngebäudebestand (Quelle LTRS 2020)

Das bedeutet:

  • Die Gebäude müssen im ersten Schritt (vor Einbau einer Wärmepumpe) mindestens Niedertemperaturready sein, um die technische Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.
  • Perspektivisch müssen die Gebäude energetisch mindestens auf das Niveau der Einzelmaßnahmenförderung in der BEG modernisiert werden, weil sonst die Energiekosten „weglaufen“ und das Angebot an Erneuerbarer Energie nicht für alle Gebäude reicht.
  • Eine weitergehende energetische Modernisierung ist für Gebäudeeigentümer und das Stromnetz vorteilhaft, sollte aber im Ermessen der Hausbesitzer bleiben (kein Ordnungsrecht).

 

Ausblick

Gebäudeeffizienz ist der Türöffner für Erneuerbare Energien. Heizungsanlagen laufen effizienter, wertvolle Erneuerbare Ressourcen werden geschont, wenn Gebäude gut gedämmt sind. Gedämmte Gebäude sind robuster und resilienter gegenüber Störungen und Fehlbedienungen. Sie entlasten Strom- und Wärmenetze, weil sie Lastspitzen kappen können. Die graue Energie der Dämmstoffe amortisiert sich innerhalb weniger Jahre und bereitet den Weg zu klimaneutralen Gebäuden in den kommenden Jahrzehnten.

Vorschlag für die grafische Einbindung von NT-ready in den iSFP

NT-ready kann in den verschiedenen Politikinstrumenten unterstützend eingebracht werden. Es bietet einen eindeutig und rechtssicher definierbaren Standard. Als Zwischenschritt auf dem Weg zur Klimaneutralität gibt es Orientierung. In der Kommunikation führen leicht zu erreichende Teilerfolge zu einer positiven Belegung und Motivation der Akteure. Vorgeschlagen wird ein Paket aus drei Maßnahmen, die sich gegenseitig verstärken.

Einbindung von NT-ready:

  1. Integration der NT-Readiness in den individuellen Sanierungsfahrplan,
  2. Erweiterung der Förderung im BEG um die Elemente der NT-Readiness,
  3. Einführung einer NT-Readiness-Anforderung in einer zukünftigen Novelle des GEG.

Sanierungsfahrplan: NT-ready kann am besten mit einer gezielten Planung erreicht werden. Damit ergänzt es sich ideal mit dem individuellen Sanierungsfahrplan (iSFP). NT-ready bereichert den iSFP um ein wichtiges Zwischenziel. Andersherum ist der iSFP das geeignete Beratungsinstrument, um NT-ready in die langfristige Planung der Gebäudeeigentümer zu integrieren.

Treibhausgas-Emissionen durch Modernisierungsmaßnahmen und durch den Betrieb der Heizungsanlage

Der Energiebedarf für Herstellung, Montage, Transport und Entsorgung der Dämmstoffe – die sogenannte „graue Energie“ – wird regelmäßig in die Diskussion gebracht, wenn es um zukunftsweisende Dämmstandards geht. Graue Energie ist ein wichtiger Aspekt, sie muss aber im Gesamtzusammenhang betrachtet werden. Daher wird die graue Energie für die Dämmung eines konkreten Einfamilienhauses berechnet und der Energieeinsparung gegenübergestellt.

In der Abbildung gibt es in der nicht modernisierten Variante nur den THG-Ausstoß des ÖlHeizkessels. Wird dasselbe Gebäude mit einem Wärmedämm-Verbundsystem gedämmt und eine Wärmepumpe eingebaut, kommen Emissionen durch die graue Energie des Dämmstoffs hinzu. Die Emissionen sinken gegenüber dem nicht gedämmten Zustand dennoch um rund 50%. Wird das Gebäude zu einem Effizienzhaus 55 mit Wärmepumpe umgebaut, halbieren sich die Gesamtemissionen noch einmal. Die graue Energie der Sanierung macht in diesem Fall 19% der Gesamtemissionen aus. Davon entfallen 8 Prozentpunkte auf die Dämmstoffe. Der Einsatz dieser grauen Energie bewirkt eine Emissionsminderung um 76%.

Häufigkeit von Problemen, die aus der Sanierungspraxis berichtet wurden und die durch bessere Dämmung vermindert worden wären

Die Berechnungsergebnisse wurden durch Erfahrungen aus der Praxis bestätigt: 13 Energieberater*innen haben sich auf einen Aufruf in der Fachzeitschrift Gebäude Energieberater gemeldet. Sie berichteten von Problemen, die bei der Sanierung häufiger auftreten. Sie haben bestätigt, dass die Fehleranfälligkeit und Robustheit der Gebäude häufig eng an den Dämmstandard gekoppelt sind. Die Frage, ob die aufgetretenen Probleme durch eine bessere Dämmung abgemildert worden wären, haben fast alle mit ja beantwortet.

Elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe in einem Einfamilienhaus bei einer Raumtemperatur von 23°C für verschiedene Dämmstandards

Gedämmte Gebäude reagieren auch weniger sensibel auf Fehlbedienung, Regelungsdefekte oder extremes Nutzerverhalten. Abbildung 7 zeigt stellvertretend die elektrische Leistungsaufnahme einer Wärmepumpe, wenn die Raumtemperatur auf 23°C eingestellt ist. Ein defekter Sensor oder falsche Regelungseinstellungen können sich in ähnlicher Weise auswirken. Die Wärmeverluste des ungedämmten Gebäudes steigen stark an und erfordern hohe Vorlauftemperaturen, um die Raumtemperatur aufrechtzuerhalten. Die Vorlauftemperaturen drücken wiederum auf die Effizienz der Wärmepumpe. Sie läuft während der Heizperiode praktisch pausenlos mit einer hohen Leistungsaufnahme zwischen sieben und acht Kilowatt. Die Effekte der hohen Raumtemperatur werden verstärkt und führen zu einem überproportional hohen Energieverbrauch. Schon die Dämmung der Außenwand hat einen dämpfenden Effekt und bewirkt annähernd eine Halbierung der Leistungsaufnahme. Im Effizienzhaus 55 ist die Leistungskurve nochmals niedriger. Hohe Raumtemperaturen erhöhen zwar auch hier die Wärmeverluste, aber in einem weit geringeren Maß, so dass die Heizungstechnik weitgehend im Normalbetrieb funktioniert.

Auskühlungsdauer von 20°C auf 18°C in Stunden bei Abschaltung der Heizung bei verschiedenen Außentemperaturen

Die Auskühlungsdauern in der Tabelle zeigen, dass ein nicht modernisiertes Gebäude weit empfindlicher auf eine Abschaltung der Heizungsanlage reagiert als ein teil- oder vollmodernisiertes. Die hohe Speicherfähigkeit gedämmter Gebäude bewirkt, dass sie auch bei technischen Ausfällen noch lange bewohnbar bleiben und verschafft den Energieversorgern wertvolle Flexibilität.

Auskühlung eines Einfamilienhauses in verschiedenen Dämmzuständen während der kältesten Wintertage

Wenn die Heizung nicht läuft, kühlt ein Gebäude aus. Die Dämmung der Gebäudehülle bestimmt ganz wesentlich, wie schnell oder langsam dies geschieht. Eine langsame Auskühlung – oder andersherum formuliert eine hohe Speicherfähigkeit – bietet viele Vorteile: bei Defekten oder Arbeiten an der Heizung, aber auch für die Strom- und Wärmenetze. Beide müssen mittelfristig auf Erneuerbare Energien umgestellt werden und die unterliegen gewissen Schwankungen. Der ungünstigste Fall ist die sogenannte „kalte Dunkelflaute“ – Wind und Sonne liefern keine Energie und gleichzeitig ist der Bedarf hoch. Ähnlich wie schon in Abbildung 1 gezeigt, tritt dieser Fall zwar selten ein, aber er bestimmt die Auslegung der Versorgungssysteme. Der Strom für die Deckung der dann auftretenden Lastspitzen war 2020 rund dreimal so teuer wie der normale Strom (EWI 2020). Gebäude mit hoher Speicherfähigkeit können die Strom- und Wärmenetze entlasten, indem die Wärmeerzeuger in kritischen Zeiten abgeschaltet werden. Die Tarife für Wärmepumpen sehen solche Abschaltungen durch den Stromversorger während der Hochlastzeiten vor.

Eine Gebäudesimulation zeigt, wie lange es dauert, bis die Raumtemperatur in einem Einfamilienhaus von 20 auf 18°C absinkt. Dies wurde untersucht für einen besonders kalten Zeitraum mit Außentemperaturen bis -10°C und einen zweiten Zeitraum mit durchschnittlichen Außentemperaturen während der Heizperiode von rund 7°C. Abbildung 6 zeigt die Auskühlungskurven für drei verschiedene Dämm-Standards desselben Einfamilienhauses: ungedämmt, Teilmodernisierung mit einem „mittleren“ Wärmedämm-Verbundsystem (WDVS) und Effizienzhaus 55-Standard.

Beispielhafte Abfolge einer Gebäudesanierung: gezielte Vorbereitung mit NT-ready-Maßnahmen, Wechsel zu Erneuerbaren Energien, klimaneutrales Gebäude in der Zukunft

  1. Ist-Zustand Dach und oberste Geschossdecke wurden bereits im Jahr 2010 gedämmt. Unter der Kellerdecke gibt es eine alte, dünne Dämmung. Die Heizkörper sind großzügig dimensioniert; eine Vorlauftemperatur von 63°C wäre ausreichend, jedoch hat das bisher niemand detailliert berechnet und so läuft die Heizung mit 70°C.
  2. Dämmung der Außenwand Die Fassade ist nach 44 Jahren unansehnlich und soll erneuert werden. Bei dieser Gelegenheit wird gleich ein Wärmedämm-Verbundsystem aufgebracht. Im Zuge der BEG-Förderung musste auch ein hydraulischer Abgleich durchgeführt werden. Eine Vorlauftemperatur von 57°C reicht nun aus.
  3. Optimierung der Wärmeverteilung Der hydraulische Abgleich ergibt, dass der Heizkörper im Bad die Höhe der Vorlauftemperatur vorgibt. Er wird gegen einen hohen Handtuchtrockner ausgetauscht. Die Heizkörper werden an den Thermostatventilen abgeglichen, Heizungsregelung und Pumpe auf die neuen Vorgaben eingestellt. Die Vorlauftemperatur sinkt auf 53°C; das Gebäude ist jetzt NT-ready.
  4. Einbau einer Wärmepumpe Die nächste Chance zum Umstieg auf Erneuerbare Energien wird genutzt. Die Wärmepumpe läuft nur mit einer JAZ von 2,8, aber stößt damit schon 30% weniger CO2 aus als ein Gasbrennwertkessel. Durch den künftig immerweiter wachsendenAnteil von Erneuerbarem Strom steigen die Einsparungen jährlich weiter.
  5. Klimaneutrales Gebäude In den verbleibenden Jahren bis 2045 werden weitere Instandhaltungserfordernisse genutzt, um das Gebäude vollständig zu dämmen. Nun kann die Vorlauftemperatur auf 41°C gesenkt werden und die JAZ der Wärmepumpe steigt auf effiziente 3,4.

Sortierte Außentemperaturen im Jahresverlauf (eigene Darstellung auf Basis DWD)

Heizungsplaner legen die Anlagen so aus, dass alle Räume auch am kältesten Tag des Jahres warm werden. Die Berechnungsnorm DIN EN 12831 gibt für alle Postleitzahlenbereiche in Deutschland die jeweiligen Auslegungsaußentemperaturen vor. Sie stellen den Zwei-Tages-Mittelwert der neun kältesten Tage in den Jahren 1995 bis 2012 dar. Weil die Heizungsanlagen auf diese seltenen Außentemperaturen ausgelegt sind, sind sie für durchschnittlich kalte Wintertage überdimensioniert. Die Heizungsregelungen reagieren darauf, indem sie die Vorlauftemperatur entsprechend absenken. Das bedeutet, die Heizungsanlagen laufen über 97% der Zeit mit deutlich geringeren Temperaturen.

Einordnung von NT-ready in den Pfad zum klimaneutralen Gebäude

Grundsätzlich muss die Wärmeverteilung immer an den Wärmebedarf angepasst werden – nicht andersherum. Daher ist es stets sinnvoll, den Weg zum NT-ready-Standard mit DämmMaßnahmen zu beginnen.

Zwei Handlungsfelder für NT-ready: Dämm-Maßnahmen und Wärmeverteilung

Die Vorlauftemperatur einer Heizung hängt von zwei Größen ab:

  • von der Heizlast der Räume Das ist die benötigte Leistung, damit der Raum am kältesten Tag warm bleibt. Sie ist abhängig von der Fläche und der Dämmung der Außenflächen.
  • von der Heizleistung der Heizkörper Das ist die Wärmemenge, die ein Heizkörper oder eine Flächenheizung an den Raum abgeben. Sie ist abhängig von der Heizkörperart und -größe.

 

Jahresarbeitszahlen in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur (eigene Darstellung auf Basis Fraunhofer ISE)

Wärmepumpen nutzen Umweltwärme aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser mit Temperaturen zwischen -2 und 12°C. Sie heben diese niedrigen Temperaturen unter Einsatz von Strom auf ein Temperaturniveau, das für Heizung und Warmwasserbereitung nutzbar ist, an. Je höher sie die Temperatur anheben müssen, desto mehr Strom brauchen sie dafür. Das Verhältnis von erzeugter Wärme zu eingesetztem Strom wird als Jahresarbeitszahl (JAZ) bezeichnet. Je höher die JAZ, desto effizienter läuft die Wärmepumpe.

In einem Forschungsprojekt wurden 56 reale Wärmepumpen vermessen (Fraunhofer ISE 2020). Abbildung 2 zeigt die gemessenen JAZ in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur. Es wird deutlich, dass die höchsten JAZ bei den niedrigen Temperaturen erreicht werden. Die Grafik zeigt aber auch, dass Wärmepumpen technisch gesehen auch mit höheren Temperaturen betrieben werden können, wobei eine JAZ von 2,0 einen doppelt so hohen und damit meist unwirtschaftlichen Stromverbrauch bedeutet wie eine JAZ von 4,0.

Häufigkeitsverteilung der Effizienzklassen im deutschen Wohngebäudebestand (Quelle LTRS 2020)

Das bedeutet:

 Die Gebäude müssen im ersten Schritt (vor Einbau einer Wärmepumpe) mindestens Niedertemperaturready sein, um die technische Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.

 Perspektivisch müssen die Gebäude energetisch mindestens auf das Niveau der Einzelmaßnahmenförderung in der BEG modernisiert werden, weil sonst die Energiekosten „weglaufen“ und das Angebot an Erneuerbarer Energie nicht für alle Gebäude reicht.

 Eine weitergehende energetische Modernisierung ist für Gebäudeeigentümer und das Stromnetz vorteilhaft, sollte aber im Ermessen der Hausbesitzer bleiben (kein Ordnungsrecht).

Wechselwirkung zwischen Netz und Gebäude: gut gedämmte Gebäude können die Spitzen der Heizlast in die „günstigeren“ Stunden verschieben

Durch den massiven Ausbau elektrischer Beheizungssysteme wird die Hauptlast des Strombedarfs in den Winter verschoben. Diese neue und veränderte Nachfrage wird Investitionen in Kapazitäten sowie in die Übertragungs- und Verteilungsinfrastruktur erfordern. Ein besserer baulicher Wärmeschutz senkt den Heizenergieverbrauch und damit die Anzahl notwendiger Windräder und PV-Anlagen signifikant.

Doch nicht nur die Menge an Strom, sondern die Frage, wann brauchen wir wieviel Strom und die Wechselwirkung zwischen Netz und Gebäude steht immer mehr im Vordergrund. Bisher wenig beachtet ist hingegen die verbundene Absenkung der notwendigen Heizlast durch effiziente Gebäude. Vor allem bei Wärmepumpen bestimmt die notwendige Heizlast die aufzuwendenden Investitionskosten. Die Heizlast hat auch einen erheblichen Einfluss auf das Stromnetz. Zu große Spitzenlasten können das lokale Stromnetz überlasten. Niedrige Heizlasten, die aufgrund eines systemdienlichen Wärmeschutzes erreichbar sind, garantieren hingegen eine Netzstabilität. Das Zusammenspiel aus Nachfrageflexibilität und Energieeffizienzpotenzial könnte die erforderlichen zusätzlichen Investitionen erheblich reduzieren.

Die Abbildung veranschaulicht, wie Effizienz, Erzeugung, Lastverschiebung kombiniert werden können, um die Heizlast eines Gebäudes zu senken. Sie zeigt auch, wie diese koordinierten Mechanismen zur Flexibilisierung der Nachfrage beitragen. Eine wesentliche Voraussetzung ist, dass das Gebäude über eine gut gedämmte und luftdichte Hülle und ein effizientes Heiz- und Lüftungssystem zur Reduzierung des Energiebedarfs verfügt. Damit verbunden sind geringere Energiekosten und reduzierte THG-Emissionen. Zusätzliche kann so, ohne Komforteinbußen, durch Lastverschiebung die Nachfragekurve eines Gebäudes gemildert werden, d.h. der Energieverbrauch wird von Spitzenzeiten auf anderen Zeiten verlagert, um sowohl die Kosten (bei tageszeitabhängigen Stromtarifen) als auch die Netzbelastung zu senken. Lasten können auch verschoben werden, um ein besseres Ausnutzen der volatilen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien zu gewährleisten. In ungedämmten Gebäude sinkt die Raumtemperatur innerhalb von 2-3 Stunden deutlich unter das Komfortkriterium, bei Gebäuden mit einem ausreichenden Wärmeschutz sind Sperrzeiten von bis zu einem halben Tag ohne weiteres überbrückbar. Das heißt, dass der Einbau netzdienlicher Wärmepumpen in Kombination mit einer korrespondierenden Gebäudehülle und Energieerzeugung vor Ort (Solardachpflicht) netzeffiziente Gebäude ermöglicht und so aus energiewirtschaftlicher Sicht sinnvoll sind.