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.
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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)
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.
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.
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.
Häufigkeitsverteilung der Effizienzklassen im deutschen Wohngebäudebestand (Quelle LTRS 2020)
Das bedeutet:
- Die Gebäude müssen im ersten Schritt (vor Einbau einer Wärmepumpe) mindestens Niedertemperatur-Ready 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).
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). Die Abbildung zeigt die gemessenen JAZ in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur. Es wird deutlich, dass die höchsten JAZ bei den niedrigsten Vorlauftemperaturen 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.