Schlagwort: Wärmepumpen

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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

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. “

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.

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.

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)

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.