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Sonne Wind & Wärme
Renais­sance der Wärme­pumpe

erschienen in Sonne Wind & Wärme 09/2006 S.28-31

In Zeiten stei­gender Öl­preise erobert die Wärme­pumpe kontinuier­lich Markt­anteile von fossilen Heizungssystemen. Wärmepumpen gelten zwar generell als umweltfreundlich, doch nicht alle erfüllen die dafür notwendigen Voraussetzungen.

Durch den extremen Anstieg der Öl- und Gaspreise in den vergangenen Jahren geht der Trend im Heizungsbereich mehr und mehr zu alternativen Heizungssystemen wie Pelletsheizungen, solarthermische Anlagen und Wärmepumpen. In den 1970er Jahren, nach den ersten Ölpreiskrisen, erlebte die Wärmepumpe schon einmal in Deutschland einen Boom. Doch aufgrund technischer Probleme, sinkender Ölpreise und mangelnder Umweltverträglichkeit schrumpfte der Markt bis Ende der 1980er Jahre wieder. So war die Umweltbilanz der ersten Wärmepumpen durch schlechte Leistungszahlen und den Einsatz von Ozonschicht zerstörenden FCKW als Kältemittel meist sogar schlechter als von konventionellen Öl- oder Gasheizungen.
Erst Mitte der 1990er-Jahre kam der Wärmepumpenmarkt in Deutschland wieder in Schwung und wächst inzwischen mit zweistelligen Zuwachsraten pro Jahr (Grafik 1). Doch das Marktvolumen ist in Deutschland noch vergleichsweise klein. Die Installationszahlen in der Schweiz bewegen sich in der gleichen Größenordnung wie in Deutschland. In der Schweiz werden über 30% der Neubauten mit Wärmepumpenanlagen beheizt. In Schweden wurden allein im Jahr 2004 bereits über 50.000 Neuanlagen installiert.

Entwicklung des Marktes für Heizungs-Wärmepumpen in Deutschland
Grafik 1: Entwicklung des Marktes für Heizungs-Wärmepumpen in Deutschland (aktualisiert 2009, Daten: Bundesverband WärmePumpe)
Die Jahresarbeitszahl sollte größer als 4 sein

Bei der Wärmepumpe unterscheidet man zwischen dem Kompressions-, Absorptions- und Adsorptionsprinzip. Mit Abstand am weitesten verbreitet ist die Kompressionswärmepumpe (Grafik 2). Ein Verdampfer verdampft durch Zuführen von Niedertemperaturwärme ein Kältemittel. Um Wärmequellen mit sehr niedrigen Temperaturniveaus nutzen zu können, sind Kältemittel mit Siedetemperaturen im negativen Celsiusbereich (siehe Tabelle 1) erforderlich. Ein meist elektrisch angetriebener Verdichter bringt das dampfförmige Kältemittel auf einen hohen Betriebsdruck. Dadurch erwärmt es sich stark.
Für diesen thermodynamischen Prozess gibt es ein alltägliches Beispiel. Wenn man einen Fahrradreifen stramm aufpumpt, erwärmt sich die komprimierte Luft. Man kann es am Ventil spüren. Die erzeugte Wärme macht sich auch dann bemerkbar, wenn man beim kräftigen Pumpen mit dem Daumen den Luftauslass abdichtet.
Die Wärme auf dem erhöhten Temperaturniveau lässt sich als Nutzwärme abführen, beispielsweise zur Raumheizung oder Wassererwärmung. Dies geschieht in einem Kondensator, der durch die Wärmeabfuhr das Kältemittel wieder verflüssigt.
Weil das Kältemittel unter Druck steht, verflüssigt es sich schon bei relativ hoher Temperatur (also oberhalb der Siedetemperatur bei 1 bar, siehe Tabelle 1). Um den Kreis zu schließen, strömt das unter Druck stehende Kältemittel durch ein Expansionsventil, entspannt sich, kühlt ab und gelangt erneut zum Verdampfer.

Funktionsweise der Kompressionswärmepumpe
Grafik 2: Funktionsweise der Kompressionswärmepumpe
Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften (Siedepunkt, Kondensationspunkt) gängiger Kältemittel und Treibhauspotenziale für einen Zeithorizont von 100 Jahren
Kälte­mittelSiede­punktVer­flüssi­gungs­tempe­ratur
bei 26 bar
Treib­haus­poten­zial relativ zu CO2
R12 FCKW 1)-30 °C86 °C6 640
R134a FKW-26 °C80 °C1 300
R404A FKW-47 °C55 °C3 260
R407C FKW-45 °C58 °C1 530
R410A FKW-51 °C43 °C1 730
R744 (Kohlen­dioxid)-57 °C-11 °C1
R717 (Ammoniak)-33 °C60 °C0
R290 (Propan)-42 °C70 °C3
R600a (Butan)-12 °C114 °C3
R1270 (Propen)-48 °C61 °C3
1) R12 FCKW schädigt die Ozonschicht und darf deshalb seit 1995 in Neuanlagen nicht mehr verwendet werden

Als Niedertemperatur-Wärmequelle für den Einsatz in Wohngebäuden kann Umgebungsluft, das Erdreich oder Grundwasser dienen. Die Heizwärme wird an Wasser abgegeben. Abhängig von der Wärmequelle werden die Wärmepumpen in Luft/Wasser, Sole/Wasser oder Wasser/Wasser-Systeme eingeteilt.
Je höher die Temperatur der Wärmequelle und je niedriger die benötigte Temperatur der Heizwärme ist, desto weniger elektrische Energie wird zum Antrieb einer Wärmepumpe benötigt. Das Verhältnis der abgegebenen Heizwärme zur aufgewandten elektrischen Antriebsenergie wird als Leistungszahl bezeichnet. Die übers Jahr gemittelte Leistungszahl heißt auch Jahresarbeitszahl. Sehr gute Systeme erreichen Jahresarbeitszahlen von über 4. Das heißt, aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie können mehr als 4 Kilowattstunden an Heizwärme erzeugt werden. Aufgrund der niedrigen Außenlufttemperaturen können die Jahresarbeitszahlen von Luft/Wasser-Systemen aber auch unter 3 liegen. Da die Temperatur von Grundwasser im Winter meist deutlich über der Temperatur der Außenluft liegt, sind die Jahresarbeitszahlen von Wasser/Wasser-Systemen höher. Wenn nicht lokale Gegebenheiten wie zum Beispiel ein Grundwasserschutzgebiet gegen die Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle sprechen, sind diese Luft/Wasser-Systemen vorzuziehen.

Kältemittel können das Klima schädigen

Die Palette an Kältemitteln für Kompressions-Wärmepumpen ist breit (Tabelle 1). In der ersten Boomphase der Wärmepumpen wurden oftmals Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) eingesetzt. Weil sie die Ozonschicht schädigen, sind sie jedoch seit 1995 in Neuanlagen verboten. Heute werden meist Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) eingesetzt, die oft auch als FCKW-Ersatzstoffe bezeichnet werden. Diese sind zwar für die Ozonschicht harmlos, haben aber eine weitere für die Umwelt negative Eigenschaft mit den FCKW gemeinsam: Beide Stoffe weisen ein extrem hohes Treibhauspotenzial auf. Dadurch entwickeln sich auch die kleinen Kältemittelmengen (zwischen 1 und 3 kg bei Einfamilienhausanlagen) als Problem.
Falls beispielsweise 2 kg des Kältemittels FKW R404A in die Atmosphäre gelangen, entwickeln diese dort den gleichen Einfluss auf das Klima wie 6,5 Tonnen Kohlendioxid. Diese Menge Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung von 32.500 kWh an Erdgas. Damit kann man ein Standard-Neubauhaus knapp 3 Jahre lang, ein 3-Liter-Haus sogar rund 9 Jahre lang komplett beheizen. Der Strombedarf der Wärmepumpe ist in dieser Bilanz noch nicht einmal berücksichtigt.
Kommt es bei einer Wärmepumpenanlage zu einer Leckage, entweichen die Kältemittel schnell, da sie bei normalen Umweltbedingungen verdampfen. Für FKW spricht, dass diese Stoffe ungiftig und nicht brennbar sind. In punkto Umweltverträglichkeit erweist sich aber die schnelle Flüchtigkeit von Kältemitteln als Problem. Zwar muss es nicht bei jeder Wärmepumpe der Fall eintreten, dass durch eine Leckage das gesamte Kältemittel in die Atmosphäre entweicht. Beim Befüllen und Entsorgen der Anlage sowie durch kontinuierliche Verluste im regulären Betrieb sind aber Kältemittelverluste unvermeidbar.
FKW-freie Kältemittel werden von gängigen Wärmepumpenanbietern jedoch nur selten eingesetzt (Tabelle 2). Dabei zeigen Wärmepumpen mit R290 (Propan) als Kältemittel keine schlechteren Leistungsdaten als bei Verwendung von FKW-haltigen Kältemitteln. Wegen der Brennbarkeit der Kältemittel R290, R600a und R1270 müssen jedoch besondere sicherheitstechnische Maßnahmen getroffen werden, die in der Praxis jedoch weitgehend problemlos umsetzbar sind. Da der Druck der Kunden zur Verwendung FKW-freier Kältemittel bei Kühl- und Gefriergeräten in der Vergangenheit offensichtlich größer als bei Wärmepumpen war, gehören die klimaunschädlichen Kältemittel trotz ihrer Brennbarkeit dort bereits seit Jahren zum Standardsortiment.
Im Wärmepumpenbereich wird hingegen die FKW-Problematik derzeit noch kaum diskutiert. Die meisten Hersteller preisen die von ihnen verwendeten FKW als umweltfreundlich. Ein Hersteller bezeichnet auf seiner Homepage das Kältemittel R407C sogar dreist als FKW-frei. Für den Laien wird es damit nahezu unmöglich, FKW-haltige und FKW-freie Geräte zu unterscheiden.

Tabelle 2: Anbieter von Wärmepumpen und die von ihnen verwendeten Kältemittel
AnbieterFKW 134aFKW R404AFKW R407CFKW R410AFKW-frei R290
Al-KoX X  
Alphainnotec XX  
Buderus XX  
CapitoXXX X
DimplexXXX X
EmcalX X  
ERW  X  
HautecX X X
IWS  X  
Junkers  X  
Nibe  X X
OchsnerX X  
Satag  XX 
Schrag  X  
SpartecX X  
Siemens-Novelan XX  
Stiebel-Eltron  XX 
Suntechnics XX  
TecalorX XXX
Vaillant XX  
Viessmann  XX 
WaterkotteX X  
Nur bedingter Umweltnutzen

Bei den Anbietern von Heizungssystemen wird die Wärmepumpe oftmals in der Kategorie "erneuerbare Energien" aufgelistet. Dies ist aber nur bedingt korrekt. Einen Großteil der Nutzenergie der Wärmepumpe kommt zwar in Form von erneuerbarer Niedrigtemperaturwärme aus der Umgebung, der Strom kommt aber fast immer aus der Steckdose. Diese wird von den normalen Energieversorgern beliefert, die nicht selten wegen der großen Stromabnahmemengen der Wärmepumpenanlagen Sonderkonditionen einräumen. In Deutschland stammt dieser Strom aber fast immer aus Kohle- oder Atomkraftwerken. In Norwegen erzeugen hingegen Wasserkraftwerke nahezu den gesamten Strom des Landes. Hier ist eine Wärmepumpe dann tatsächlich ein komplett regeneratives System. In Deutschland besteht die Möglichkeit, zu einem Ökostrom-Anbieter zu wechseln. Auch dann wäre das Wärmepumpensystem vollständig regenerativ, die Stromkosten sind allerdings meist deutlich höher.
Wenn nicht Ökostrom, sondern herkömmlicher Strom für den Betrieb von Wärmepumpen verwendet wird, sind die CO2-Einsparungen aufgrund der schlechten Wirkungsgrade fossiler thermischer Kraftwerke im Vergleich zu modernen Erdgasheizungen nur noch relativ gering (Grafik 3). Falls noch Umweltbelastungen durch FKW-Kältemittel hinzukommen, kann die Umweltbilanz sogar schlechter als bei einer herkömmlichen Heizungsanlage ausfallen.

Energie- und Umweltbilanz der Kompressions-Wärmepumpe
Grafik 3: Energie- und Umweltbilanz der Kompressions-Wärmepumpe im Vergleich zur Erdgasheizung mit Brennwerttechnik bei einem jährlichen Heizwärmebedarf von 10.000 kWh = 10 MWh
Fazit

Wärmepumpen stellen eine Alternative zu herkömmlichen Erdgas- oder Ölheizungssystemen dar, sind aber in der Anschaffung meist auch deutlich teurer als ihre fossile Konkurrenz. Weil die Betriebskosten niedriger ausfallen, setzt eine steigende Zahl von Neukunden auf die Wärmepumpe. Der zum Antrieb von Wärmepumpen benötigte elektrische Strom wird in Deutschland noch überwiegend in konventionellen Kraftwerken erzeugt. Mit steigendem Anteil regenerativer Energien an der Stromversorgung verbessert sich jedoch auch die Umweltbilanz der Wärmepumpe. Weitere negative Umweltaspekte liefern die in Wärmepumpen verwendeten Kältemittel. Hier kommen derzeit oft FKW zum Einsatz, die ein enormes Treibhauspotenzial haben.
Falls die Wärmepumpe mit CO2-freiem Ökostrom betrieben wird und außerdem FKW-freie Kältemittel verwendet werden, bietet die Wärmepumpe auch aus ökologischer Sicht eine sehr interessante Alternative zu herkömmlichen Heizungssystemen. Die Kunden haben es letztendlich in der Hand, die ökologische Lösung zum Standard zu machen.

Volker Quaschning


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