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Elektrifizierung der Wärmeversorgung?
Wärmepumpen leisten in der Praxis selten, was die Datenblätter versprechen.

Elektrifizierung der Wärmeversorgung?

Politik und Wissenschaft bevorzugen derzeit Heizung und Verkehr zu elektrifizieren, also die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität miteinander zu „koppeln“. Dabei spielen Wärmepumpen eine tragende Rolle. Gabriele Purper und Falk Auer kommentieren diese Strategie und zeigen wesentliche Schwachpunkte auf.

(26. Januar 2018) Die erneuerbaren Energien kommen vor allem im Wärme- und im Verkehrsbereich derzeit kaum vom Fleck. Fast alle aktuellen Studien führen zu dem Schluss, dass die aktuelle Politik so nicht fortgeführt werden darf. Die Energiewende würde, wenn sie im bisherigen Tempo fortgeführt werden würde, erst in über 100 Jahren zu einer schadstofffreien Energieversorgung führen. Soviel Zeit haben wir aber nicht; die Klimaschutz-Beschlüsse von Paris sowie die von der Bundesregierung beschlossenen Ziele sind auf das Jahr 2050 gerichtet und erfordern, wenn sie erreicht werden sollen, sofortiges tatkräftiges Handeln.

1900 Gabriele Purper

Gabriele Purper war langjährig bei der Hessischen Landesregierung für Energieeffizienz zuständig und ist jetzt ehrenamtlich beim BUND tätig.

In den letzten Monaten sind zum Thema Sektorkopplung viele Studien erschienen. Unter dem Titel „Forschungsradar Energiewende: Metaanalyse – Zusammenspiel von Strom- und Wärmesystem“ hat die Agentur für erneuerbare Energien 32 dieser Studien in einer kompakten Zusammenfassung verglichen.

298 1900 Dr. Falk Auer

Dr. Falk Auer ist Sprecher der „Lokale Agenda 21 – Gruppe Energie Lahr (Schwarzwald)“ und war dort für das Projekt „Feldtest Wärmepumpen“ zuständig.

Die Idee der Elektrifizierung des Wärme- und Verkehrssektors geht auf die vermeintlichen Überschüsse an erneuerbar erzeugtem Strom zurück, der in der aktuellen Situation nicht genutzt werden kann und dann abgeregelt werden muss. Diese Überschüsse sind aber derzeit mit unter einem Prozent der erneuerbaren Stromerzeugung noch minimal.

Stromüberschüsse frühestens ab 2030

Frühestens ab dem Jahr 2030 könnten größere Mengen an Überschussstrom anfallen, wenn nicht zwischenzeitlich Maßnahmen wie Netzausbau und Lastmanagement ergriffen werden.

Grundsätzlich kann der Überschussstrom auf verschiedene Weise genutzt werden. Bei der sogenannten Power-to-heat-Option, wird der Strom zur Erzeugung von Wärme genutzt. Wenn eine Stromdirektheizung eingesetzt wird, beträgt
der Wirkungsgrad bestenfalls eins. Das heißt, aus einer Kilowattstunde Strom erzeugt man höchstens eine Kilowattstunde Wärme. Bei der Wärmepumpe liegt er dagegen deutlich über eins, da aus einer Kilowattstunde Strom theoretisch rund drei bis vier Kilowattstunden Wärme gewonnen werden können. Deshalb beflügeln die Wärmepumpen die Phantasie der Prognostiker. Wärmepumpen werden sogar von einigen Studien als Schlüsseltechnologie bezeichnet, die langfristig den größten Teil des Gebäudewärmebedarfs decken sollen.

1900 Schild "Ja Bitte!" mit Windräder / Foto: m.wolf / photocase.de

Ausbau von Wärmepumpen

Die im Auftrag der Agora im Februar 2017 erstellte Studie „Wärmewende 2030 – Schlüsseltechniken zur Erreichung der mittel- und langfristigen Klimaschutzziele im Gebäudesektor“ der Fraunhofer-Institute IWES und IBP hält es für notwendig, mindestens fünf bis sechs Millionen Wärmepumpen bis 2030 zu installieren, wenn das Ziel der Bundesregierung, die CO2-Emissionen bis 2050 um 80 Prozent zu verringern, erreicht werden soll. Will man die Emissionen bis 2050 um 95 Prozent reduzieren, müssten sogar sechs bis acht Millionen Wärmepumpen eingesetzt werden. Zum Vergleich: Heute sind ca. 0,7 Millionen Wärmepumpen in Betrieb. Jährlich werden etwa 600.000 Heizungsanlagen erneuert. Wenn man die prognostizierten Bestandszahlen erreichen will, müsste also fast jede neue Heizungsanlage eine Wärmepumpe werden. Das bedeutet, dass die Wärmepumpen auch massiv im Altbau eingesetzt werden müssten. Wie im Folgenden gezeigt wird, kann dies so nicht funktionieren.

Geringe Energieeffizienz der Wärmepumpen

Ein Maß für die Energieeffizienz der Wärmepumpen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie sagt aus, welche Menge an Wärme mit einer Kilowattstunde Strom erzeugt wird. Die Autoren der genannten Studie gehen bei den Luft-Wärmepumpen von einem JAZ-Wert von 3,8 aus. Das ist bei weitem zu hoch gegriffen, wie ein Feldtest der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie Lahr gezeigt hat. In der Praxis erreichten die Wärmepumpen im Durchschnitt nur eine JAZ von 2,8.

Die Studie geht weiterhin davon aus, dass die erdgekoppelten Wärmepumpen künftig mehr als die Hälfte aller Wärmepumpen abdecken. Darauf deutet aber nichts hin: Erdgekoppelte Wärmepumpen stellen zurzeit nur etwa ein Drittel des Marktes, und ihr Anteil ist weiter am Sinken. Außerdem ist ein Einbau im Altbau kompliziert, da die Erdreichwärme mittels horizontaler oder vertikaler Sonden gewonnen werden muss. Den übrigen Anteil sollen die weitgehend ineffizienten Luft-Wärmepumpen übernehmen, sogar als monovalente Anlagen! Wenn die Gebäude noch nicht oder nur unvollständig saniert worden sind, werden zusätzlich zur Wärmepumpe noch Erdgas-Heizkessel benötigt, eine Technik, von der man aber eigentlich wegkommen wollte.

Luft-Wärmepumpen arbeiten in den Übergangszeiten noch mit passablen Arbeitszahlen. Bei tieferen Temperaturen sind sie jedoch überfordert und könnten allenfalls noch als Direktheizung mit einer JAZ von nahe 1 arbeiten. Dann muss der Erdgas-Brennwertkessel die Arbeit übernehmen. Die Agenda-Gruppe hat auch diese Konstellation untersucht. Das Ergebnis: Die Luft-Wärmepumpen kamen allein nur auf JAZ zwischen 2,0 und 2,7. bdev.de/wplahr

Hohe CO2-Emissionen von Wärmepumpen

Gebäude werden über das Jahr betrachtet nicht gleichmäßig beheizt. Damit fällt der entsprechende Strombedarf für die Wärmepumpen auch nicht gleichmäßig über das Jahr verteilt an, sondern konzentriert sich natürlich auf den Winter. Das Angebot an Strom aus Photovoltaikanlagen und die Stromnachfrage von Wärmepumpen fallen demnach zeitlich stark auseinander: Zwischen November und Februar sind nur 13 Prozent des solaren Jahresertrags nutzbar. Zwischen Mai und September fallen zwar 60 Prozent des Solarertrags an, in dieser Zeit gibt es aber keinen Heizwärmebedarf und damit keinen Strombedarf für die Wärmepumpe. Es ist deshalb davon auszugehen, dass die zusätzliche Stromnachfrage der Wärmepumpen in der Hauptsache durch konventionelle fossile Mittellast- und Spitzenlastkraftwerke gedeckt werden muss.

Zudem ist der Strommarkt so geregelt, dass zunächst diejenigen Kraftwerke zum Zuge kommen, die die geringsten zusätzlichen Kosten verursachen. Das sind alte, also abgeschriebene, wenig umweltfreundliche (Kohle-)Kraftwerke.
Deshalb muss man anstelle des durchschnittlichen Wertes von hohen Emissionswerten ausgehen. Er beträgt laut D. Seifried und D. Schaumburg unter Berücksichtigung der Netz- und Umspannverluste 865 g CO2/kW für den Wärmepumpenstrom (siehe Sonnenenergie Augabe 6/2015, S. 30-31). Die Studie hingegen geht von 220 g aus.

Zusätzliche konventionelle Kraftwerke erforderlich

Der Einsatz der Wärmepumpen würde also einen zusätzlichen Bedarf an Kraftwerksleistung verursachen. Das sieht die Studie aber nicht als Problem an. Die Wärmepumpen würden ja Nachtspeicherheizungen und Durchlauferhitzer ersetzen. Dabei wird vergessen, dass diese zurzeit durch konventionelle (Kohle-)Kraftwerke versorgt werden, die auf Grund ihrer hohen Emissionen möglichst bald stillgelegt werden sollten. Außerdem könne man kostengünstig neue Gasturbinenkraftwerke einsetzen. Das dazu erforderliche Erdgas soll durch Power-to-Gas erneuerbar hergestellt werden. Diese Technik hatte man aber vorher wegen zu geringen Wirkungsgraden abgelehnt.

Sektorkopplung ja, aber richtig

Sektorkopplung von Strom und Wärme wird heute schon bei Kraft-Wärme-Kopplung praktiziert. Kraft-Wärme-Kopplung ist ein Effizienzprinzip, das außerordentlich vielseitig einsetzbar ist. Entsprechende Anlagen sind in allen Leistungsgrößen auf dem Markt und mit fast allen Energieträgern, auch Erneuerbaren, zu betreiben. Fossiles Erdgas, mit dem derzeit vor allem die mittleren und kleinen Anlagen versorgt werden, kann auf Dauer durch erneuerbares Gas aus Power-to-Gas-Anlagen ersetzt werden. Das erneuerbare Gas wird hier direkt und energieeffizient zur Stromversorgung eingesetzt. Dies bietet außerdem die Chance, die gut ausgebaute und weit gefächerte Erdgas-Infrastruktur nutzen zu können.

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind darüber hinaus flexibel einzusetzen und bilden damit vor allem auf der regionalen Ebene eine gute Ergänzung zum fluktuierenden (dezentralen) Angebot von Wind und Sonne. Die Stromversorgung könnte auf diese Weise mittels regionaler virtueller Kraftwerke dezentral strukturiert und damit der Bau von überregionalen Netzen zu einem erheblichen Teil vermieden werden.

Es ist deshalb unverständlich, warum Politik und Wissenschaft der Kraft-Wärme-Kopplung so wenig Beachtung schenken. Dies wäre eine geeignete „Schlüsseltechnologie“ sowohl für den Strom- als auch für den Wärmebereich. Die vielen Studien böten eher eine Orientierung für die Wärmeversorgung der Zukunft, wenn sie mindestens eine Gegenüberstellung der Alternativen enthalten, die Grenzen der Wärmepumpen beachten und die mit dem Einsatz der Wärmepumpen verbundenen negativen Effekte sorgfältig behandeln würden.