Wärmepumpen - die Standardheizung für eine fossilfreie Zukunft Nachfrage nach intelligenten Energiesystemen zum umweltschonenden Heizen steigt

Wärmepumpen sind eine kostengünstige Alternative zur umweltschonenden Wärmeerzeugung, insbesondere in Kombination mit Solarenergie. Denn die Energie, die eine Wärmepumpenheizung nutzt, stellt die Umwelt unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung. Je nach Art beziehen Wärmepumpen rund 80 Prozent ihrer Heizenergie entweder aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft. Nur für den Antrieb und die Pumpe benötigen sie zusätzlich etwas (regenerativen) Strom, so dass sie unabhängig von fossilen Brennstoffen arbeiten können und damit aktiv zur Reduzierung von CO₂-Emissionen beitragen.

Wärmepumpe: Umgekehrtes Prinzip eines Kühlschranks

Ein Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und führt diese über einen Wärmetauscher nach außen ab. Eine Wärmepumpe hingegen entzieht dem Außenbereich Wärme und gibt sie als Heizenergie an das Hausinnere wieder ab. Dabei macht sie sich den sogenannten Joule-Thomson-Effekt zunutze, d.h. die Temperaturänderung von Gasen bei einer Änderung des Umgebungsdrucks. Im Allgemeinen erwärmen sich Gase unter Druck und kühlen bei Entspannung wieder ab.

Funktion einer Wärmepumpen-Heizungsanlage

Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Teilen: 1. der Wärmequellenanlage, die der Umgebung die benötigte Energie entzieht; 2. der eigentlichen Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht; 3. dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärmeenergie im Haus verteilt oder zwischenspeichert.

1: Wärmegewinnung über die Wärmequellenanlage

In der Wärmequellenanlage zirkuliert meist Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist (Sole). Diese Sole nimmt die Umweltwärme aus dem Erdreich oder dem Grundwasser auf und transportiert sie weiter zur Wärmepumpe. Bei einer Luft-Wärmepumpen übernimmt diese Funktion ein Ventilator, der die Außenluft ansaugt und an die Wärmepumpe weiterleitet.

2: Nutzbarmachung der Wärmeenergie in der Wärmepumpe

In der eigentlichen Wärmepumpe befindet sich ein weiterer Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. In einem Wärmetauscher (Verdampfer) wird die Wärmeenergie des ersten Kreislaufs bzw. der angesaugten Außenluft auf das Kältemittel im zweiten Kreislauf übertragen, das dadurch verdampft. Der Kältemitteldampf wird zu einem Verdichter weitergeleitet und komprimiert, so dass das gasförmige Kältemittel heißer wird. In einem zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) wird das unter hohem Druck stehende, heiße Kältemittelgas kondensiert und gibt seine Wärme an das Verteilsystem ab. Das verflüssigte Kältemittel wird dann zum Verdampfer zurückgeführt.

3: Beheizung des Gebäudes

Im Wärmeverteil- und Speichersystem des zu beheizenden Gebäudes zirkuliert als Heizmedium in der Regel Wasser. Dieses Wasser nimmt die vom Kältemittel im Verflüssiger abgegebene Wärme auf und leitet sie entweder zu den entsprechenden Heizkörpern oder auch zu einem Warmwasserspeicher weiter.

Wärmeproduktion ist für 30 Prozent aller CO₂-Emissionen verantwortlich

Derzeit werden für die Wärmeproduktion (Raumwärme/Klimatisierung, Warmwasser, Prozesswärme) in Deutschland mehr als 50 Prozent des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs aufgewendet. Raumheizung und Warmwasserbereitung sind dabei für 30 Prozent aller CO₂-Emissionen verantwortlich. Doch gleichzeitig werden aktuell nur 21 Prozent aller Heizungen mit erneuerbaren Energien betrieben, alle anderen mit den fossilen Energieträgern Erdgas bzw. Heizöl.

Wärmepumpenoffensive: 6 Millionen Wärmepumpen bis 2030

Um Klimaneutralität bis 2045 zu erreichen, muss daher vor allem im Wärmesektor Energie eingespart werden. Dabei sollen unter anderem energetische Sanierungen und neue Heiztechniken wie Wärmepumpen helfen. Ende Juni 2022 kündigte Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck nach einem virtuellen „Wärmepumpengipfel“ mit Unternehmen und Verbänden sein Ziel an, bis 2030 sechs Millionen Wärmepumpen zu verbauen.

„Das ist ein ambitioniertes Ziel und vieles muss hierfür verbessert und beschleunigt werden", so Vizekanzler Habeck. „Wenn wir es schaffen, mit erneuerbaren Energien, die wir massiv ausbauen, aber gleichzeitig mit modernen Technologien dazu beizutragen, dass wir weniger von diesen Ressourcen verbrauchen, dann stärkt das auch unsere Sicherheit und unsere Zukunftsfähigkeit als Land.“

Im letzten Jahr wurden bereits 236.000 Wärmepumpen in Deutschland eingebaut. Im Jahr 2023 wird die Installation von 350.000 Wärmepumpen erwartet, ab 2024 müssten es jährlich 500.000 sein. Ab Januar 2024 gilt dann auch, dass möglichst jede neu eingebaute Heizung zu 65 Prozent mit erneuerbaren Energien betrieben werden soll. Damit wird die Wärmepumpe zur neuen Standardheizung.

Bundesbauministerin Klara Geywitz:„Wir brauchen energieeffiziente, klimafreundliche und bezahlbare Lösungen für die Sanierung alter Heizsysteme. Die Wärmepumpe ist in diesem Transformationsprozess eine der vielversprechendsten Technologien.“

Ein Teil Strom für fünf Teile kostenlose Umweltenergie

Wenn Deutschland seine Klimaziele sowie das 65-Prozent-Ziel erreichen möchte, führt an der Wärmepumpentechnologie kein Weg mehr vorbei. Denn Wärmepumpen verbrauchen keinen fossilen Brennstoff und können sogar ganz ohne CO₂-Emissionen betrieben werden, wenn der für Antrieb und Pumpe benötigte Strom aus regenerativen Quellen stammt. Dabei benötigt eine Wärmepumpe für fünf Teile kostenlose Umweltenergie nur einen Teil Strom, um Wärmeenergie zu erzeugen.

Eine Wärmepumpe ist außerdem das einzige Heizsystem, dessen CO₂-Emissionen im Laufe seiner Lebensdauer kontinuierlich reduziert werden. Denn je mehr Strom aus erneuerbaren Energien künftig in den allgemeinen Strommix einfließt‚ desto klimafreundlicher wird jede Wärmepumpe.

CO₂-neutrales Heizen mit Umweltwärme

Eine Wärmepumpe kann pro Jahr durchschnittlich 2.620 kg CO₂ gegenüber einem fossilen Heizsystem mit Öl oder Gas einsparen. Über eine Lebensdauer von 20 Jahren können so rund 52 Tonnen CO₂ weniger emittiert werden. Eine Studie von Agora Energiewende ergab, dass ein Haushalt im Jahr 2030 mit einer Wärmepumpe fast 90 Prozent CO₂-Ersparnis gegenüber einer Gas-SoIarthermie-Heizung erzielen könnte. Gelingt es, den Wandel im Wärmesektor erfolgreich zu gestalten, trägt der Wärmepumpenausbau zum Klimaschutz und zur Energiesicherheit in Deutschland bei. Mit dem Erreichen der Ausbauziele würden im Jahr 2030 dann deutschlandweit über 25 Mio. Tonnen CO₂ und fast 10 Mrd. Kubikmeter Erdgas eingespart.

Effizienzsteigerung durch Hybrid-Solarsysteme

Grundsätzlich können alle Arten von Wärmepumpen mit einer Photovoltaik- oder einer Solarthermie-Anlage kombiniert werden. Meist müssen sich Hausbesitzer jedoch zwischen einer günstigen Stromversorgung mittels Photovoltaik oder einer günstigen Warmwasseraufbereitung über eine Solarthermie-Anlage entscheiden. Denn aktuell bieten nur wenige Unternehmen moderne Hybridkollektoren an, die beide Techniken zu einem effizienten Energiesystem kombinieren und optimal aufeinander abstimmen.

Photovoltaik-Module arbeiten leistungsfähiger

Hybridkollektoren können gleichzeitig Elektrizität und Wärme aus Sonnenenergie gewinnen, ohne mehr Platz zu beanspruchen, denn die benötigten Module für Solarthermie und Photovoltaik liegen übereinander. Das obenauf befindliche Photovoltaik-Modul erzeugt mithilfe des Sonnenlichts Strom, während das dahinter platzierte Solarthermie-Modul mit der Abwärme des Photovoltaik-Moduls Wasser erhitzt. Das heiße Wasser wird dann für die Erwärmung des Warmwasserspeichers genutzt. Die Wärmeableitung und -speicherung führt außerdem zur Kühlung des Photovoltaik-Moduls, das dadurch um bis zu 30 Prozent leistungsfähiger arbeiten kann.

Der effizienzsteigernde Effekt von Hybridkollektoren macht sich vor allem bei schlechteren Lichtbedingungen bemerkbar und kann einen Leistungsgewinn von bis zu 10 Watt ausmachen. Hybridkollektoren gewährleisten damit - im Gegensatz zu herkömmlichen Photovoltaik-Modulen - eine Systemnutzung auch bei Dämmerung oder im Winter.

Hoher Grad an Energieautarkie

Bei der Kombination von Hybridkollektoren mit einer Wärmepumpe kann so zum einen der für den Betrieb der Wärmepumpe benötigte Strom CO₂-frei produziert werden, zum anderen sorgt die Wärmeunterstützung dafür, dass die Wärmepumpe besonders in der kalten Jahreszeit effizienter arbeitet. So kann der Energiebedarf für Heizwärme, Warmwasser und auch Haushaltsstrom bis zu 100 Prozent selbst gedeckt und ein hoher Grad an Energieautarkie erreicht werden. Daher gehören Wärmepumpen neben anderen Faktoren zu den zentralen Hebeln für die Dekarbonisierung des Gebäudesektors und kommen vor allem in Ein- und Zweifamilienhäusern zum Einsatz. Laut Statistischem Bundesamt stieg ihr Anteil in neuen Wohngebäuden von 50,6 Prozent im Jahr 2021 auf 57 Prozent im vergangenen Jahr. Im Jahr 2015 hatte der Anteil von Wärmepumpen noch bei 31,4 Prozent gelegen.

Marktanteil von Wärmepumpen nimmt rasant zu

Ein ansteigendes Marktwachstum von Wärmepumpen lässt sich bereits seit dem Jahr 2016 verzeichnen. Mit der Einführung der Bundesförderung für effiziente Gebäude im Jahr 2020 verstärkte sich das Wachstum im Vergleich zum Jahr 2019 nochmals um rund 40 Prozent. Im Jahr 2022 stieg der Absatz dann um 53 Prozent von 154.000 auf 236.000 Wärmepumpen an. Gleichzeitig ging der Absatz von Gasheizungen um ca. 10 Prozent zurück.

Der Marktanteil von Wärmepumpen am Wärmeerzeugermarkt lag 2022 bei 25 Prozent (2021: 16,5 Prozent), d.h. bei jeder vierten Heizung wurde eine Wärmepumpe eingebaut. Insgesamt waren 2022 in Deutschland 1,45 Mio. Heizungswärmepumpen in Betrieb.

Bis zu 2.600 Gigawatt im Jahr 2030

Der Trend zur Wärmepumpe liegt vor allem in den Vorteilen der Technologie selbst begründet. Wärmepumpen weisen die höchsten Effizienzwerte aller Heizungssysteme auf, vermeiden CO₂-Emissionen, ermöglichen die Nutzung eigenerzeugten Stroms, sorgen je nach Anlagentyp auch für eine effiziente Klimatisierung im Sommer und zeichnen sich durch die Nutzung verschiedener Wärmequellen aus. Für das Jahr 2030 sagt die Internationale Energieagentur (IEA) daher auch einen Wärmepumpenausbau von derzeit 1.000 auf bis zu 2.600 Gigawatt installierter Heizleistung voraus.

Quellen: Bundesverband Wärmepumpe e.V., VISSOLAR, UBA, BMWK - August 2023