Die Wärmepumpe, ein CO₂-armes Wundergerät? Wahr oder falsch in 6 Punkten

Ein beeindruckender Wirkungsgrad …

Der größte Vorteil der Wärmepumpe ist ihre Effizienz. Durch die Verdichtung und Entspannung des Kältemittels zwischen der warmen Seite (dem Wohnraum mit 21 °C) und der kalten Seite (der Außenluft zwischen −10 °C und 15 °C) lässt sich kostenlose Umweltwärme aus der Luft oder dem Erdreich nutzen. Für den Kreislauf des Kältemittels wird dabei nur wenig Energie benötigt.

Im optimalen Betrieb, also bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, kann die Jahresarbeitszahl (SCOP) bei den leistungsstärksten Modellen über 5 liegen. Das bedeutet: Die Wärmepumpe liefert 5 kWh Wärme und verbraucht dafür 1 kWh Strom. Dieselbe Wärmemenge aus elektrischen Heizkörpern würde 5 kWh Strom verbrauchen, da der Wirkungsgrad einer Widerstandsheizung bei 1 liegt.

Die Wärmepumpe senkt also deutlich den Endenergieverbrauch für die Heizung, sowohl beim Ersatz elektrischer Heizkörper als auch beim Ersatz eines Holz-, Gas- oder Ölkessels mit einem Wirkungsgrad zwischen 0,8 und 1.

… aber ein schwankender Wirkungsgrad

Die Wärmepumpe ist dennoch ein paradoxes Gerät: Ihre Effizienz sinkt, je größer der Temperaturunterschied zwischen warmer und kalter Seite ist. Anders gesagt: Je kälter es draußen ist, desto weniger leistungsfähig ist die Wärmepumpe, und zwar genau dann, wenn man sie am meisten braucht. Ab einer bestimmten Temperatur ist es sogar sinnvoller, eine Zusatzheizung einzusetzen, um die Wärmepumpe zu entlasten.

Aus diesem Grund verpflichten die Normen die Hersteller auch, SCOP-Werte für drei Klimazonen anzugeben:

• warm: Athen
• gemäßigt: Straßburg
• kalt: Helsinki

Für dieselbe Wärmepumpe am Markt kann der SCOP je nach Zone bei 6,20, 5,07 oder 4 liegen. Je kälter die Klimazone, desto weniger lohnt sich die Wärmepumpe also, um Energie zu sparen.

Und Eigenschaften, die sich als kontraproduktiv erweisen

Ein weiterer Vorteil der Wärmepumpe ist, dass sie umkehrbar sein kann: Ist es draußen wärmer als drinnen, lässt sich der Kreislauf umkehren, um der Raumluft Wärme zu entziehen.

Wer jedoch im Sommer ein aktives Gerät einführt, um Haushalten Komfort zu bieten, die bisher ohne Kühlung auskamen, erzeugt zusätzlichen Stromverbrauch, insbesondere bei Hitzewellen, wenn das Netz besonders angespannt ist. Aus diesem Grund werden umkehrbare Wärmepumpen in Frankreich seit 2018 nicht mehr gefördert.

Die Wärmepumpe wird oft als Wundergerät der Energiewende bezeichnet und profitiert in Frankreich von erheblichen steuerlichen Anreizen, solange sie im Sommer nicht auch zum Kühlen genutzt werden kann.

Der Begriff „CO₂-armes Gerät” kann in die Irre führen. Eine Wärmepumpe ist ein schweres, immer komplexeres Gerät, dessen Herstellung, Instandhaltung und Wartung eine nicht zu vernachlässigende Umweltwirkung haben, und sie arbeitet mit Kältemittel. Entscheidend ist daher der Vergleichsmaßstab.

Vergleicht man zum Beispiel den Einbau einer Luft-Wasser-Wärmepumpe und eines Heizkessels über 50 Jahre, ohne den Energieverbrauch zu berücksichtigen, ergibt sich folgende Grafik:

Ein Vergleich, der nur die Umweltwirkung des Geräts betrachtet und den Energieverbrauch nicht modelliert, sagt nichts darüber aus, ob ein Wärmepumpensystem sinnvoll ist oder nicht.

Tatsächlich ist eine vollständige Ökobilanz (LCA) notwendig. Sie zeigt, ob die erzielten Energieeinsparungen den hohen anfänglichen CO₂-Fußabdruck der Wärmepumpe gegenüber dem Bestand tatsächlich ausgleichen.

Wie ein Kühlschrank verdichtet und entspannt eine Wärmepumpe in aufeinanderfolgenden Zyklen ein Arbeitsmittel. Dabei handelt es sich in der Regel um ein sogenanntes Kältemittel, das dank der Eigenschaften seiner chemischen Bindungen viel Wärme aufnehmen kann (auch Kohlendioxid, CO₂, und Wasserdampf, H₂O, können als Kältemittel dienen).

Die für diesen Zweck „leistungsfähigsten” Kältemittel sind Industriegase, sogenannte halogenierte Kohlenwasserstoffe: HFKW, H-FCKW usw., sowie die bekannten FCKW, die durch ihr Chloratom die Ozonschicht zerstören und seit dem Montrealer Protokoll von 1987 schrittweise verboten wurden.

Je leistungsfähiger ein Kältemittel ist, desto höher ist sein Treibhauspotenzial, und das in erheblichem Maße. Die französische Datenbank INIES stellt die Emissionsfaktoren in CO₂-Äquivalent für die gängigsten Kältemittel bereit:

Ein einziges Kilogramm des Kältemittels R410A, das in die Atmosphäre entweicht, entspricht also rund 2 Tonnen CO₂!

Da diese Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf in der Wärmepumpe zirkulieren, sollten sie eigentlich nicht in die Luft gelangen. Die Dichtheit ist jedoch nie perfekt, und in der Praxis wird die gesamte Umweltwirkung des Kältemittels zum Zeitpunkt seines Austritts angerechnet. Die beim Befüllen und Entleeren bewegte Kältemittelmenge wird daher bei diesen Vorgängen nicht berücksichtigt.

Für die Abschätzung der Umweltwirkung des Kältemittels einer Wärmepumpe gelten folgende spezifische Regeln (5):

• 2 % Leckage bei der Herstellung (Modul A3 des Datensatzes),
• 2 % Leckage pro Jahr während der Nutzungsdauer, mit einer Nachfüllschwelle bei 90 % der ursprünglichen Füllmenge (Module B1/B2),
• 10 % Leckage am Ende des Lebenszyklus (Modul C4).

Betrachtet man die Werte des CO₂-Indikators über die Lebensdauer unserer Wärmepumpe von 17 Jahren, ohne den Energieverbrauch, ergibt sich folgende Verteilung:

Auffällig ist zunächst das Übergewicht der Phase Instandhaltung und Wartung (Nutzung), also der Module B1 und B2, mit 8.908,85 kg CO₂-Äq. (3.130,73 + 5.778,12) bei einer Gesamtwirkung von 14.818,74 kg CO₂-Äq.

Diese Module stehen für die direkten und indirekten Wirkungen des Kältemittels in der Nutzungsphase, also für die Leckagen. Selbst ohne Herstellung und Entsorgung des Kältemittels macht es über die Lebensdauer der Wärmepumpe 60 % ihres CO₂-Fußabdrucks aus*, bezogen auf den Standard-Umweltdatensatz (DED).

*Genau genommen fehlen in dieser Berechnung die Leckagen beim Erstbefüllen und bei der Entleerung am Ende des Lebenszyklus, da diese Daten schwer zu ermitteln sind. Wendet man die Regeln von 2 % bzw. 10 % auf die gesamte befüllte und entleerte Kältemittelmenge an und geht von einer vollständigen Befüllung am Lebensende aus, läge der Anteil bei etwa 66 %.

Bei einer dynamischen Berechnung nach der französischen Umweltverordnung RE2020 fällt dieses Ergebnis noch deutlicher aus, da dort spezielle Gewichtungsfaktoren für Kältemittel gelten. Die folgende Grafik zeigt die Entwicklung dieser Faktoren:

In unserem Beispiel arbeitet die Wärmepumpe mit R410A, dem Kältemittel mit der größten Wirkung: 2.130 kg CO₂-Äq. pro kg. R32 dagegen verursacht 700 kg CO₂-Äq. pro kg, also dreimal weniger. Allein durch die Wahl des Kältemittels lässt sich die Umweltwirkung einer Wärmepumpe also erheblich senken.

Nimmt man zum Beispiel die Wärmepumpe Alfea Extensa A.I.5 der Gruppe Atlantic (6) mit gleicher Leistung, aber mit dem Kältemittel R32, verteilen sich die Wirkungen über die Lebensdauer des Geräts wie folgt:

Die Module B1 und B2 machen hier 808,91 kg CO₂-Äq. aus, bei einer Gesamtwirkung des Geräts (ohne Energie) von 2.007,79 kg CO₂-Äq. Das entspricht 40 % der Wirkung und ist elfmal weniger als beim DED.

Vorsicht: Diese Größenordnungen relativieren sich, sobald man den Verbrauch der Wärmepumpe einbezieht. Der Verbrauch lässt sich nur auf Ebene des gesamten Systems betrachten, nicht auf Ebene eines einzelnen Geräts. Dasselbe Gerät kann zum Beispiel als Hauptwärmeerzeuger oder als Reserve eingesetzt werden und entsprechend einen fast vernachlässigbaren oder einen sehr hohen Verbrauch haben. Aussagekräftig ist erst die Summe.

Wie bereits erwähnt: Auch wenn die Wärmepumpe als Gerät einen hohen CO₂-Fußabdruck hat, reicht diese Information allein nicht aus, um sie aus Umweltsicht abzuwerten. Für einen Vergleich mit anderen Systemen muss die Wirkung der verbrauchten Energie berücksichtigt werden.

Für unsere Analyse haben wir den häufigsten Fall gewählt, der in Frankreich auch steuerlich gefördert wird: den Ersatz eines alten Gaskessels durch ein neues Wärmepumpensystem. Um die Wärmepumpe optimal zu nutzen, gehen wir von einem vollständigen Austausch der Heizkörper aus, damit sie mit niedriger Vorlauftemperatur arbeiten kann, wo ihr Wirkungsgrad am höchsten ist.

Wir haben also ein Gesamtsystem [Wärmepumpe + Leitungen + Heizkörper + Stromverbrauch] mit einem einfachen Kesseltausch [Gaskessel + Gasverbrauch] verglichen (die vorhandenen Heizkörper gelten als weiterhin funktionstüchtig). Grundlage ist unser Einfamilienhaus mit 100 m² in Colmar, wiederum mit Standard-Umweltdatensätzen (DED).

Bei einem Wärmebedarf von 14.000 kWh, davon 2.000 kWh für Warmwasser, haben wir die Systeme über 50 Jahre verglichen:

Diese Modellierung ergibt die folgende Ökobilanz für die Wärmepumpenvariante, diesmal mit dem Modul B6 (Energieverbrauch) neben dem Gerätesystem. Im Ergebnis zeigt sich schnell ein deutlicher Unterschied zwischen Gaskessel und Wärmepumpe!

Ein Vergleich der ersten zehn Jahre in Nooco zeigt: Das Wärmepumpensystem hat sich beim CO₂ bereits nach dreieinhalb Jahren amortisiert.

Diese Modellierung bestätigt, dass der Anteil der Energie nicht zu vernachlässigen ist. Entgegen einer verbreiteten Annahme liegt er jedoch deutlich unter dem Anteil des Kältemittels, sobald die Entscheidung für die Wärmepumpe und damit für Strom gefallen ist.

Da unser Einfamilienhaus in Colmar liegt, also nicht weit von Deutschland, haben wir uns gefragt, was passieren würde, wenn wir dieselbe Wärmepumpe auf der anderen Rheinseite unter identischen klimatischen Bedingungen einbauen.

In Frankreich gehört der Emissionsfaktor für Strom beim Endverbrauch mit 79 g CO₂-Äq./kWh zu den niedrigsten in Europa.

Dieser Faktor ist ein gewichteter Durchschnitt aller Stromerzeugungsquellen über ein Jahr: rund 12 g CO₂-Äq. für Kernkraft, 45 g CO₂-Äq. für Photovoltaik, 490 g CO₂-Äq. für Gas usw., zuzüglich der Importe.

Zum Zeitpunkt, als dieser Artikel verfasst wurde, zeigte die Website Electricity Maps für den in Deutschland verbrauchten Strom einen deutlich höheren Emissionsfaktor von 329 g CO₂-Äq./kWh. Trotz großer Kapazitäten bei den erneuerbaren Energien belastet der hohe Kohleanteil (Emissionsfaktor 820 g CO₂-Äq./kWh) den durchschnittlichen deutschen Emissionsfaktor stark.

Eine einfache Rechnung multipliziert die Wirkung des Stromverbrauchs des Wärmepumpensystems mit 4,16 (Emissionsfaktor Deutschland / Frankreich = 329 / 79 = 4,16). So steigt der CO₂-Fußabdruck von 595 kg CO₂-Äq./m² in Frankreich auf 1.053 kg CO₂-Äq./m² in Deutschland. Das ist nicht viel weniger als beim ersetzten Gaskessel …

Mit derselben vereinfachten Rechnung gehen wir noch weiter, nach Polen, das 561 g CO₂-Äq. pro verbrauchter kWh Strom ausstößt: Man käme auf 1.479 kg CO₂-Äq./m², also deutlich mehr als unser Gaskessel!

Diese Beispiele zeigen: Ob eine Wärmepumpe den CO₂-Fußabdruck senkt (bei gleicher Klimazone), hängt unmittelbar vom Strommix des Landes ab, in dem sie eingebaut wird.

In Frankreich, der Schweiz und Skandinavien ist sie eindeutig sinnvoll. Im übrigen Europa sollte man jedoch genau auf den Strommix des Landes achten.

Allerdings ist in Zeiten knapper werdenden Gases als Heizenergie der CO₂-Fußabdruck nicht der einzige Indikator. Den Verbrauch fossiler Energien durch elektrische Geräte zu senken, ist durchaus sinnvoll, solange der Strom nicht selbst aus Gas- und Kohlekraftwerken stammt …

Der Einfachheit halber haben wir unsere Analyse auf einen DED für Luft-Wasser-Wärmepumpen aus der INIES-Datenbank gestützt. Er soll repräsentativ für die Wärmepumpen am Markt sein, enthält aber Sicherheitszuschläge, die ihn bewusst ungünstig machen, um Hersteller zu Produkten mit noch geringerer Umweltwirkung zu bewegen.

Es gibt mehrere Hebel, um die Umweltwirkung einer Wärmepumpe zu senken, unter anderem:

• ein Kältemittel mit geringerer Umweltwirkung verwenden,
• die Masse des Geräts verringern,
• Recyclingmetalle einsetzen (siehe den Nooco-Artikel zu Lüftungskanälen aus Stahl).

Eine Reihe von Herstellern hat mitgezogen, und immer mehr Produkte verfügen über ein PEP (Profil Environnemental Produit, das französische Pendant zur EPD für technische Ausrüstung). Es bewertet die Umweltwirkung anhand von 27 Indikatoren und wird von einer externen dritten Stelle geprüft.

Ein PEP ist ein individuelles oder kollektives Datenblatt, das ein Hersteller oder ein Herstellerverband erstellt und das Umweltdaten zu einem Gerät oder einer Geräteart enthält.

In Nooco lassen sich für jedes Gerät alle zertifizierten Produkte (mit PEP) anzeigen, um jedes Produkt im Vergleich zu den ungünstigen Standarddaten einzuordnen (ohne Stromverbrauch).

Für die Wärmepumpe ergibt sich folgende Grafik, mit dem Indikator für den Beitrag zum Klimawandel auf der vertikalen Achse und der Leistung in kW auf der horizontalen Achse.

Jeder Punkt steht für einen Datensatz aus der INIES-Datenbank. Die dunkelblauen Punkte sind Standarddaten (DED) mit ihren Sicherheitszuschlägen. Die grünen Punkte sind reale Produkte am Markt (PEP).

Die Unterschiede sind sofort erkennbar und erheblich: rund −50 % im Durchschnitt bei Wärmepumpen um 5,5 kW und bis zu −75 % bei den besten Produkten!

Wählt man die 11-kW-Wärmepumpe mit der geringsten Wirkung und einem SCOP von 4,5 bei 35 °C, sinkt die Wirkung unseres Beispielprojekts von 595 auf 260 kg CO₂-Äq./m² (wenn auch für die übrigen Komponenten die besten PEP gewählt werden).

Mit den besten PEP senkt das Wärmepumpensystem selbst in Polen die CO₂-Emissionen gegenüber einem Gassystem, wenn auch knapp.

Unter diesen Bedingungen verdient unser Wahr-oder-falsch-Check einige Nuancen:

Anmerkungen und Quellen

(1) Baureihe AQUAREA ALL IN ONE HOCHLEISTUNG R32 GENERATION J, KIT-ADC03JE5:
https://frigrowebshops.blob.core.windows.net/frigrowebshopportal-documents/panasonic-aquarea-all-in-one-high-performance-serie_j_fr.pdf

(2) Ein Standard-Umweltdatensatz (DED, Donnée Environnementale par Défaut) ist ein vom französischen Staat erstellter generischer Datensatz mit Sicherheitszuschlägen. Er steht nicht für ein bestimmtes Produkt, sondern für eine ungünstige Obergrenze der Umweltwirkung des betrachteten Geräts.

(3) Ic ist der Indikator für die Wirkung auf den Klimawandel, gemessen in kg CO₂-Äq. und ermittelt mit der dynamischen Ökobilanz-Methode. „Dynamisch” im Gegensatz zu „statisch” bedeutet, dass die Treibhausgasemissionen nach dem Jahr ihres Ausstoßes gewichtet werden, um die zeitliche Wirkung besser abzubilden.

(4) 50 Jahre entsprechen der in der RE2020 festgelegten Nutzungsdauer eines Gebäudes, dem Referenzzeitraum für die Ökobilanz eines Gebäudes.

(5) PSR – Produktspezifische Regeln für elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmeerzeuger zur Raumheizung und/oder -kühlung und/oder Warmwasserbereitung:
http://www.pep-ecopassport.org/fileadmin/user_upload/PSR-0013-ed2.0-FR-2019_12_06_.pdf

(6) ALFEA EXTENSA A.I.5 R32 (v.1.1) (INIES-ID: 30787), Leistung 10 kW