Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist ein energieeffizientes Gerät, das thermische Energie mithilfe von Kühlung überträgt, um Wärme von einem wärmeren Raum in einen kühleren Raum zu transportieren und umgekehrt. Sie entzieht Wärme aus der Umgebung, z. B. aus der Luft, dem Erdreich, geothermischen Quellen, nahe gelegenem Wasser oder sogar Abwärme, und verstärkt sie, um sie an den gewünschten Ort zu übertragen. Sie ist dem traditionellen, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizsystem in Bezug auf Effizienz, Betriebskosten und Klimafreundlichkeit überlegen.

‍

Warum brauchen wir Wärmepumpen?

Fossile Brennstoffe machen immer noch 63 Prozent der weltweit zur Beheizung von Gebäuden verwendeten Energie aus. Dieser Anteil ist seit 2010 nur um 4 Prozentpunkte gesunken. Allein im Jahr 2022 summierten sich die Emissionen aus der Beheizung von Gebäuden auf etwa 4,2 Gigatonnen (Gt) Kohlendioxid – das sind 2,4 Gt CO₂ direkt aus der Verbrennung von Brennstoffen in Gebäuden und etwa 1,7 Gt CO₂ aus indirekten Emissionen, die der externen Strom- und Wärmeerzeugung zugeschrieben werden. Damit ist Wärme für mehr als 80 Prozent des CO₂-Austoßes im Gebäudesektor verantwortlich – das lässt sich mit Wärmepumpen ändern. 

Wärmepumpe und Gasheizung im Vergleich

Energieeffizienz: Eine Wärmepumpe kann mit einer einzelnen Kilowattstunde vier bis sechs Kilowattstunden an Wärme erzeugen. Im Gegensatz dazu erreichen die besten Gasheizungen lediglich eine Effizienz von rund 90 Prozent – also 0,9 Kilowattstunden Wärme pro Kilowattstunde Gas.  

Energiequelle: Wärmepumpen werden mit Strom betrieben. Dieser kann erneuerbar erzeugt werden und die Pumpe ist somit nicht abhängig von fossilen Brennstoffen. Gasboiler hingegen brauchen (noch) fossiles Erdgas.

Umweltverträglichkeit: Eine Wärmepumpe, die mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben wird, kann die Treibhausemissionen um 80 Prozent reduzieren. Im Vergleich dazu produziert ein Gasboiler 2,2 Tonnen CO₂ pro Jahr.   

Installationskosten: Wärmepumpen sind in der Anschaffungen teurer. Deswegen fördern viele Staaten die Technologie mit Subventionen. Im Betrieb sind Wärmepumpen allerdings meist günstiger als Gasboiler, sodass eine Wärmepumpe über die gesamte Lebensdauer meist günstiger ist als eine Gasheizung.  

Lebensdauer: Bei ordnungsgemäßer Wartung können Wärmepumpen bis zu 20 Jahre betrieben werden und sind zudem deutlich wartungsärmer und weniger fehleranfällig als Gasthermen, die meist nach 10 bis 15 Jahren ausgetauscht werden müssen.

Lautstärke: Auch wenn moderne Modelle immer leiser werden, sind Wärmepumpen noch immer – anders als Gasthermen – nicht geräuschlos. 

Sicherheit: Da Wärmepumpen ohne Verbrennung funktionieren, besteht kein Risiko für Kohlenmonoxid-Lecks. Auch wenn moderne Gasheizungen grundsätzlich sicher sind, sind Gasaustritte nie vollkommen auszuschließen.  

Heizleistung: Die Effizienz von Wärmepumpen lässt bei extremer Kälte nach. Moderne Modelle kommen jedoch mit kalten Temperaturen durchaus klar. So haben etwa zwei Drittel der norwegischen Haushalte Wärmepumpen installiert. Aber auch Gaskessel funktionieren selbst bei extremen Minusgraden noch zuverlässig.

Verwendung: Wärmepumpen können sowohl zum Erwärmen als auch zum Kühlen eingesetzt werden – als Klimaanlage in wärmeren Monaten und als Heizung während kälterer Monate. Gasboiler hingegen taugen ausschließlich zum Erwärmen von Wasser und Räumen. 

Heizen und Kühlen

Aus den oben genannten Gründen ersetzen Wärmepumpen Gas- und Ölheizungen und verringern so die Abhängigkeit von importiertem Gas für die Wärme und Warmwasserbereitung.  

Eine typische Wärmepumpe hat eine Leistungszahl Leistungszahl (engl: Coefficient of Performance) von etwa vier. Das heißt, ihre Energieabgabe übertrifft die für ihren Betrieb verwendete elektrische Energie um das Vierfache. Durch diese Effizienz sind moderne Wärmepumpen im Vergleich zu einem Gasboiler oder Elektroheizungen drei bis fünf Mal energieeffizienter und kostengünstiger im Betrieb.

Eine Klimaanlage benötigt, je nach Größe, bis zu 440 kWh pro Jahr. Das bedeutet, dass der weit verbreitete Einsatz von Klimaanlagen gleichzeitig eine enorme Menge an Strom verbraucht und Netze aufgrund der hohen Gleichzeitigkeit an ihre Grenzen bringen kann. Außerdem verwenden herkömmliche Klimaanlagen fluorierte Treibhausgase als Kühlmittel – diese haben einen bis zu
24.000-mal größeren Treibhauseffekt als Kohlendioxid. Die EU hat sich zum Ziel gesetzt, die Emissionen fluorierter Treibhausgase bis 2030 um 80% zu reduzieren, was alternative Kühlmittel oder -systeme erforderlich macht.

Till Sonnen, Experte für Business Development bei gridX sagt: „eine viel sinnvollere und nachhaltigere Technologie zur Raumklimatisierung, die effizient kühlen und ganzjährig heizen kann, wird oft übersehen: die Wärmepumpe. Sie ist ein echter Allrounder unter den Heizsystemen“, so Sonnen. Trotz ihres Potenzials ist vielen Haushalten nicht bekannt, dass Wärmepumpen zumindest theoretisch in der Lage sind, flächendeckend zu heizen und zu kühlen.

Arten von Wärmepumpen

Es gibt zwei Arten von Luft-Wärmepumpen (ASHP): Luft-Luft- und Luft-Wasser-Wärmepumpen. Luft-Luft-Wärmepumpen (ATA) unterscheiden sich nicht so sehr von herkömmlichen Klimaanlagen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sie nicht nur kühlen, sondern auch den Raum heizen können, wobei sogar ein Warmwasserspeicher angeschlossen werden kann. Im Gegensatz dazu erwärmen Luft/Wasser-Wärmepumpen (ATW) Heizkörper, Fußbodenheizungen und Warmwasser in einem Zentralheizungssystem – eine zentrale Wärmequelle, die Warmwasser erzeugt, das dann im Haus verteilt wird. 

Eine kanallose Luft-Wärmepumpe bietet effizientes Heizen und Kühlen für Wohneinheiten ohne Kanal nach außen. Ihre Umkehrkreiskühler erzeugen Warm-/Kaltwasser für Fußbodenheizungen. 

Einegeothermische Wärmepumpe, auch Erdwärmepumpe genannt, zirkuliert Wärme zwischen dem Haus und dem Erdreich oder einer nahe gelegenen Wasserquelle.

Eine Hybrid-Wärmepumpe (HHP) ist ein Heizsystem, das sowohl eine Wärmepumpe als auch eine zusätzliche Wärmequelle umfasst. In der Regel wird dabei eine Wärmepumpe mit einem Heizkessel für fossile Brennstoffe (Gas oder Öl) kombiniert, der bereits vorhanden oder neben der Wärmepumpe installiert sein kann.

Eine Absorptionswärmepumpe (AHP) ist von Natur aus komplexer und eine relativ neue Technologie. Sie nutzt Wärme oder thermische Energie, die aus einer Vielzahl von Wärmequellen stammt und mit diesen betrieben werden kann. Beispielsweise durch Verbrennung von Erdgas, Dampf, solar erwärmtem Wasser, Luft oder geothermisch erhitztem Wasser.  

Eine Brauchwasser-Wärmepumpe, auch Sanitär-Warmwasser-Wärmepumpe (SHW) genannt, erwärmt nur das Brauchwasser (Küchen, Bäder und Wäschereien) mit Strom, um Wärme aus der Umwelt zu erzeugen. Dies spart bis zu 70 Prozent Energie und ist wesentlich effizienter und wirtschaftlicher als herkömmliche Heizungen. 

Wie funktioniert eine Wärmepumpe? 

Ein Wärmepumpensystem besteht aus drei wichtigen Komponenten: dem Außengerät (Verdampfer), dem Innengerät (Verflüssiger) und dem Kältemittel. Das Kältemittel zirkuliert zwischen Außen- und Innengerät und überträgt dabei Wärme.  

Der Verdampfer verwendet Energie aus erneuerbaren Quellen (Luft, Wasser, Abwärme, Erdwärme oder Sonnenenergie) und macht diese nutzbar, indem er Flüssigkeit in Gas umwandelt. Wenn der Kompressor das Gas verdichtet, steigt dessen Temperatur und die zurückgewonnene Wärme kann für das Heizsystem genutzt werden.

Bei der Kühlung mit Wärmepumpen wird zwischen aktiver und passiver Kühlung unterschieden: Bei der aktiven Kühlung werden der Kompressor und ein reversibler Kältekreislauf verwendet. Dies ist mit jeder gängigen Art von Wärmepumpen möglich.  

Bei der passiven Kühlung hingegen wird lediglich mit einer Umwälzpumpe Wasser zirkuliert. Diese Methode funktioniert nur mit Erd- oder Grundwasserwärmepumpen.

Die Vorteile von Wärmepumpen

Für Verbraucher:innen

Verbraucher:innen können – dank der geringeren Betriebskosten von Wärmepumpen – über die gesamte Lebensdauer große Kosteneinsparungen erzielen. Zusätzlich lassen sich durch den smarten Betrieb von Wärmepumpen, beispielsweise durch die Kopplung mit Photovoltaikanlagen oder Zeitvariablen Tarifen, die Kosten weiter senken. 

Zusätzlich fördern viele Staaten in Europa Wärmepumpen mit Subventionen, um die Anschaffungskosten für Verbraucher:innen zu senken und die Wärmewende zu beschleunigen. 

Zusätzlich zu den finanziellen Vorteilen ermöglichen Wärmepumpen, Verbraucher:innen ihren persönlichen CO₂-Fußabdruck signifikant zu senken.

Für Energieversorger 

Die Elektrifizierung des Gebäudesektors bietet Energieversorgern eine Möglichkeit, ihr Angebot zu erweitern und Endverbraucher:innen ganzheitliche Energielösungen für ihr Zuhause anzubieten. Wärmepumpen sind zudem sehr kosteneffiziente Lösungen.  

Die Aufnahme von Wärmepumpen ins Portfolio birgt ein immenses Potenzial, wenn man bedenkt, dass nur 13 Prozent der befragten deutschen Versorger diese derzeit ihren Kund:innen anbieten. 

Verivox gibt an, dass ein durchschnittliches Einfamilienhaus mit einem Erdgasverbrauch von 20.000 kWh jährlich etwa 2.100 Euro ausgibt. Die Entscheidung für eine effiziente Wärmepumpe mit einem COP-Faktor von 4 würde die Kosten auf 1.451 Euro pro Jahr senken.

Die Erschließung neuer Einnahmequellen und die Nutzung einer zukunftssicheren Technologie, die exponentiell wächst, ist ein wichtiger Beweggrund für Energieversorger, Wärmepumpen in ihr Portfolio aufzunehmen.

Für Immobilien- und Bauunternehmen 

Immobilien- und Bauunternehmen verschaffen sich einen Wettbewerbsvorteil, wenn sie energieeffiziente Gebäude anbieten können, da Gebäude, die unter Berücksichtigung energieeffizienter Merkmale und nachhaltiger Technologien wie der Integration von Wärmepumpen und Solaranlagen konzipiert wurden, zu niedrigeren Betriebskosten führen. Angesichts der zunehmenden Bedeutung umweltfreundlicher Praktiken macht die Berücksichtigung von Umwelt-, Sozial- und Governance-Prinzipien (ESG) Immobilienentwickler auch für sozialbewusste Investor:innen und Verbraucher:innen attraktiver.

Für Regierungen

Weltweit sind die meisten Gebäude für die Beheizung von Raum und Wasser noch immer stark auf fossile Brennstoffe angewiesen. Wärmepumpen stellen jedoch eine hocheffiziente und klimafreundliche Alternative dar. Sie bieten Kosteneinsparungen für die Verbraucher:innen und einen Weg für Staaten, ihre Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen zu verringern. Smart in Energiesysteme integriert und gesteuert, können Wärmepumpen als große, flexible Lasten netzdienlich agieren und so das Netz stützen.

Der Wärmepumpenmarkt in Europa 

Die EU-Länder beschließen ein Ziel von 42,5 % erneuerbarer Energien bis 2030. In diesem Zusammenhang bieten die Regierungen Subventionen an, um private und öffentliche Akteure zum Umstieg auf dezentrale Energiequellen zu ermutigen.  

Der europäische Wärmepumpenmarkt ist im Aufschwung und die Wachstumsrate steigt stetig. Im Jahr 2022 stieg die Zahl der installierten Geräte auf 3 Millionen an – ein Wachstum von 38 Prozent im Vergleich zu 2021. Dieser Aufwärtstrend setzte sich im Vergleich zum Vorjahr mit einem Anstieg von 34 Prozent fort und übertraf das prognostizierte jährliche Wachstum von 10 Prozent.  

Wachstum auf dem Wärmepumpenmarkt

• In Deutschland sollen ab 2024 jährlich 500.000 Wärmepumpen installiert werden.
• Frankreich strebt bis Ende 2023 eine Gesamtzahl von 2,7 bis 2,9 Millionen installierten Wärmepumpen an.
• Belgien verzeichnete ein deutliches Wachstum von 118 Prozent – dicht gefolgt von Polen mit 112 Prozent und Tschechischen mit 106 Prozent.

Subventionen für Wärmepumpen in ganz Europa

• Deutschland: Bis zu 25 Prozent der Investitionskosten für die Installation einer neuen Wärmepumpe werden vom Staat übernommen – im Falle einer AKW bis zu 18.000 Euro.
• Niederlande: Der Staat bietet einen durchschnittlichen Zuschuss von 30 Prozent des Kaufpreises einer neuen Wärmepumpe.  
• Österreich: Der Staat gewährt Zuschüsse von bis zu 5.000 Euro für Einfamilienhäuser und 1.000 Euro für mehrstöckige Häuser für Luft-, Wasser- oder Erdwärmepumpen.
• Kroatien: Der Staat gewährt einen Zuschuss von bis zu 40 Prozent für ATW-, GSHP- und SHW-Wärmepumpen und bis zu 80 Prozent in wirtschaftlich weniger entwickelten Regionen.
• Dänemark: Der Staat bietet verschiedene Zuschüsse und Stufen mit bis zu 4.573 Euro für neue und renovierte Gebäude für ATW und AKW an.
• Frankreich: Der Staat bietet bis zu 15.000 Euro für renovierte Einfamilienhäuser von 2020 bis 2024 an.
• Litauen: Der Staat bietet Zuschüsse von bis zu 14.500 Euro für neue und renovierte Einfamilienhäuser mit ATA, ATW, GSHP, HHP oder SHW an. 

Autarkieoptimierung

Die Dekarbonisierung der Heizung wird durch die Optimierung der Autarkie beschleunigt. Dies wird durch die Integration der Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage erreicht, um die Menge des lokal erzeugten erneuerbaren Stroms für die Heizung zu maximieren. In fortschrittlicheren Anwendungsfällen kann die Wärmepumpe überschüssige Solarenergie als Wärmeenergie speichern, um sie später zu nutzen, wenn die Sonne nicht mehr scheint, und so den Eigenverbrauch und die Selbstversorgung der Hausbesitzer steigern. 

Die Stromflüsse zwischen den Anlagen können nur mit einem intelligenten Energiemanagementsystem im Haus als Grundlage optimieren. "Die Integration einer Photovoltaikanlage mit einem Batteriespeichersystem und einer Wärmepumpe fördert nicht nur den Verbrauch von lokal erzeugtem, umweltfreundlichem Strom, sondern verbessert auch den ökologischen Fußabdruck und reduziert die Abhängigkeit vom Netz", erklärt Till Sonnen, Wärmepumpenexperte bei gridX.  

Um die Energiekosten weiter zu minimieren, können Wärmepumpen über dynamischen Strompreisen so programmiert werden, dass sie in Zeiten niedriger Preise arbeiten. „Wenn man in großem Umfang auf Wärmepumpen mit selbst erzeugtem, nachhaltigem Strom setzt, kann man die Stromrechnungen deutlich senken, da der Verbrauch an selbst erzeugter und kostenloser Energie steigt, und gleichzeitig den Bewohner:innen jederzeit thermischen Komfort garantieren“, so Emeline Georges, Techlead Rule-based EMS bei gridX. 

Steuerung der Wärmepumpe

Die Steuerung von Wärmepumpen ist auf diese zwei Arten möglich: 

1. EEBus-Kommunikationsprotokoll: Ermöglicht die nahtlose Kommunikation zwischen Geräten, unabhängig von deren Hersteller oder der zugrunde liegenden Technologie. 
2. SG Ready: Die Steuerpins der Wärmepumpe werden über eine physische Verkabelung mit den digitalen Ausgangsports des E/A-Geräts verbunden. Da SG Ready-gekennzeichnete Wärmepumpen keine Messungen anbieten, ist es zwingend erforderlich, einen Wärmepumpenzähler zu Überwachungszwecken zu installieren.

Die gridBox unterstützt die Smart-Grid-Ready (SG-Ready)-Wärmepumpensteuerung, die in der Regel über serielle Kontakte oder spezifische Protokolle erfolgt. Ein I/O Extender muss integriert werden, um die Schnittstelle zwischen der gridBox und den Wärmepumpenpins zu verwalten. Die Wärmepumpen werden dann über die digitalen Ausgangsanschlüsse des I/O-Extenders gesteuert.