Wärmeerzeugung

Abbildung 2: Rechts ist die Herstellung von EE-Gas und Nutzung in einer üblichen Brennwerttherme abgebildet. Für 100 % Wärme müssen 240 % erneuerbare Energie produziert werden. Im links abgebildeten Pfad werden demgegenüber nur 73 % der Nutzenergie benötigt, obwohl die Hälfte des benötigten Stroms verlustbehaftet gespeichert und rückverstromt wird. Selbst in diesem sehr ungünstigen Fall kommt die Wärmepumpe mit weniger als einem Drittel des Bedarfs an erneuerbarem Strom zur Erzeugung synthetischen Gases zur Nutzung in einer Gastherme aus.

Warum wir dem Vertrauten nicht mehr trauen sollten

Biomasse – in Form von Energieholz – ist ein erneuerbarer Energieträger, dessen Potenzial im Gegensatz zu Wind- und Sonnenenergie schon zu einem großen Teil ausgeschöpft wird. Eine verstärkte Nutzung ist hier und da möglich; dem Ausbau sind aber generell und besonders im urbanen Bereich enge Grenzen gesetzt. Eine Vervielfachung der Nutzung, wie sie bei Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen bevorsteht, ist hier ausgeschlossen, was einen zielgerichteten Einsatz der vorhandenen Ressourcen erforderlich macht.

Dabei wäre Energieholz für Raumheizungszwecke durchaus geeignet; die Eigenschaften dieses Energieträgers qualifizieren ihn jedoch auch für „höhere“ Aufgaben. So ist Biomasse etwa prädestiniert für den Einsatz in der Industrie, insbesondere für Prozesswärme im mittleren Temperaturbereich zwischen 100 °C und 500 °C.

Zurück zum Gas. „Blaues“ Gas ist Erdgas, dessen Kohlenstoffgehalt nach der Verbrennung nicht emittiert, sondern abgeschieden und gespeichert bzw. anderweitig genutzt wird. Abgesehen davon, dass diese Technologie ökonomisch allenfalls in großtechnischen Anlagen anwendbar ist (also keinesfalls im Abgasstrom einer Gastherme), liegt der Pferdefuß dieses Ansatzes in den vorgelagerten Emissionen: Rund ein Fünftel der Treibhausgasemissionen ist der Förderung und den Verlusten beim Transport von Erdgas zuzuordnen.

„Grünes“ Gas schneidet diesbezüglich zwar i.d.R. besser ab, sollte aber nach Ansicht der überwiegenden Mehrheit der Experten bei der Beheizung von Gebäuden in Zukunft dennoch keine Rolle spielen: Allen Produktionsmöglichkeiten gemein sind das beschränkte Potenzial und die hohen Kosten: „Biomethan“ kann aus Klärschlamm, aus Abfällen der Landwirtschaft und aus der Lebensmittelproduktion gewonnen werden; die Ausbaupotenziale sind durchwegs gering. Eine weitere Option sind eigens hierfür angebauten Energiepflanzen. Wenn hiermit relevante Mengen produziert werden sollen, müssten dafür allerdings riesige, wertvolle landwirtschaftliche Flächen verwendet werden.

Allerdings ist zukünftig von einem enormen Bedarf an grünem Wasserstoff seitens der Industrie auszugehen – insbesondere die Produktion von Ammoniak und Stahl sowie die chemische Grundstoffindustrie müssen auf diese Art und Weise dekarbonisiert werden. Darüber hinaus ist die Nutzung einer Kilowattstunde Strom in Heizungs-Wärmepumpen um bis zu sechsmal effizienter, als die Produktion von synthetischem Gas und dessen Nutzung in einem Brennwertkessel (siehe nachfolgende Abbildung 2).

Direktelektrische Wärmeerzeuger sollten nur noch in Sonderfällen zum Einsatz kommen – auch wenn es sich um erneuerbare elektrische Energie handelt. Als Hauptheizsystem scheiden direktelektrische Wärmeerzeuger deshalb aus, auch im maximal effizienten Passivhaus.

Wärmenetze

Auf- und Ausbau von Wärmenetzen sind meist aus einem der folgenden zwei Gründe sinnvoll: Bei sehr hoher Wärmedichte, also hohem Energiebedarf pro Fläche, und bei großem nutzbaren Abwärmepotenzial. Im ersten Fall sind Wärmenetze zum einen am wirtschaftlichsten zu betreiben, zum anderen ist die flächendeckende Installation von dezentralen Wärmepumpen in dicht bebauten Gebieten mit größeren Herausforderungen verbunden. Die effiziente Nutzung von Abwärme ist hingegen energiepolitisch geboten.

Die Vorteile von Wärmenetzen liegen auf der Hand: Die Investitionskosten für den Kunden beschränken sich auf Anschlussgebühren und sind somit sehr gering. Die Wärme wird als „Sorglos-Paket“ geliefert; um den zuverlässigen Betrieb, um Wartung und Reparaturen kümmert sich der Betreiber des Wärmenetzes. Auch Ersatzanschaffungen sind nicht zu tätigen. Viele Biomasse-Wärmenetze liefern schon heute „grüne“ Wärme; aus bereits genannten Gründen steht hier mittelfristig die Umrüstung auf KWK an. Für städtische Wärmenetze stellt die Dekarbonisierung aber oft noch einen Kraftakt dar: Die aus kalorischen Kraftwerken ausgekoppelte Wärme stammt aus Gas und Kohle (letzteres fast nur noch in Deutschland), diese Wärmemengen müssen zukünftig regenerativ bereitgestellt werden. Abwärme aus Müllverbrennung und Industrie bietet ein großes Potenzial, weitere Quellen müssen aber ergänzt werden – etwa Abwärme aus der Biomasse-Verstromung, Solarthermie und in manchen Regionen auch Tiefengeothermie. Vervollständigt wird das Angebot durch Groß-Wärmepumpen, die entweder ebenfalls industrielle Abwärme – mit niedrigen Temperaturen – nutzen, oder andere Wärmequellen, wie Fluss- und Seewasser oder Abwärme aus Klärwerken.

Entsprechend diesem Angebot werden Wärmenetze in Zukunft oft nicht aus einer, sondern aus mehreren Wärmequellen gespeist. Dabei kann jeder Wärmeerzeuger gemäß seiner Charakteristik eingesetzt werden – manche Quellen stehen ganzjährig zur Verfügung, Abwärme aus Biomasseverstromung tendenziell im Winter, Groß-Wärmepumpen vorzugsweise bei ausreichendem Angebot von erneuerbarer elektrischer Energie. So entstehen multimodale Wärmenetze, die neben ihrer Kernaufgabe der Wärmeversorgung auch eine energiepolitische Aufgabe übernehmen. Planung und Umsetzung dieser Netze werden in den nächsten Jahrzehnten eine der zentralen Herausforderungen der Wärmewende darstellen.

Wärmepumpen

Wärmepumpen sind in der Lage, einem kühlen Medium Energie zu entziehen und diese Energie auf ein wärmeres Medium zu übertragen. Ein elektrisch betriebener Verdichter pumpt die Wärme sozusagen auf ein höheres Niveau. Dadurch kann auch im Winter Umgebungswärme zu Heizzwecken genutzt werden. Die effiziente Warmwasserbereitung ist schon etwas anspruchsvoller zu realisieren: Ein zentraler Warmwasserspeicher müsste aus hygienischen Gründen ständig auf mindestens 60 °C gehalten werden, obwohl nur Warmwassertemperaturen um 40 bis 45 °C genutzt werden. Eine solche Installation würde die Wärmepumpeneffizienz massiv beeinträchtigen. Der normenkonformen Umsetzung der effizienten Warmwasserbereitung ist deshalb besondere Beachtung zu schenken.

In Summe kann also mit einer Kilowattstunde elektrischer Energie meist eine Wärmemenge von drei bis vier Kilowattstunden bereitgestellt werden. Während eine Kilowattstunde aus Erdgas mit einer Emission von 240 Gramm CO2 verbunden ist, kommen wärmepumpenbeheizte Gebäude mit der Hälfte oder sogar einem Drittel davon aus: Aufgrund des zunehmend hohen Anteils an erneuerbaren Energien liegt die spezifische Emission der elektrischen Energie im Winter – je nach Region – auf einem Niveau von 250 bis 450 Gramm CO2. Eine Jahresarbeitszahl von 3,5 führt somit zu Emissionswerten zwischen 70 und 130 Gramm CO2 pro Kilowattstunde Wärmeenergie.

Perspektivisch stellt sich die Situation noch wesentlich besser dar: Der massive Ausbau erneuerbarer Energien führt zu einem stetig sinkenden Emissionsfaktor der elektrischen Energie. So soll etwa Österreich gemäß Regierungsprogramm bereits 2030 jahresbilanziell 100 % der elektrischen Energie aus erneuerbaren Quellen bereitstellen. Die Treibhausgasemissionen von Strom werden daher weiterhn sinken, während die von Gas konstant bleiben (Fritsche 2021).

Empfehlungen für die Wahl des richtigen Produktes

• Richtige Dimensionierung: Die Wärmepumpe muss bei Norm-Auslegungstemperatur (je
  nach Region -10 °C oder kälter) die Norm-Heizlast des Gebäudes abdecken und darüber
  hinaus die Energie für die Warmwasserbereitung liefern können. Eine wesentlich größere
  Nennleistung der Wärmepumpe wäre kontraproduktiv, da dies mit einer Überdimensionie-
  rung und somit Verteuerung der gesamten Anlage verbunden ist.
• Die Modulierung (Leistungsregelung) des Verdichters ist bei Luft-Wärmepumpen beson-
  ders wichtig: Bei geringerem Bedarf wird zum einen die Vorlauftemperatur reduziert, zum
  anderen kann auch die Leistungsaufnahme des Ventilators verringert und/oder mit geringe-
  rer Temperaturdifferenz und somit höherer Verdampfungstemperatur gearbeitet werden.
  Alle drei Effekte steigern die Effizienz.
• Die Gesamteffizienz einer Wärmepumpe wird durch einen sehr sperrigen Ausdruck beziffert
  – die „jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz bei Niedertemperaturanwen-
  dung“. Bei Luft-Wärmepumpen liegen die marktniedrigsten Werte unter 130 %, die besten
  über 200 %. Obwohl der Wert nur bedingt aussagekräftig ist, kann man als Richtwert für
  eine effiziente Anlage 180 % ansetzen. Eine zuverlässigere Aussage liefert der COP im Be-
  triebspunkt A2 W35 (gemessen nach EN 14511): Liegt dieser Wert (deutlich) oberhalb von
  4,0, entscheidet man sich für ein (sehr) effizientes Produkt. Bei Sole-Wärmepumpen werden
  für die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz bei Niedertemperaturanwendung
  Werte von über 220 % erreicht – mit 200 % oder mehr ist man i.d.R. gut beraten. Auch hier
  bietet der COP mehr Sicherheit: Mit 4,5 oder mehr im Betriebspunkt B0 W35 gehört das
  Gerät zu den effizientesten.
• Der Schallleistungspegel im Freien variiert ebenfalls sehr stark: Werte unter 40, für größere
  Geräte aber auch über 70 dB(A) sind zu finden. Wie bereits beschrieben, ist die genaue
  Berechnung der akustischen Situation unbedingt erforderlich, des Weiteren sind auch dies-
  bezüglichen Grenzwerte regional sehr unterschiedlich. Ob ein Gerät mit 50 dB(A), 55 dB(A)
  oder auch 60 dB(A) Schallleistung noch zulässig und vertretbar ist, hängt somit von vielen
  Parametern ab.
• Neubauten werden sehr häufig mit Photovoltaik-Anlagen ausgestattet. Um möglichst viel
  der eigenen Sonnenenergie selbst zu verwenden, sind bereits viele Wärmepumpen mit einer
  entsprechenden Schnittstelle ausgestattet. Das Label „SG ready“ weist darauf hin, dass die
  Wärmepumpensteuerung auf das Angebot der PV-Anlage reagieren kann und somit den
  Eigennutzungsanteil erhöht.
• Den Aspekten der bisherigen Auflistung ist jedenfalls größte Beachtung zu schenken. Sollte
  sich innerhalb der in Frage kommenden Geräte noch eines mit niedrigem GWP finden – etwa
  R290 (Propan) – ist die Idealkomponente gefunden.

Dieser Beitrag ist ein Auszug aus der Publikation Low Cost nZEB, Paris-kompatible Mehrfamilienhäuser. Sie möchten mehr erfahren? Hier gehts zur ungekürzten Langfassung.