Wärmepumpen gelten als Wundermittel der Energiewende. Aber wie klimafreundlich sind die elektrischen Heizungen eigentlich?
Inhalt
Wärmepumpen sollen eine klimafreundliche Alternative zu Öl- und Gasheizungen sein.
Mit dem Gebäudeenergiegesetz soll ihnen zum Durchbruch verholfen werden, trotz hoher Kosten.
Aber wie sinnvoll sind die elektrischen Heizungen als Klimaschutzmaßnahme?
Die Antwort überrascht: Vor dem Kohleausstieg sparen Wärmepumpen gar kein CO2 gegenüber Erdgas.
Warum werden sie dann so gehyped?
Wie viel CO2 stoßen Gasheizung, Ölheizung & Wärmepumpe aus?
CO2-Emissionen von Wärmepumpe und Brennwertheizung im Vergleich:
480 gCO2/kWhth Brennwertheizung (Holzpellets)
450 gCO2/kWhth Brennwertheizung (Heizöl)
300 gCO2/kWhth Luft-Wärmepumpe (Marginalstrom)
264 gCO2/kWhth Brennwertheizung (Erdgas)
220 gCO2/kWhth Luft-Wärmepumpe (Erdgas)
150 gCO2/kWhth Luft-Wärmepumpe (Strommix)
CO2-Emissionen im Betrieb, ohne Lebenszyklus
Diese Zahlen ergeben sich aus dem Wirkungsgrad und den lokalen CO2-Intensitäten in Deutschland in Dreisatzrechnung.123 Die Zahlen für den gesamten Lebenszyklus unterscheiden sich kaum, solange sie von den Betriebs-Emissionen dominiert werden.
Ob eine elektrische Luft-Wärmepumpe klimafreundlich ist, hängt hauptsächlich von der CO2-Intensität der zum Heizen verbrauchten Elektrizität ab. Bei dreckigem Strom ist eine mit Erdgas betriebene Heizung besser fürs Klima.
Weil Deutschland (viel Kohle) sehr klimaschädlichen Strom erzeugt, sind die CO2-Emissionen der Wärmepumpe bei uns recht hoch. Die CO2-Intensität ist in Ländern wie Frankreich (viel Kernkraft) oder Norwegen (viel Wasserkraft) deutlich besser.
Nach dem realistischen Marginalstrom-Ansatzstoßen elektrische Wärmepumpen in Deutschland mehr CO2 aus als Gas-Brennwertheizungen. Den Strommix anzusetzen ist Schönrechnerei durch Doppelzählung.
CO2-Intensität Wärmepumpe: Marginalstrom vs Strommix
Beim verwendeten Strom lässt sich die Klimabilanz von Wärmepumpen schön oder schlecht rechnen:
~1200 gCO2/kWh CO2-Intensität von deutscher Braunkohle: Wärmepumpen-Gegner rechnen unaufrichtig so als ob Wärmepumpen mit Braunkohle betrieben werden.
~ 450 gCO2/kWh CO2-Intensität vom deutschen Jahresmittel: Wärmepumpen-Fans rechnen ebenso verlogen mit dem Durchschnitts-Strommix in Deutschland.
~ 800 gCO2/kWh CO2-Intensität vom deutschen Marginalstrom: Die Wahrheit liegt dazwischen.
Die klimafreundlichen Erzeuger Wind, Solar, Wasserkraft und Kernkraft liefern grundsätzlich so viel sie können. Auf eine Veränderung des Verbrauchs müssen deshalb klimaschädliche fossile Kraftwerke reagieren.
Stell dir vor, Emma hat eine Hybridheizung mit elektrischer Wärmepumpe und Gas-Brennwertkessel. Wenn sie an einem Heiztag die Wärmepumpe abschaltet und nur mit Erdgas heizt, dann kann ein Kohlekraftwerk oder Gaskraftwerk die Leistung drosseln.
Selbst wenn Emma eine eigene Solaranlage auf dem Dach installiert hat, ändert das nichts. Es ist klimafreundlicher, mit dem Solarstrom fossilen Strom aus dem Netz zu verdrängen, statt damit zu heizen.
Deshalb ist es falsch den Durchschnittsstrom anzusetzen. Damit zählt man klimafreundlichen Strom doppelt. Braunkohle, Steinkohle und Erdgas bestimmen die CO2-Intensität des Wärmepumpenstroms, nicht Wind und Solar.
Eine Einschätzung des Klimaeffekts von Marginalstroms befindet sich am Ende des Artikels. Zugegeben, die Grenzstrombetrachtung ist unintuitiv. Hier ist noch ein anderer Erklärungsversuch des Marginalstroms.
Wie sinken die CO2-Emissionen von Wärmepumpen bis 2025, 2035 & 2045?
Heute mag die elektrische Wärmepumpe noch nicht klimafreundlich sein. Aber wenn der deutsche Strom sauberer wird, sinken automatisch ihre CO2-Emissionen. Was bedeutet das für die Jahre 2025, 2035 und 2045?
2025 – 800 gCO2/kWhel Marginalstrom: In den Zwanziger Jahren wird sich der Wärmepumpen-Marginalstrom-Mix kaum verändern, selbst bei einem Turboausbau von Wind und Solar. Durch höhere CO2-Preise könnte ein Teil der Kohle durch Gas verdrängt werden, was zu einer kleinen Verbesserung führt.
2035 – 600 gCO2/kWhel Marginalstrom: Bis Mitte der Dreißiger Jahre wollen wir aus der Kohle aussteigen. Ohne Kohlekraftwerke wird der Marginalstrom-Mix durch Erdgas mit rund 660 gCO2 pro kWh dominiert. Immer häufiger kann die Windkraft 100% des Stromverbrauchs erzeugen und senkt die CO2-Intensität weiter. Wärmepumpen sind Mitte der Dreißiger klimafreundlicher als Gas-Brennwertheizungen.
2045 – 40 gCO2/kWhel Marginalstrom: Mitte der Vierziger Jahre wollen wir klimaneutral sein. Die fossile Verbrennung soll komplett verdrängt sein und der Marginalstrom wird durch Wind, Solar und neue Wasserstoffkraftwerke bereitgestellt. Wärmepumpen sind Mitte der Vierziger deutlich klimafreundlicher als die Alternativen.
Perspektivisch könnten die CO2-Emissionen der Wärmepumpen sogar auf 0 fallen. Dazu müssten Rohstoffgewinnung, Fertigung sowie Plastik-, Aluminium- und Stahlerzeugung 100% klimaneutral werden. Ebenso müsste die Herstellung von Solar- und Windanlagen klimaneutral werden.
Das ist aber äußerst unwahrscheinlich. Wegen hoher Energiekosten in Deutschland wird wohl ganz im Gegenteil unsere Industrie ins Ausland auswandern, mit entsprechend hohen CO2-Emissionen. (Carbon-Leakage)
Wärmepumpen-Typen: Jahresarbeitszahl bei Luft, Erdwärme & Grundwasser
Die eher schlechte Klimabilanz gilt für Luft-Wärmepumpen. Das sind Wärmepumpen mit sichtbarem Außengerät, die von der Umgebungstemperatur abhängig sind. Bei kalten Außentemperaturen sinkt deren Wirkungsgrad.
Wasser- oder Erd-Wärmepumpen sind von der Außentemperatur unabhängig und haben deshalb einen höheren Nutzungsgrad. Das drückt sich in Jahresarbeitszahlen von rund 4 aus, statt rund 3 bei Luft-Wärmepumpen.4
Erd- und Wasser-Wärmepumpen sind deshalb heute schon klimafreundlicher als Gas-Brennwertheizungen, trotz des dreckigen deutschen Stroms. Sie werden aber nicht oft eingebaut, hauptsächlich bei Neubauten von Einfamilienhäusern.
Für Nachrüstungen sind hingegen Luft-Wärmepumpen die mit Abstand die beliebteste Wahl. Außenluft als Wärmequelle bedeutet deutlich weniger Aufwand als bei Erd- und Wasser-Wärmepumpen und auch der Investitionsbedarf ist kleiner.
Eine Wasser- oder Erd-Wärmepumpe in einem Neubau ist eigentlich ein Nobrainer – falls genug Platz vorhanden ist und sich eine Installationsfirma findet, ohne eine Wartezeit von mehreren Jahren.
Hybrid-Heizung: Kombis sind effizienter als Wärmepumpe allein
Man muss keine Erd- oder Wasser-Wärmepumpe installieren, um eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) zu erzielen. Auch eine Hybrid-Heizung kann die Effizienz bereits signifikant steigern.
Hybrid-Heizungen sind generell eine Kombination von mindestens 2 verschiedenen Energieträgern. Interessant ist es zum Beispiel, eine alte Öl- oder Gasheizung mit einer zusätzlichen Wärmepumpe aufzurüsten.
Die Wärmepumpe wird nur als Zusatzheizung dimensioniert und auf niedrige Vorlauf-Temperaturen konfiguriert. Wenn es zu kalt wird, springt zusätzlich die fossile Heizung ein.
Weil beide Heizungen in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden, steigen die Jahresarbeitszahlen. Bei Luft-Wärmepumpen ist z.B. eine Steigerung von JAZ 3 auf 4 möglich.
Hybrid-Heizungen sind also ein günstiger und einfacher Weg eine Gas-Brennwertheizung klimafreundlicher zu machen. Wie gut eine bestimmte Heizungs-Kombination funktioniert, zeigt dieser Wärmepumpen-Rechner.
Günstige Wärmepumpen-Alternative: Heizen mit Klimaanlage
Eine Hybrid-Heizung muss keine vollwertige Wärmepumpe beinhalten und die Wärmepumpe muss auch nicht unbedingt an eine Zentralheizung angeschlossen sein. Es muss nicht einmal eine Zentralheizung geben.
Die Minimallösung sind kleine Klimaanlagen, die dezentral einzelne Räume heizen können. Diese sogenannten Klima-Splitgeräte funktionieren vom Prinzip genauso wie die großen Luft-Wärmepumpen und können ebenso effizient sein.
Vorteile einer Hybrid-Heizung mit Klimaanlagen sind:
günstiger Preis
gute Verfügbarkeit
einfache Installation
Klima-Anlage im Sommer
Nachteile gibt es auch, insbesondere die störende Optik und die schlechte Verteilung der warmen Luft im Raum ohne Heizkörper.
Gebäudeenergiegesetz: Was bedeutet das GEG für den Heizungstausch?
Das Gebäudeenergiegesetz schreibt in der Fassung vom 19. April 2023 bei allen neu installierten Heizungen einen regenerativen Anteil von 65% vor. Das gilt für Neubauten genauso wie für einen Heizungstausch.5
Der Trick dabei ist, dass die Umgebungswärme der Wärmepumpe als “regenerativ” gewertet wird. Bei einer Jahresarbeitszahl von 2,9 wäre der Anteil einer Wärmepumpenheizung demnach 65% regenerativ, selbst bei 100% Kohlestrom.6
Durch diesen Trick dürfte eine Alleinheizung über eine Wärmepumpe mit Gasantrieb statt elektrischem Antrieb ebenso erlaubt sein. Solange die Jahresarbeitszahl bei mindestens 2,9 liegt, ist der regenerative Anteil bei 65% oder höher.
Eine hybride Heizung mit Wärmepumpe wird ebenso akzeptiert, wenn man nachweisen kann, dass 65% der Heizwärme regenerativ erzeugt werden. Ein Aufbessern durch z.B. Brauchwasser-Solarthermie ist möglich, dann zählt das Gesamtsystem.
Wenn die Wärmepumpe bei einer Hybrid-Heizung mindestens 30% der Leistung der Komplementärheizung erbringt, wird auf einen Nachweis des 65%-Anteils sogar aus Kulanz verzichtet.
Das Heizen mit Holz und Holzpellets wird, obwohl sehr klimaschädlich, zu 100% als regenerativ angerechnet. Auch Direktheizungen werden als 100% regenerativ angerechnet, weil erwartet wird, dass der Strom dekarbonisiert wird.
Möglich wäre sogar das Heizen mit “grünem Gas”, solange der Massenanteil bei 65% liegt. Das ist aber bisher nur eine theoretische Option. Selbst wenn sie verfügbar sein werden, dürften E-Fuels zu teuer sein um sie zu verheizen.
Haushalte mit Fernwärme sind von der Regelung ausgenommen, egal wie die Fernwärme erzeugt wird. Es wird unterstellt, dass das Fernwärmenetz sowieso dekarbonisiert wird.
Klimaschutzmaßnahme: Ist ein Öl- und Gasheizungsverbot gerechtfertigt?
Anhand der Ausführungen oben sollte klar sein: das Gebäudeenergiegesetz (GEG) enthält gar kein Einbauverbot von Öl- und Gasheizungen. Eine fossile Heizung kann immer noch installiert werden, wenn zusätzlich eine deutlich kleinere Wärmepumpe eingebaut wird.
Solche Hybrid-Heizungen sind wegen der höheren Effizienz auch für den Klimaschutz besser. Bei einer Alleinheizung mit elektrischer Luft-Wärmepumpe müssten wir erst auf den Kohleausstieg warten, um überhaupt CO2-Emissionen zu vermeiden.
Eine wirksame Klimaschutzmaßnahme ist das GEG trotzdem nicht. Selbst Habecks Wirtschaftsministerium geht von bestenfalls 10,5 Millionen Tonnen CO2-Vermeidung jährlich ab 2030 aus.7
Dabei rechnet sich das BMWK die Einsparungen auch noch schön, mit einem erwarteten Marginalstrom von 650 gCO2/kWhel im Jahr 2030.8 So niedrig wird der Marginalstrom aber erst nach dem Kohleausstieg.
Warum soll eine dermaßen ineffiziente Klimaschutzmaßnahme trotzdem per Gebäudeenergiegesetz jetzt schon eingeführt werden? Das liegt wahrscheinlich am deutschen Klimaneutralitäts-Ziel 2045.
Heizungssysteme haben lange Lebenszeiten von mehreren Jahrzehnten. Wenn heute neue Öl- und Gasheizungen eingebaut werden, würden die mit hoher Wahrscheinlichkeit 2045 noch betriebsbereit sein.
Mit der Lebenszeit als Argument, ist es aber völlig inkonsequent überhaupt noch fossile Heizungen als Hybrid-Heizung zu erlauben. Das GEG landet zwischen den Stühlen Klimaneutralität und effizienter CO2-Vermeidung.
Generell schadet ein Klimaneutralitäts-Ziel, wie das deutsche, dem Klimaschutz. Ineffiziente Maßnahmen, wie Wärmepumpen oder E-Autos werden vorgezogen. Insgesamt wird so mehr CO2 emittiert.
Dem Klima ist es egal, WANN CO2 ausgestoßen wird. Entscheidend ist, WIEVIEL CO2 noch ausgestoßen wird. Am effizientesten ließe sich das durch einen CO2-Preis minimieren.
Das Gebäudeenergiegesetz ist also Symbolpolitik statt pragmatischem Klimaschutz, wie so oft in der Energiewende. Dabei wird leider auch noch viel politisches Kapital und Wohlwollen der Gesellschaft verspielt.
Exkurs #1: Wie hoch ist die CO2-Intensität des Wärmepumpenstroms?
Mit welchem Marginalstrommix werden Wärmepumpen in Deutschland betrieben?
Aktuelle Literaturwerte zu Marginalstrom-CO2-Intensitäten sind folgende:
Der Median all dieser CO2-Intensitäten für Marginalstrom liegt bei 781 gCO2/kWh.
Zum Vergleich: Der durchschnittliche CO2-Emissionsfaktor für Deutschlands Stromsektor lag in 2023 bei genau 400 gCO2/kWh und in den Vorjahren zwischen 400 und 500 gCO2/kWh.17
Leider bezieht sich kein einziger dieser Werte gezielt auf Wärmepumpen mit ihrem Lastschwerpunkt in den kalten Winternächten mit höherem Gas- und Kohleanteil.
Vermutlich ist die CO2-Intensität von Wärmepumpenstrom in Deutschland aber nicht sehr viel schlechter als 800-900 gCO2/kWh.
Dass sich zur CO2-Intensität von Wärmepumpenstrom in Deutschland keine einzige aktuelle Berechnung finden lässt, ist schon eine ziemliche Pleite für die Energiewende-Forschung.
Exkurs #2: Wärmepumpen sind UNMERKLICH effizienter als Brennwertkessel
Ja, eine Wärmepumpen ist für sich genommen effizienter als ein Brennwertkessel. Man darf aber nicht nur ein Glied in der Wirkungsgrad-Kette betrachten. Nur eine Betrachtung des gesamten Systemwirkungsgrad mit Vorketten zur Energieerzeugung macht Sinn.
Die Elektrizität für die Wärmepumpe muss erst erzeugt werden und dabei kommt es zu Verlusten. Wer die minderwertige thermische Energie der Gasheizung mit der hochwertigen elektrischen Energie der Wärmepumpe gleichsetzt, tut so, als wäre die Stromerzeugung verlustfrei.
Tatsächlich wird aus 2,5 Einheiten thermischer Energie im Schnitt nur eine Einheit elektrische Energie erzeugt – und umgekehrt.18 Zur Vergleichbarkeit von thermischer und elektrischer Energie wird als Umrechnungsfaktor der Primärenergiefaktor verwendet mit z.B. einem Wert von 2,5.
Es spielt dabei keine Rolle, woher die Energie stammt:
Eine Kilowattstunde Strom ist physikalisch exakt das Gleiche, egal ob von einem Gaskraftwerk oder einem Windrad erzeugt.
Eine Kilowattstunde Wärme ist physikalisch exakt das Gleiche, egal ob durch Gasverbrennung oder durch Solarthermie erzeugt.
Luft-Wärmepumpen sind mit Vorketten immer noch rund 20% effizienter als Brennwertkessel. Das ist natürlich sehr gut. Märchenhafte Effizienzsteigerungen um den Faktor 3 oder 4 beruhen aber auf einer Verwechslung von kWhel und kWhth .
Updates:
27.05.2023: Erstmals veröffentlicht.
23.08.2024: Aktualisiert mit Literaturwerten statt eigener Berechnung der Marginalstrom-CO2-Intensität
Schriftliche Fragen mit den in der Woche vom 3. April 2023 eingegangenen Antworten der Bundesregierung Deutscher Bundestag (2023)
10,5 Mio. Tonnen CO2-Vermeidung bei 35 TWhel Energieverbrauch durch Wärmepumpen ergibt bei mittlerer JAZ 3,1 eine Einsparung von 97 gCO2/kWhth. 50/50 Öl/Gas haben eine ⌀-CO2-Intensität von 357 gCO2/kWhth. Wärmepumpen haben laut BMWK im Jahr 2030 also eine CO2-Intensität von 260 gCO2/kWhth. Mit Primärenergiefaktor 2,5 bedeutet das 651 gCO2/kWhel Marginalstrom
Dynamic Prospective Average and Marginal GHG Emission Factors—Scenario-Based Method for the German Power System until 2050 Seckinger & Radgen (2021)
Flexible green hydrogen: The effect of relaxing simultaneity requirements on project design, economics, and power sector emissions Ruhnau & Schiele (2023)
