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Wärmepumpen keine „Schlüsseltechnik“?

Achillesfersen sind die Jahresarbeitszahlen, Planung und Ausführung. Die Netzdienlichkeit wird überschätzt.

Update: Bundesverband Wärmepumpe bezieht Stellung zum Artikel

Solarenergie ja, aber den Wärmepumpen ­attestieren die Autoren, keine Schlüsseltechnologie für die Energiewende zu sein. Bild: Solarwatt

Luftwärmepumpen machten mit rund 72?% den Großteil des Wärmepumpen-Absatzes im vergangenen Jahr aus (Vorjahr: 71%). Erdwärmepumpen und sonstige liegen bei 28?% (2017: 29%). Bild: BWP

Der Anteil der Erneuerbaren Energien am bundesdeutschen Strommix lag 2018 bei etwas über 38%. Auch, um stromgeführte Wärmeerzeuger zu rechtfertigen, weist die Politik auf ihre EE-Ziele hin. Die werden aber verfehlt, sagen die Autoren in ihrem Gastbeitrag. Bild: BWP

Viele Faktoren nehmen Einfluss auf die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen. Planer, Hersteller und Handwerker hätten durch zunehmende Erfahrung in der Lage sein können, die Jahresarbeitszahlen zu erhöhen, stellen die Autoren fest. Bild: BWP

Eine Netzdienlichkeit von Wärmepumpen, die sie in Verbindung mit einer Leistungsregelung und einem Pufferspeicher bieten sollen, sehen die Autoren in der Praxis nur in eingeschränktem Umfang. Bild: Pixelio

 

Nicht nur in Neu-, sondern auch in Altbauten sollen Wärmepumpen zum Gelingen der Energiewende beitragen. Das kritisch differenziert zu sehen, raten die Energieexperten Falk Auer, Werner Eicke-Hennig, Werner Neumann und Gabriele Purper in ihrem Gastbeitrag.

Nicht nur im Verkehrssektor, sondern auch im Wärmemarkt besteht ein fataler Hang zu einfachen Lösungen. Interessenvertreter, die Bundesregierung und auch ein Teil der Wissenschaftler befeuern durch willkürliche Maßnahmen und Wunschdenken eine weitgehende Elektrifizierung der Mobilität und der Gebäudeheizungen  – ohne das Ende zu bedenken.
Es gibt inzwischen verschiedene Studien, die für das Jahr 2030 zwischen 5 bis 8 Mio. Elektro-Wärmepumpen vorhersagen und bis 2050 sogar 15 Mio., was etwa dreiviertel aller Heizungsanlagen entspricht. Zum Vergleich: Heute gibt es nur 0,8 Mio. Die Regierung unterstützt solche Szenarien, in dem sie in der Energie-Einsparverordnung 2016 (EnEV2016) den sogenannten Primärenergiefaktor (PEF) willkürlich von 2,4 auf 1,8 absenkte. Der Faktor ist das Verhältnis der Energie, die z.B. in der Kohle steckt, zur Endenergie an der Steckdose: Je geringer der Wert, desto besser für das Klima. Die Erneuerbaren Energien haben einen Wert von null.

Politische Willkür
Mit der Absenkung des Primärenergiefaktors um 25?% verschafft die Regierung den fossil-elektrisch betriebenen Heizsys­temen einen ungerechtfertigten Wettbewerbsvorteil gegenüber den Erneuerbaren Energien. Die Bundesregierung hat bei der EnEV2016 willkürlich, ohne dass die CO2-Emission gesunken oder der Anteil der Erneuerbaren Energien am Strom ausreichend hoch war, den PEF auf 1,8 gesenkt. Das Ziel: Auch den Strom mit Kohle und Erdgas wenigstens rechnerisch sauberer zu machen.
Wir haben damals im Wirtschaftsministerium nachgefragt und folgende Antwort erhalten: Das sei zwar im Moment noch nicht gerechtfertigt, aber ein PEF?=?1,8 sei wegen des zu erwartenden starken Anstiegs der Erneuerbaren gerechtfertigt.
Doch zum Vergleich: Die Schweiz und Österreich haben schon länger einen PEF zwischen 1,8 und 1,9. Der Grund: Die Alpenländer haben beim Strom einen Anteil
von Erneuerbaren um die 60%, hauptsächlich Wasserkraft. Und da will Deutschland mit seinen 38% ebenfalls einen PEF=1,8 haben? Daran erkennt man Willkür.

Bescheidene Ergebnisse
Die politisch gewollte Elektrifizierung auch des Wärmemarktes mithilfe von Wärmepumpen macht manche Fachleute blind für die ernsten Probleme und deren fehlenden Lösungen, die mit diesen Maßnahmen verbunden sind.
Schon 2006  gab es zwei Feldtests. Zum einen den der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie Lahr (Schwarzwald) und zum anderen den des Fraunhofer Instituts für Solare Energie-Systeme (ISE). Beide kamen zu vergleichbaren Ergebnissen: Während Erdreich-Wärmepumpen mit Jahresarbeitszahlen (JAZ) zwischen 4,0 und 4,5 ausreichend energieeffizient arbeiten können und damit die Klassifizierung „gut“ erhalten, kommen Luft-Wärmepumpen im Mittel nur auf eine Arbeitszahl von knapp 3,0, was der Klassifizierung „mangelhaft“ und damit einer Energie-Ineffizienz entspricht (http://www.agenda-energie-lahr.de/JAZ-Klassifizierung.html).
Die Agenda-Gruppe bezog sich bei der Klassifizierung dabei auf Vorhandenes: RWE, Dena und andere bezeichnen Elektro-Wärmepumpen als energieeffizient, wenn deren JAZ > 3 ist. Im Umkehrschluss heißt das: Wärmepumpen mit einer JAZ < 3 sind energie-ineffizient, weisen also Mängel auf. Das bedeutet bei den Schulnoten „mangelhaft“. Die Physik differenziert nicht nach Unfähigkeit oder Fähigkeit von luft- und erdgekoppelten Wärmepumpen, sondern nach deren Beitrag zum Klimaschutz. Und dazu ist sogar gesetzlich eine Mindest-JAZ von 3,5 erforderlich.

Nichts dazu gelernt?
Seit den Feldtests sind mehr als 10 Jahre vergangen. Planer, Hersteller und Handwerker hätten deshalb durch zunehmende Erfahrung in der Lage sein können, die Jahresarbeitszahlen zu erhöhen. Dem war aber nicht so, wie der jüngste Feldtest des Fraunhofer Instituts für Bauphysik (IBP) zeigt. Das Mittel der JAZ-Werte beträgt bei den Luft-Wärmepumpen nur noch 2,2, was einem „ungenügend“ entspricht. Eine Analyse zeigt, dass nach wie vor die gleichen Fehler wie damals gemacht werden.

Luft-Wärmepumpen nicht erneuerbar
Die Bundesregierung und die Auftraggeber der Studien, die Agora Energiewende und der Bundesverband der Deutschen Industrie, erwarten in den nächsten 11 Jahren einen Anstieg der Erneuerbaren Ener­gien am deutschen Strommix von derzeit etwa 38?% auf fast das Doppelte. Das soll Elektro-Wärmepumpen immer ökologischer machen. Aus heutiger Sicht ist dieses Ziel jedoch ein Wunschtraum. Wie zuvor erwähnt, arbeitet die Bundesregierung nämlich gegen ihre eigene Vorgabe: Seit dem Jahre 2012 beschnitt sie zuerst die Photovoltaik, dann die Biomasse und im letzten Jahr auch die Windenergie in ihrem Wachstum, letztere die kostengünstigste und diejenige, die die meisten „Brocken“ bringt. Der Anteil der Erneuerbaren wird deshalb voraussichtlich nicht in dem notwendigen Maße wie erforderlich ansteigen.

Energie-ineffiziente Hybrid-Systeme
Um die Luft-Wärmepumpen aus der Ener­gie-Ineffizienz-Ecke herauszuholen, schlugen die Autoren der Studien vor, diesem Wärmepumpentyp noch einen fossilen Spitzenlastkessel beizustellen. Das stellte sich aber als ein Irrweg heraus, wie ein Monitoring der Agenda-Gruppe zeigte. Die Städtische Wohnbau Lahr (SWL) installierte in drei neu erstellten Mehrfamilienhäusern je eine Luft-Wärmepumpe. Die Ergebnisse waren im ersten Messjahr ausgesprochen schlecht. Die Jahresarbeitszahlen lagen nur zwischen 2,0 und 2,7.
Die SWL stellte deshalb den Luft-Wärmepumpen noch je einen Erdgas-Brennwertkessel bei. Die Energieeffizienz verbesserte sich aber nur auf eine JAZ zwischen 2,5 und 3,0. Das heißt: Selbst das beste Hybrid-System übertraf nicht das Mittel von normalen Luft-Wärmepumpen in Einfamilienhäusern in Höhe von JAZ = 3,0 – von der hohen Komplexität der Systeme und den hohen Kosten einmal ganz zu schweigen.

Häufige Fehler und Abhilfen
Zusätzliche Wärmeerzeuger verursachen nicht nur hohe Kosten, sondern erschweren auch den Durchblick im Wärmepumpensystem. Da ist weniger oft mehr. Auch vierzig Jahre nach dem ers­ten Wärmepumpen-Boom werden noch immer die gleichen Fehler gemacht: Bei der Planung sind das die Komplexität des Wärmepumpensystems, verbunden mit zu vielen Umwälzpumpen, Stellventilen, Hilfsenergien und einer Regelung, die nur noch wenige nachvollziehen und überprüfen können. Auch mangelt es an der zugesicherten Datenblatt-Leistung und einer angepassten Nennleistung des Heizwärmeerzeugers. Das betrifft auch die richtige Dimensionierung der Wärmetauscher an den Ein- und Ausgängen der Wärmepumpen. Darüber hinaus sind Kombispeicher (Heizung und Trinkwasser) kritisch zu bewerten, weil wegen des integrierten Warmwasserboilers die mittlere Temperatur des Speichers zu hoch ist. Und schließlich: Kein Einsatz von Wärmepumpen im unsanierten Altbau, weil die maximalen Vorlauftemperaturen oft über 35?°C liegen.
Bei der Ausführung muss der vorgeschriebene hydraulische Abgleich der Heizstränge auch durchgeführt und die Wärmedämmung an Rohren und Armaturen lückenlos angebracht werden. Und schließlich im Betrieb: Die Heizkurve nicht zu hoch und die Nachtabsenkung nicht zu lang und nicht zu tief einstellen. Den Notheizstab mit Hand ausschalten, um einen kontrollierten Betrieb zu ermöglichen, und einen Heizbetrieb im Sommer vermeiden. Und schließlich: Auch bei Wärmepumpen sind eine Einweisung des Nutzers und eine regelmäßige Wartung durch einen Handwerker zwecks Überprüfung der Energieeffizienz notwendig.

Vermeintliche Flexibilität von Wärmepumpen
Die Autoren der Studie schreiben Wärmepumpen nicht nur individuelle, sondern auch volkswirtschaftliche Vorteile zu.  In Verbindung mit einer Leistungsregelung und einem Heizungspufferspeicher sollen sie stromgeführt und damit flexibel – dem Verbundnetz dienend – arbeiten können. Dieser Vorschlag lässt aber außer Acht, dass ein solcher Speicher im Normalfall gar nicht notwendig ist und auch, wer ihn bezahlt. Das betrifft auch den Energieeffizienzverlust von immerhin etwa 0,2-JAZ-Punkte. Außerdem besteht bei tiefen Außentemperaturen, wenn die volle Leistung der Wärmepumpen erforderlich ist, keine Netzdienlichkeit mehr.

Fazit:
Von Überhöhung Abstand nehmen
Aus den zuvor genannten Gründen sind Wärmepumpen weder eine „Schlüsseltechnik“ noch eine „Leittechnik“, um die Energiewende zu stemmen. Wärmepumpen können aber sehr wohl einen Beitrag leisten, und zwar als erdgekoppelte Wärmepumpen in Neu- und sanierten Altbauten und in Verbindung mit Solarkollektoren, was freilich einen hohen Sachverstand bei der Planung und Ausführung erfordert. Bei Großanwendungen sind eine Integration in Wärmenetze und die Abwärmenutzung zu nennen.

Autoren:
Dr. Falk Auer, vormals Ingenieurbüro NES (Neue-Energie-Systeme), E-Mail: nes-auer@t-online.de
Dipl.-Ing. Werner-Eicke-Hennig, Energie-institut Hessen, ehemaliger Leiter der Hessischen Energiesparaktion
Dr. Werner Neumann, Sprecher des Bundesarbeitskreises Energie im wiss. Beirat des BUND, vormals Leiter des Energiereferats der Stadt Frankfurt (Main)
Dipl. Volksw. Gabriele Purper, vormals zuständig für Energieeffizienz im Hessischen Umweltministerium


Wärmepumpen keine „Schlüsseltechnik“? – Branchenverband bezieht Stellung
Einen kritisch-differenzierten Blick auf die Wärmepumpe warfen die Energieexperten Falk Auer, Werner Eicke-Hennig, Werner Neumann und Gabriele Purper in ihrem Gastbeitrag in IKZ-ENERGY. Dazu hat sich nun der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) geäußert. Nach seinem Dafürhalten werden in dem Artikel einige Punkte nicht sachgerecht oder sogar falsch dargestellt. Wir stellen sie vor.

Zu dem Absatz „Politische Willkür“
Die Absenkung des Primärenergiefaktors (PEF) von 2,4 auf 1,8 erfolgte keineswegs willkürlich, sondern ist durch steigende Anteile Erneuerbaren Stroms am Strommix gerechtfertigt und sinnvoll. Wir verweisen an dieser Stelle auf die allgemein anerkannten Untersuchungen der IINAS-Studie, die unter der wissenschaftlichen Leitung von Herrn Uwe R. Fritsche regelmäßig verfasst wird: „Der nichterneuerbare kumulierte Energieverbrauch und THG-Emissionen des deutschen Strommix im Jahr 2017 sowie Ausblicke auf 2020 bis 2050“.
Dieser Studie ist zu entnehmen, dass für die Abgabe aus dem lokalen Stromnetz (verbraucherseitig) die Werte für den nichterneuerbaren kumulierten Energie-Verbrauch (KEVNE) des Jahrs 2017 von 1,75 kWhprimär/kWhel gegenüber den Vorjahren weiter gesunken sind. Damit sank der PEF bereits im Jahr 2017 auf 1,75. Die Bundesregierung hat sich zudem im Koalitionsvertrag zum 65-Prozent-Ziel bekannt. Der Ausbau der Erneuerbaren Energien bei der Stromerzeugung ist somit ein erklärtes Ziel. Im Gegensatz zu anderen Sektoren, wie etwa dem Wärmesektor und der Mobilität stagniert der Anteil der EE im Strombereich keineswegs, sondern wächst seit vielen Jahren stetig.

Zu dem Absatz „Bescheidene Ergebnisse“
Wie die Autoren zu der Einschätzung gelangen, dass Wärmepumpen mindestens eine JAZ von 4 – 4,5 aufweisen müssen, um als ausreichend energieeffizient zu gelten, bleibt offen. Unter Betrachtung der Klimaschutzwirkung sparen Wärmepumpen bereits ab einer JAZ von 1,9 gegenüber einer Gas-Brennwertheizung CO2 ein. Diesem Vergleich liegt ein Primärenergiefaktor von 1,8 für Strom zugrunde, der durch Studien (z.B. IINAS, siehe oben) gestützt ist und auch in der EnEV verwendet wird. Für die fossil betriebenen Heizkessel wird dabei ein Jahresnutzungsgrad von 90 % unterstellt.

Zu dem Absatz „Nichts dazu gelernt?“
Der zitierte Feldtest des Fraunhofer IBP weist einige Besonderheiten auf: Die dort untersuchten Wärmepumpen befanden sich ausschließlich in Gebäuden des Effizienzhaus-Plus-Standards. Diese sollten über ein Jahr betrachtet mehr Energie produzieren als sie verbrauchen. Notwendig ist dazu ein sehr geringer Heizwärmebedarf, folglich ist dann der Anteil der Trinkwassererwärmung höher. Die Effizienz verschlechtert sich dadurch etwas, insgesamt ist der Stromverbrauch aber äußerst gering, wodurch sich eine geringere Effizienz des Systems weniger deutlich bemerkbar macht. Der genannte Durchschnittswert der Jahresarbeitszahlen der Luft-Wasser-Wärmepumpen von 2,2 bezieht sich nicht auf alle untersuchten Wärmepumpen, sondern nur auf drei Modelle, bei denen der Strom für Speicherlade- und Heizungsumwälzpumpen mitgemessen wurde. Ein Vergleich dieser Werte mit anderen Jahresarbeitszahlen ist schwierig, weil andere Bilanzgrenzen betrachtet werden. Der Mittelwert der Jahresarbeitszahlen der anderen Luft-Wasser-Wärmepumpen ist mit 2,6 immer noch relativ gering, ist aber angesichts hoher Warmwasseranteile, erhöhten Innenraumtemperaturen, Problemen mit Regelung und Hydraulik und teilweise mangelhafter Planung und Installation durchaus nachvollziehbar. Dass in der Praxis auch deutlich bessere Jahresarbeitszahlen möglich sind, zeigen die Felduntersuchungen des Fraunhofer Instituts für solare Energiesysteme (ISE) deutlich. Selbst im Gebäudebestand (Projekt WP smart im Bestand) liegt der Mittelwert der Jahresarbeitszahlen bei Luft-Wasser-Wärmepumpen bei über 3, die beste Anlage erreicht sogar 4,1.

Zu dem Absatz: „Vermeintliche Flexibilität von Wärmepumpen“
Lastmanagement mit Wärmepumpen ist erprobt und etabliert. Seit vielen Jahren werden Wärmepumpen gemäß den Vorgaben eines Netzbetreibers gesteuert. Diese Geräte werden im Rahmen des vom BMWi aufgesetzten Förderprogramms „Marktanreizprogramm“ mit einem sog. Lastmanagementbonus gefördert. Wie jede andere Speichertechnologie auch, sind thermische Speicher mit geringen Umwandlungsverlusten verbunden, bieten aber im Gegenzug eine höhere Flexibilität des Gesamtsystems. Zukünftig wird auch die Kombination von Wärmepumpe, PV-Anlage und Batteriespeicher weiter an Bedeutung gewinnen. Diese ermöglicht einen noch höheren Grad an Dezentralität und Flexibilität in einem modernen Energiesystem, welches von steigender fluktuierender Einspeisung der Erneuerbaren geprägt ist.

Die Autoren des Artikels weisen berechtigterweise darauf hin, dass bei der Planung und Auslegung von Wärmepumpen eine besondere Sorgfalt walten muss. Die Aus-und Weiterbildung der Fachhandwerker – insbesondere der SHK-Anlagenmechaniker – sollte hinsichtlich der zu erreichenden Klimaziele auf die Installation von ressourcenschonenden Heizungstechnologien ausgerichtet werden – die Wärmepumpe ist dabei ein wichtiger Teil des neuen Energiemixes im Wärmesektor. Auf Basis der Richtlinie VDI 4645 wurde vom VDI unter Beteiligung des BWP ein Schulungskonzept für Errichter und Planer entwickelt und in der Richtlinie VDI 4645 Blatt 1 standardisiert. Nach diesem Schulungskonzept sollen Fachleute weitergebildet werden, die an Planung, Errichtung und Betrieb von Wärmepumpenanlagen beteiligt sind.

Infos dazu finden sich unter folgendem Link: https://www.waermepumpe.de/fuer-handwerker/schulungen-nach-vdi-4645-1/

Der BWP arbeitet kontinuierlich an der Weiterentwicklung des Schulungskonzeptes und widmet sich aktuell auch dem Thema „Wärmepumpen in der Ausbildung zum SHK-Anlagenmechaniker“.


Tipp der Redaktion: Ihre Meinung erreicht uns unter leserservice@strobelmediagroup.de

 

 

 


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