Ganzheitliche Bewertung von Wärmepumpensystemen

Warmepumpe, Luft-Wasser-Wärmepumpe

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Betrachtet man die Umweltbilanz von Herstellung bis Rückbau, so fällt diese bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe im untersuchten Einfamilienhaus – wenn überhaupt – nur geringfügig schlechter aus als bei einer vergleichbaren Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesonde. Wählt man die preiswertere Luft-Wasser-Wärmepumpe und investiert die freiwerdenden finanziellen Mittel in eine Photovoltaik-Anlage, so ist bei gleichen Investitionskosten die Umweltbilanz dieses Gesamtsystems signifikant besser und der bilanziell verbleibende Strombezug aus dem Netz deutlich niedriger als bei einer Anlage mit Sole-Wasser-Wärmepumpe.

1       Hintergrund

Viele Einfamilienhausbesitzer stehen vor der Entscheidung, welche Wärmepumpe für ihren Anwendungsfall die Richtige ist. Die Wahl fällt dabei meistens auf eine Luft-Wasser-Wärmepumpe (LWWP), in den übrigen Fällen häufig auf eine Sole-Wasser-Wärmepumpe (SWWP) mit Erdwärmesonde (EWS). Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdkollektoren und Grundwasser-Wärmepumpen werden aufgrund ihres geringen Anteils am Absatz von unter drei Prozent in dieser Untersuchung nicht betrachtet.

Das Sole-Wasser-Wärmepumpen-System wird aufgrund der höheren Effizienz meist als die umweltfreundlichere Lösung angesehen. Ob die einseitige Fokussierung auf den effizienten Betrieb (Jahresenergiebedarf) und die daraus abgeleitete Bewertung der Wärmepumpen gerechtfertigt ist, soll hier überprüft werden, indem neben der Betriebsphase auch der restliche Lebensweg der Anlagen untersucht wird.

Beim Sole-Wasser-Wärmepumpen-System werden mehr Investitionsmittel gebunden, die bei der Wahl einer Luft-Wasser-Wärmepumpe für andere klimaschutzwirksame Maßnahmen verwendet werden könnten. Im gewählten Beispiel wird die Luft-Wasser-Wärmepumpe daher gedanklich um eine Photovoltaik-Anlage ergänzt, deren Größe so gewählt wird, dass das Gesamtsystem investitionskostengleich zur Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesonde ist.

2       Untersuchte Systeme

In Abbildung 1 sind die wichtigsten Kennwerte der untersuchten Systeme dargestellt. Um bewerten zu können, ob die Mehrinvestition in die Sole-Wasser-Wärmepumpen-Anlage gerechtfertigt ist, werden folgende mögliche Zusatzinvestition zum System Luft-Wasser-Wärmepumpe betrachtet:

  • eine Photovoltaik-Anlage auf dem eigenen Hausdach;
  • eine Investitionsbeteiligung an einer quartiersnahen Photovoltaik-Freiflächenanlage.
Abbildung 1: Kurzüberblick über die vier untersuchten Systeme mit Bilanzraum; Hydraulischer Aufbau des Heizungssystems, Testreferenzjahr 2015 für Dresden-Johannstadt.

Quelle: TU Dresden

Als Referenzgebäude dient ein für die Baujahre 1995 bis 2001 typisches Einfamilienhaus durchschnittlicher Größe. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe wird bivalent monoenergetisch mit einem Bivalenzpunkt von – 5 Grad Celsius ausgeführt und die Sole-Wasser-Wärmepumpen monovalent ausgeführt.

Die Investitionskosten für die drei Erdwärmesonden mit je 82 Meter Tiefe wurden auf 18.000 Euro und damit auf etwa 73 Euro pro Meter (inklusive Zuführung zum Hausanschlussraum) abgeschätzt.

Zusammen mit den Kosten für Installation sowie Anschaffungskosten der Wärmepumpe ergeben sich für das Sole-Wasser-Wärmepumpen-System gegenüber der Luft-Wasser-Wärmepumpe um 17.300 Euro höhere Investitionskosten.

Mit diesem Differenzbetrag lassen sich bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe Zusatzinvestitionen in Form einer Photovoltaik-Dachanlage von 12,4 Kilowattpeak Leistung – Preisannahme von 1.400 Euro pro Kilowatt – oder einer Beteiligung an einer Photovoltaik-Freiflächenanlage von 20,4 Kilowattpeak (Annahme 850 Euro pro Kilowattpeak) realisieren. Dies kann als Untergrenze interpretiert werden, da Kosten der Erdwärmesonde aktuell eher in Richtung 100 Euro pro Meter tendieren.

Für den Anteil an der quartiersnahen Freiflächenanlage wird angenommen, dass eine (verlustfreie) örtliche Netzdurchleitung realisierbar wäre. Der Photovoltaik-Strom ist also hier ebenso in Eigenverbrauch und Einspeisung aufgeteilt, wissend dass dies aktuell in Deutschland weder ökobilanziell noch technisch zulässig ist. In anderen Ländern hingegen ist die Umsetzung der Renewable Energy Directive (RED, Europäische Union 2018) in Form von Energiegemeinschaften, deren Produzenten und Abnehmer im lokalen Nahbereich (also auf Niederspannungsebene) oder regionalen Bereich angeschlossen sind, bereits weit fortgeschritten.

3       Strombilanzen

Der jährliche Netzbezug des Gebäudes (inklusive Haushaltsstrom) lässt sich durch den Einbau der Sole-Wasser-Wärmepumpe (Jahresarbeitszahl 4,51) um 12 Prozent gegenüber dem Gebäude mit Luft-Wasser-Wärmepumpe (Jahresarbeitszahl 3,55) reduzieren. Durch die alternative Investition in eine Photovoltaik-Anlage reduziert sich der Netzbezug allerdings deutlich stärker um 34 Prozent (Dachanlage) respektive 38 Prozent (Freiflächenanlage). Die Regelung der Wärmepumpe erfolgt hier rein wärmegeführt ohne Optimierung des Eigenverbrauchs. Insofern sind die Werte des verbleibenden Netzbezugs eher als obere Grenze zu interpretieren.

In den Monatsbilanzen (Abbildung 2) ist zu sehen, dass selbst in den kältesten Monaten Dezember und Januar der Netzbezug der Gebäude mit Photovoltaik-Anlage unter dem des Gebäudes mit Sole-Wasser-Wärmepumpen liegt.

Abbildung 2: Netzbezug und Einspeisung des Gebäudes

Quelle: TU Dresden

4       Umweltbilanzen der Systeme

4.1       Methodik

Für die Bewertung der Umweltfreundlichkeit und Klimaschutzwirksamkeit werden die CO2-äquivalenten Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) und der nicht-erneuerbare Primärenergieverbrauch (kumulierter Energieverbrauch KEVNE) der Systeme bilanziert.

Als Referenz dient ein fiktives Gebäude ohne Wärmeerzeuger, welches ausschließlich Haushaltsstrom vom Netz bezieht. Der Bilanzzeitraum wird entsprechend der Lebensdauer von Wärmepumpen auf 20 Jahre festgelegt (IGC Bochum 2017). Da für die Einhaltung der Klimaziele alle jetzt verursachten Emissionen relevant sind, werden auch Herstellungsemissionen von Komponenten mit einer höheren Lebensdauer vollständig dem betrachteten Bilanzzeitraum zugerechnet.

Aufgrund der anstehenden großen Veränderungen in der Stromerzeugung in den nächsten Jahrzehnten wird für den Strombezugsmix ein mittlerer Wert für den Bilanzzeitraum 2022 bis 2042 angenommen. Basierend auf dem Nationalen Energie- und Klimaplan Emissionen entstehen pro verbrauchter Kilowattstunde Elektroenergie durchschnittlich Emissionen von 243 Gramm CO2-Äqivalent sowie ein Primärenergiebedarf von 0,815 Kilowattstunden.

Zusätzlich werden die Errichtung und Herstellung der Anlagen betrachtet, sowie der Einfluss des Kältemittels. Den größten Einfluss haben hier jeweils der Dieselverbrauch beim Bohrvorgang der Erdwärmesonde sowie Leckagen des Kältemittels. Hier wurde das am häufigsten genutzte Kältemittel R410a angenommen. Zumindest bei Luft-Wasser-Wärmepumpen findet bereits das Kältemittel R290 immer häufiger Anwendung, wodurch die Umweltwirkung der Leckage vernachlässigbar klein wird.

Für die Photovoltaik-Anlagen werden Daten vom Umweltbundesamt für den ökobilanziell ungünstigsten Fall der Produktion in China verwendet.

4.2       Ergebnisse

Das Luft-Wasser-Wärmepumpen-System hat im ganzheitlichen Vergleich mit der Sole-Wasser-Wärmepumpe die schlechtere Umweltbilanz. Die erzielten Einsparungen belaufen sich jedoch lediglich auf 5 bis 6 Prozent. Vergleicht man die Technologien hingegen mit der Methodik des Gebäudeenergiegesetzes, bilanziert also lediglich den Betrieb mit einem über die gesamte Betriebszeit konstanten Strommix (laut Gebäudeenergiegesetz 1,8 kWhprimär/kWhel und 560 g CO2-Äq./kWhel), wird der Sole-Wasser-Wärmepumpe eine Verbesserung von 21 Prozent gegenüber der Luft-Wasser-Wärmepumpe attestiert (Abbildung 3).

Die Luft-Wasser-Wärmepumpen-Systeme mit Photovoltaik-Anlage weisen auch ohne Berücksichtigung des eingespeisten Stroms eine deutlich verbesserte Umweltbilanz gegenüber der Sole-Wasser-Wärmepumpe auf. Die Aufwendungen für die Wärmequellanlage der Sole-Wasser-Wärmepumpe lassen sich je nach Bodenbeschaffenheit noch reduzieren. Jedoch bleibt auch dann die Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik-Anlage ökobilanziell günstiger.

Würde man den eingespeisten Photovoltaik-Strom in Form einer Stromgutschrift in den Vergleich der Systeme einbeziehen, fiele das Ergebnis noch deutlicher zugunsten der Systeme mit Photovoltaik aus.

Abbildung 3: Umweltbilanz für Bilanzierungszeitraum 20 a abzüglich 4 MWh/a Haushaltsstrom (HH) (entspricht weiteren 19,4 t CO2-Äqivalente und 65,2 MWhprimär); Einspeisung zusätzlich 8,0 MWhel für PV-Dach und 16,3 MWhel für PV-Frei hier ohne Berücksichtigung

Quelle: TU Dresden

 

5       Weitere Aspekte

Zwischen den beiden Systemen gibt es weitere wesentliche Unterschiede, welche sich zahlenmäßig nicht in der Umweltbilanz widerspiegeln.

Der Rückbau der Erdwärmesonde ist ein noch wenig beachtetes Thema. Meist wird am Lebensende nur eine Stilllegung durchgeführt. Bei Undichtigkeiten im Ringraum kann jedoch eine Sanierung oder sogar ein vollständiger Rückbau notwendig sein (VDI 4640-2 2019). Eine Eintrittswahrscheinlichkeit für die Notwendigkeit eines Rückbaus kann jedoch nicht benannt werden, wodurch die Auswirkungen auf die Umweltbilanz und Wirtschaftlichkeit nur qualitativ diskutiert werden können. Neuartige Konzepte zum kostengünstigen Rückbau von Erdwärmesonden als Alternative zum Überbohren befinden sich momentan noch in der Entwicklung. Hierbei werden Kosten von 10 000 Euro pro 100 Meter Bohrung angestrebt (Burkhardt und Zorn 2017).

Aufgrund der nicht klaren geologischen Bedingungen am Bohrungsstandort kann es vorkommen, dass Bohrungsvorgänge abgebrochen und aufgegeben werden müssen (Ullrich 2018). Dies führt zu zusätzlichen Kosten, Emissionen und Primärenergieverbräuchen. Beim Durchbohren von wasserundurchlässigen Schichten werden Grundwasserstockwerke verbunden. Bei nicht-sachgemäßem Verpressen des Ringraums kann es zur stetigen Verbindung und somit Verunreinigungen bzw. Auswilderung eines gespannten Grundwasserleiters kommen. Ebenso besteht durch mangelnde Ringraumdichtung die Gefahr der Bildung von Kontaminationspfaden. So können grundwassergefährdende Stoffe von der Oberfläche ins Grundwasser gelangen (Aquino et al. 2021; Sass 2018).

Es besteht weiterhin die Gefahr des Austritts von Wärmeträgerflüssigkeit in das Grundwasser. Während die Abbaubarkeit der Frostschutzmittel bei einem Austritt als unproblematisch eingestuft wird, kann zur Abbaubarkeit der sehr unterschiedlichen Additive keine allgemeingültige Aussage getroffen werden (Ilieva 2013).

6       Fazit

Das Sole-Wasser-Wärmepumpen-System weist trotz deutlich höherer Investitionskosten verglichen mit dem Luft-Wasser-Wärmepumpen-System nur eine geringfügig verbesserte Umweltbilanz auf. Ein investitionskostengleiches System aus Luft-Wasser-Wärmepumpe und Photovoltaik-Anlage verbessert die Umweltbilanz hingegen signifikant und reduziert gleichzeitig den Strombezug des Gebäudes stark.

Im Widerspruch dazu werden Sole-Wasser-Wärmepumpen durch die in Deutschland existierende Förderkulisse (durch die prozentuale Förderung der Investitionskosten) mit deutlich höheren Summen gefördert als Luft-Wasser-Wärmepumpen-Systeme. Hinzu kommen die nicht quantifizierten Aspekte Rückbau und Schadenspotential der Erdwärmesonde.

Es konnte gezeigt werden, dass neben dem Jahresenergiebedarf weitere Aspekte relevant für die Umweltbilanz von Wärmepumpensystemen sind, und somit in die Bilanzierung nach Gebäudeenergiegesetz aufgenommen werden sollten.

Die korrekte Dimensionierung und Regelung der Luft-Wasser-Wärmepumpe ist von enormer Wichtigkeit, da beispielsweise ein zu häufiger Betrieb des Elektroheizstabs zu signifikant höheren Lastspitzen und somit einem anderen Fazit führen kann.

Die Ergebnisse sind stark wetter- und vor allem einstrahlungsabhängig. Für eine Verallgemeinerung ist eine systematische Untersuchung für verschiedene Wetterszenarien notwendig. Dies betrifft auch verschiedene Netzbelastungsszenarien im Winter und deren Wertung im Kontext.

In der Möglichkeit der quartiersnahen Netzdurchleitung wird aufgrund der finanziellen, energetischen und ökobilanziellen Vorteile, der direkten Beteiligung der Bürger an der Energiewende sowie dem ortsnahen Verknüpfen von Strombedarf und Stromerzeugung ein großes Potenzial gesehen, für das in Deutschland die gesetzlichen und technischen Grundlagen zu schaffen sind.

Die Langfassung ist verfügbar unter: https://doi.org/10.25368/2023.14

Über die Autoren:

Felix Bumann ist Diplomand an der Technischen Universität Dresden im Fachbereich Energietechnik. Er beschäftigt sich mit Fragestellungen im Kontext der Wärmewende.

Felix Panitz war von 2010 bis 2023 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der TU Dresden und arbeitete dort an systemischen Fragestellungen in den Themenfeldern Fernwärme, Solarenergie, Erzeugereinsatz- und Investitionsoptimierung sowie Ökobilanzierung.

Clemens Felsmann ist Inhaber der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung an der Technischen Universität Dresden.

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