Kontrafunk aktuell vom 5. Januar 2024

Gestern haben wir gelernt, dass bei der Berechnung der Effizienz einer Wärmekraftmaschine der Wert der Arbeitszahl entscheidend ist. Diese variiert je nach vorhandener Außen- und gewünschter Innentemperatur und beträgt bei handelsüblichen Wärmepumpen im Durchschnitt 4,4. Eine knackige „Russenpeitsche“ mit −25 °C des Nachts drückt die AZ in der Praxis auf 2,5. Muss man wegen mangelnder Dämmung und/oder zu kleiner Heizkörper die Vorlauftemperatur auf 75 statt 35 °C anheben, dann sinkt die AZ weiter auf 1,75. Es gibt keine echte physikalische Grenze für den Einsatz einer Wärmepumpe; sie kann Wärme noch aus −250 °C hinaufpumpen und gleichwohl eine Dampfheizung mit 150 °C betreiben, nur sinkt dann die Effizienz auf nahe 1, das heißt, die meiste Heizenergie kommt unter diesen Umständen aus der Steckdose. 

Wichtig ist allerdings, dass die Wärmepumpe für die Aufgabe ausreichend dimensioniert wird. Eine Kompressionswärmepumpe, die weitaus häufigste Ausführung, braucht ein Wärmeübertragungsmedium, das sich bei Quelltemperatur und niedrigem Druck verdampfen und bei Zieltemperatur durch hohen Druck kondensieren lässt, und einen Kompressor, der diese Arbeit auch schafft. Allzu großzügige Auslegung der Wärmepumpe geht jedoch schnell ins Geld, das heißt, sie treibt die Investitionskosten in die Höhe. Schließlich verdoppelt eine Verdoppelung der auslegungsgemäßen Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außentemperaturen die benötigte Wärmeleistung, während die Effizienz der Wärmepumpe deutlich sinkt, so dass die Leistung des Kompressors mehr als verdreifacht werden muss. In der Praxis hilft man sich damit, dass man nur bis zu häufig auftretenden Frostgraden auslegt und für die seltenen Härtefälle noch eine konventionelle elektrische Widerstandsheizung einbaut. Die ist billig, hier kann – und sollte – man also klotzen. An solchen Kältetagen ist die Arbeitszahl dann natürlich nur 1 und das Heizen mit Strom entsprechend teurer, aber solange die Zahl solcher Tage gering bleibt, ist das verschmerzbar. Wie sieht es aber nun mit der CO₂-Bilanz aus? Dazu schauen wir uns zunächst das Referenzsystem an. Eine moderne Erdgas-Brennwertheizung setzt den Energiegehalt des Gases nahezu hundertprozentig in Heizwärme um, der geringfügige Rest geht über den Schornstein in die Umgebung. Aus 1 Kilogramm Methan entstehen in der Verbrennung mit 4 Kilogramm Luftsauerstoff genau 2750 Gramm CO₂ und 2250 Gramm H₂O. Der Brennwert dieses Methans beträgt 15,42 Kilowattstunden pro Kilogramm. Daraus ergibt sich rein rechnerisch eine spezifische CO₂-Emission von 178 Gramm pro Kilowattstunde. Wir müssen aber damit rechnen, dass sich ein wenig CO₂ schon im Gas befindet und der Wirkungsgrad eben doch nicht ganz 100 Prozent entspricht, so dass wir uns auf 200 Gramm pro Kilowattstunde als realistischen Kompromiss einigen. 

Bei den Wärmepumpen stellt sich zuerst die Frage der Effizienz. Die schwankt, wie wir oben gesehen haben, mit den Temperaturen über den Jahreslauf und mit dem energetischen Zustand des zu beheizenden Gebäudes ganz erheblich. Am besten ist es hier, empirisch Daten zusammeln. Genau das hat die Helmholtz-Gesellschaft getan und eine mittlere Jahresarbeitszahl von 3,1 für einen breiten Bestand an Wohngebäuden über einen mehrjährigen Zeitraum ermittelt. In Einzelfällen wird der Wert sicher übertroffen, aber im Allgemeinen beschreibt er gut, was wir bekommen, wenn Wärmepumpen in der Breite in den Wohnungsmarkt gedrückt werden. Das bedeutet, dass wir für eine Kilowattstunde Wärme nur eine Drittelkilowattstunde Energie benötigen. Nun kommen wir zur interessantesten aller Glaubensfragen: Welche spezifische CO₂-Emission pro Kilowattstunde ist für den deutschen Strom zugrunde zu legen? Bei dem aktuellen Strommix aus Erneuerbaren, Kohle und Erdgas dürfte der CO₂-Ausstoß bei 310 Gramm liegen. Dazu tragen allerdings auch die Sommermonate bei, in denen ja nicht geheizt wird. Schaut man nur auf die Winterquartale, landet man bei etwa 420 Gramm je Kilowattstunde. In beiden Fällen läge man mit 100 Gramm beziehungsweise 135 Gramm CO₂ je Kilowattstunde Wärme deutlich besser als die Gasheizung. Das Problem ist nur: So kann man nicht rechnen. Es kommt nicht bloß auf den aktuellen Strommix an, sondern auf die künftige Entwicklung. Der weitere Ausbau der Erneuerbaren läuft per Gesetz mit maximaler Geschwindigkeit bis zum Ende des Jahres 2038, der Pfad des Mixes ist also gesetzt. Jeder zusätzliche Verbraucher, der zwischen heute und 2038 ans Netz geht, kann daher nur von a) zusätzlichen Produzenten oder b) von Produzenten, deren Abschaltung unplanmäßig verschoben wird, bedient werden. Beides kann bei Lage der Dinge nur Braunkohle sein. 

Braunkohle schlägt mit 1150 Gramm je Kilowattstunde Strom zu Buche, das ergibt eine Emission von 370 Gramm CO₂ je Kilowattstunde Wärme, also fast doppelt so viel wie bei Erdgas. Eine Erdgasheizung im normalen Häuschen mit 20.000 Kilowattstunden Jahreswärmebedarf verursacht 4 Tonnen CO₂-Emissionen im Jahr, die entsprechende Wärmepumpenheizung, Stand heute, 7,4 Tonnen CO₂. Die Situation bessert sich erst, wenn der von den Braunkohlekraftwerken im Winter produzierte Strom nur noch für weniger als die Hälfte des Verbrauches der Wärmepumpen reicht. Die entscheidende Schlussfolgerung ist: Wärmepumpen können ein guter Beitrag zur effizienten und CO₂-armen Versorgung mit Heizenergie sein – aber erst, wenn die Stromgewinnung weitgehend umgestellt ist. Bis dahin sollte man die begrenzten Ressourcen, die für die Umgestaltung der Energiewirtschaft verfügbar sind, auf andere Projekte mit einem positiven Hebel konzentrieren.