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Ökologische Bilanz der Wärmepumpe
Übersicht
>> CO2-Emission der Stromproduktion
>> CO2-Emission der Wärmepumpe
>> Primärenergieverbrauch der Wärmepumpe
>> Fortschritte in der Kraftwerkstechnik
>> Umweltenergie der Wärmepumpe
>> Vorlauftemperatur der Heizung
>> Kältemittel in der Wärmepumpe
>> Neueste Beiträge und Fragen zum Thema
CO2-Emission der Stromproduktion
Die Umweltverträglichkeit einer Elektro-Kompressions-Wärmepumpe wird häufig anhand der CO2-Bilanz des eingesetzten Stroms beurteilt, da zwar beim Betrieb der Wärmepumpe selbst keinerlei Schadstoffemission auftritt, jedoch bei der Erzeugung des zum Wärmepumpenbetrieb eingesetzten Stroms. Im Jahr 2007 konnten folgende Daten ermittelt werden:
- Braunkohle: 1.153 g CO2/ kWh
- Steinkohle: 949 g CO2/ kWh
- Erdgas: 428 g CO2/ kWh
- Solarzellen: 101 g CO2/ kWh
- Wasserkraft: 40 g CO2/ kWh
- Atomkraft: 32 g CO2/ kWh
- Windkraft: 24 g CO2/ kWh
Der jeweilige Anteil der Energieträger an der gesamten deutschen Stromerzeugung setzte sich 2007 wie folgt zusammen:
- Braunkohle: 24%
- Steinkohle: 22%
- Erdgas: 12%
- Kernenergie: 22%
- Erneuerbare Energien: 14%
- Heizöl, Pumpspeicher und Sonstige: 6%
Setzt man nun die Energieträger abhängige Emission an CO2 pro kWh mit dem jeweiligen Anteil an der gesamtdeutschen Stromproduktion ins Verhältnis, so ergibt sich ein durchschnittlicher Wert der CO2-Emission für die gesamtdeutsche Stromproduktion (Strommix). Dieser Wert sank in den letzten Jahren und nahm in 2006 530 g/kWh an.
CO2-Emission der Wärmepumpe
Um nun die ökologische Vorteilhaftigkeit der Wärmepumpe beurteilen zu wollen, muss der energieträgerspezifische Kraftwerkswirkungsgrad – also die Menge der Schadstoffemission bei der Stromerzeugung – herangezogen und mit der Effizienz (Jahresarbeitszahl) der Wärmepumpe ins Verhältnis gesetzt werden. Wird vereinfachend ein Kraftwerkswirkungsgrad von 33% zu Grunde gelegt, so sollte eine Wärmepumpenheizung zumindest eine Jahresarbeitszahl von 3 aufweisen, um zumindest eine ausgeglichene ökologische Bilanz aufzuweisen:
100% / 33% (KW) = 3 (JAZ)
Wärmepumpen mit JAZ kleiner 3 verbrauchen also mehr Energie als zur Stromproduktion aufgewendet wurde, Wärmepumpen mit JAZ größer 3 verbrauchen weniger Energie als zur Stromproduktion aufgewendet wurde und emittieren auch weniger CO2.
Primärenergieverbrauch der Wärmepumpe
- Primärenergieeinsatz der Erdwärmepumpe im Vergleich (Quelle: Stoltenberg Energie GmbH)
Analog hierzu lässt sich die ökologische Vorteilhaftigkeit der Wärmepumpe auch mit dem zur Heizwärmeerzeugung benötigten Primärenergieeinsatz darstellen. Legt man zum Beispiel einen Kraftwerkwirkungsgrad von 36% und eine im Falle einer Erdwärmeheizung erzielbare Jahresarbeitszahl von 4 zu Grunde, so ergibt sich eine Reduktion des Primärenergieeinsatzes von 30% (siehe Abbildung). Wärmepumpen können in der Gesamtbetrachtung also Brennstoffe bzw. Primärenergie einsparen, da sie den Großteil der Wärmeenergie aus in ihrer Umgebung zur Verfügung stehenden Umweltenergie produzieren. Da Brennstoffe für Heizzwecke den Großteil des deutschen Primärenergiebedarfs ausmachen, bieten Wärmepumpen an dieser Stelle ein großes Potential zur Primärenergie- und somit auch zur CO2-einsparung.
Wahl des Stromanbieters
Die ökologische Vorteilhaftigkeit kann jedoch durch die Wahl des Stromanbieters weiter verbessert werden. Da neuerdings die EVU per Gesetz verpflichtet sind, die Herkunft ihres Stromes anzugeben, kann jeder selbst entscheiden, ob die Umweltverträglichkeit des vom Versorger gewählten Erzeugungskonzepts für den Betrieb einer Wärmepumpe ausreicht. Lange waren die Preise für umweltfreundlich erzeugten Strom teurer als die durchschnittlichen Strompreise, sodass in Ländern mit hohem hydroelektrischen (z. B. Schweiz, Österreich, Norwegen) oder hohem Windkraftanteil (z. B. Dänemark) der ökologische Einsatz einer Wärmepumpe auch ökonomisch vorteilhafter war. Aufgrund der Liberalisierung des Strommarktes in Deutschland und der zunehmenden Nachfrage nach regenerativ erzeugtem Strom konnten auch die Preise in Deutschland gesenkt und das Angebot ausgeweitet werden. Die Stadtwerke Emsdetten haben beispielhaft gänzlich auf das Angebot von umweltfreundlich erzeugtem Strom umgestellt.
Fortschritte in der Kraftwerkstechnik
Zur Umweltverträglichkeit einer Elektro-Kompressions-Wärmepumpe gehört neben dem Wirkungsgrad und der CO2-Bilanz zum Beipiel auch die Möglichkeit in großtechnischen Kraftwerksanlagen die Rauchgasreinigung zentral und optimal zu kontrollieren. Diesem Gesichtspunkt tragen besonders die den deutschen Kraftwerkspark substituierenden geplanten Kohlekraftwerke Rechnung, sodass diese nicht kategorisch abzulehnen sind.
Ein weiterer vielversprechender Fortschritt ist auch die Möglichkeit der CO2-Abscheidung (CO2-Sequestrierung). Diese wird zum Beispiel dadurch möglich, dass das Rauchgas nach der Entschwefelung einen Amin- oder Carbonat-Wäscher durchläuft. Dieses Verfahren wird auch Post-Combustion-Capture genannt. In diesen Wäschern wird das CO2 z. B. durch fein verteilte Amin-Tröpfchen absorbiert und in einem zweiten Schritt in einem Abscheider (Stripper) erhitzt, sodass das CO2 in konzentrierter Form frei wird und dann eingelagert oder durch Wasserstoff in der Methanolsynthese umgesetzt werden kann. Diese Abscheidung bedarf jedoch wiederrum Wärmeenergie – also weiterer Kohle – und verschlechtert somit den Kraftwerkswirkungsgrad.
Von den meisten Forschern wird eine Lagerung in tiefen Aquiferen, deren Poren mit Salzwasser gefüllt sind, favorisiert. Bereits ab 800 m Teufe treten Drücke auf, bei denen das eingebrachte CO2 optimal verdichtet und damit ein erneutes Zutagetreten des Kohlenstoffdioxids praktisch ausgeschlossen ist. Bei der Nutzung tiefer Aquifere steht die Sequestrierung allerdings im Wettbewerb mit anderen Nutzungen, beispielsweise der Nutzung dieser Aquifere zur nachhaltigen Stromerzeugung aus Geothermie. Fragen der Umweltschädlichkeit der Endlagerung großer Mengen von CO2 in Aquiferen sind zudem noch nicht untersucht.
Umweltenergie der Wärmepumpe
Neben der Wahl des Stromanbieters, den eingesetzten Energieträgern zur Stromerzeugung und der dabei verwandten Kraftwerkstechnik ist auch die Verfügbarkeit des genutzten Umweltmediums der Wärmepumpe entscheidend. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist nämlich grundsätzlich von der Differenz des eingehenden Temperaturniveaus zum benötigten Vorlauftemperaturniveau abhängig. Je größer diese Differenz, desto mehr Strom muss Erzeugung der Wärme aufgebracht werden. Eine Erdwärmeheizung erreicht zum Beispiel spielend eine Jahresarbeitszahl von 4 und höher, sodass damit auch die Nutzung fossil erzeugten Stromes bereits umweltfreundlich wird. Eine Luftwärmepumpe hingegen erreicht auch unter optimalen Bedingungen nicht viel bessere Arbeitszahlen als 3, sodass ihr Einsatz häufig nur klimaneutral ist.
Dieses liegt jedoch nicht an der Technik der Wärmepumpe, sondern am Energiegehalt des Umweltmediums. Während aus Erdwärmesonden betriebene Wärmepumpen ganzjährig eine nahezu konstante Wärmequelle nutzen, lässt das nutzbare Energieniveau der Luft gerade in der Heizperiode im Winter merklich nach. Das führt dazu, dass die Luft-Wasser-Wärmepumpe im Winter elektrisch unterstützt werden muss. Je nach Gerätetyp passiert dies ab einer Außentemperatur von -3 bis -5 °C. Diesen Zusammenhang zu Grunde legend variiert dann auch die Effizienz der Luftwärmepumpe in Abhängigkeit des Zeitraums in dem die Außentemperatur unter diesen kritischen Wert fällt. Im Allgemeinen heißt dies, dass eine durchschnittliche Dauer der Temperaturabsenkung in Deutschland von 2 bis 3 Wochen, der zusätzliche Strombedarf des Heizstabs in einer Arbeitszahl von 3 resultiert. Im Umkehrschluss bedeutet dies jedoch auch, dass der Einsatz der Luftwärmepumpe in den Übergangsmonaten und im Sommer ein außerordentlich hohes Temperaturniveau nutzt. Ein saisonaler Betrieb der Luft-Wasser-Wärmepumpe resultiert ergo in sehr effizienten Arbeitszahlen und damit auch in einer erheblichen Umweltfreundlichkeit.
Vorlauftemperatur der Heizung
Die Wahl des Umweltmediums ist jedoch nur eine Seite der für die Effizienz der Wärmepumpe entscheidenden Differenz von eingehendem Temperaturniveau des Umweltmediums und benötigtem Vorlauftemperaturniveau. Je niedriger die benötigte Vorlauftemperatur, desto höher die Jahresarbeitszahl und umso niedriger ist die Umweltbelastung. Dies beruht darauf, dass der Kompressor der Wärmepumpe mit steigendem Vorlauftemperaturniveau und konstanter Temperatur des Umweltmediums mehr Arbeit verrichten muss. Da der Stromeinsatz mit steigender Vorlauftemperatur zunächst nur unterproportional steigt, sinkt also auch die Arbeitszahl vorerst nur geringfügig. Dieser Zusammenhang ermöglicht es, viele bestehende Heizkörpersysteme auch mit Wärmepumpen effizient zu betreiben.
Die Warmwasserbereitung liegt meistens über 50°C und somit in einem Temperaturbereich, der für eine Wärmepumpe technisch problemlos herstellbar ist, jedoch einen höheren Stromaufwand erfordert. Da die Warmwasserbereitung jedoch häufig nur 10% der erforderlichen Heizenergie ausmacht, ist auch der Effizienzverlust für die Warmwassererzeugung per Wärmepumpe verschwindend gering und damit vernachlässigbar.
Kältemittel in der Wärmepumpe
Aus Umweltgesichtspunkten muss auch das in der Wärmepumpe verwandte Kältemittel berücksichtigt werden, da dieses im Lebenszyklus zum großen Teil an die Atmosphäre abgegeben wird, durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und fluorierte Kohlenwasserstoffe häufig Ozonschicht schädigend wirkt und damit den Treibhauseffekt und die Erderwärmung beschleunigt. Aus diesem Grunde erleben natürliche Kältemittel wie Wasser, Ammoniak, Propan und Kohlendioxid eine Renaissance in der Kälte- und Wärmepumpentechnik.
- Das Kältemittel Wasser ist für Kühltemperaturen oberhalb des Gefrierpunktes einsetzbar. Da Kältemittel und Kälteträger nicht getrennt werden müssen, entfallen die üblichen Wärmetauscher. Die Folge: man erreicht eine höhere Energieeffizienz auch bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Verdampfungstemperatur und gewünschter Kälteträgertemperatur. Die geringe volumetrische Kälteleistung erfordert die technisch anspruchsvolle Verdichtung größerer Volumenströme und damit neuartige Verdichter, um Leistungszahlen vergleichbarer Anlagen zu erreichen.
- Ammoniak ist seit Jahrzehnten ein häufig verwendetes Kältemittel. Es ist nicht Ozonschicht schädigend und trägt damit auch nicht zur Verstärkung des Treibhauseffektes bei. Bisher mussten allerdings aus Sicherheits- und Korrosionsschutzgründen Anlagenkomponenten in Stahl ausgeführt sein, da es toxisch und brennbar ist. Neuere Untersuchungen zeigen, dass unter bestimmten Randbedingungen auch Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe einsetzbar sind.
- In industriellen Kälteanlagen ist Propan ein seit Jahren eingesetztes Kältemittel. Als Ersatz für R502 und auch für das seit 1.1.2000 in Neuanlagen verbotene R22 findet Propan in der Wärmepumpentechnik breite Anwendung. Da keine korrosive Wirkung gegen Kupfer besteht, sind Kupferwerkstoffe einsetzbar, die auch halbhermetische und hermetische Verdichter ermöglichen. Die leichte Entflammbarkeit des Propans macht allerdings zusätzliche sicherheitstechnische Vorkehrungen erforderlich.
- Der Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel hat eine lange Tradition. Mit der Einführung von Sicherheitskältemitteln in den 1950er Jahren wurde der Einsatz von CO2 jedoch immer weiter vom Kältemittelmarkt gedrängt, obwohl gerade bei niedrigen Umgebungstemperaturen CO2 als Kältemittel über günstige thermodynamische Eigenschaften verfügt. Heute wird sich insbesondere beim Bau von Supermarkt- und PKW-Klimaanlagen wieder vermehrt für den Einsatz von Kohlenstoff entschieden.
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