Der Artikel kompakt zusammengefasst
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- Für die Momentaufnahme „Kalenderjahr 2025“ zeigt der modellierte Betrieb einer Gas-Heizung und einer Luft/Wasser-Wärmpumpe für ein älteres Einfamilienhaus deutlich höhere Treibhausgasemissionen bei der Gas-Heizung.
- Die dem Heizstab der monoenergetisch konservativ ausgelegten Luft/Wasser-Wärmepumpe unmittelbar zuzuordnenden Treibhausgasemissionen sind kaum höher als die für den Betriebsstrom der Gas-Heizung.
- Mit dem Heizungsumstieg auf ein noch weiter dekarbonisiertes Stromnetz zu warten, würde keine Treibhausgasemissionen einsparen, sondern mehr Treibhausgase als notwendig freisetzen.
Der Umstieg von Gas- und Öl-Heizungen auf Heizungs-Wärmepumpen gilt allgemein als wesentlicher Faktor und Hebel für die Dekarbonisierung des Gebäudebestands. Während sich Funktion, Zuverlässigkeit und geringere Betriebskosten in der Praxis bewiesen haben, wird die Minderung der Treibhausgasemissionen häufig pauschal angezweifelt. Der Blick in ein Gebäude zeigt den Unterschied zu einer Gas-Heizung.
Man kann fast eine Wette darauf abschließen: Für Stunden oder Tage, in denen der deutsche Stromerzeugungsmix dunkelbraun ist, findet sich jemand, der einen entsprechenden Monitor bildlich festhält und ihn als Beweis für eine gescheiterte Energiewende kommentiert – besonders gerne kombiniert mit hellgrünem Stromerzeugungsmix in Frankreich und Schweden. Zumeist folgt dann noch der abgeleitete Triumph, dass Elektroautos und Wärmepumpen gar nichts bringen, weil Deutschlands Strom viel zu dreckig ist, die Sonne nur im Sommer und auch nur tagsüber scheint und dann nur etwas bringt, wenn keine Wolken da sind.
Die Beobachtungen sind (anteilig) durchaus richtig, die Analyse, Schlussfolgerungen und Bewertungen sind es eher nicht, und die Entwicklung der letzten Jahre wird zumeist vollständig ausgeblendet Im Jahr 2015 hatte Deutschland im Strommix einen Treibhausgasemissionsfaktor inklusive Emissionen in den Vorketten von 603 gCO2e/kWh (CO2e: CO2-Äquivalent) und im Jahr 2025 trotz Kernenergieausstieg von rund 406 gCO2e/kWh (vorläufig). In beiden Jahren hat sich allerdings auch der Stromhandelssaldo verändert, vergleicht man den vom Umweltbundesamt berechneten „CO2-Emissionsfaktor für den Strominlandsverbrauch“ liegen die Werte bei 578 und 330 gCO2/kWh weiter auseinander.
Fakt ist: Die Dekarbonisierung der Stromerzeugung schreitet voran, sie ist aber noch lange nicht abgeschlossen. Insofern ist es wichtig, auch den aktuellen Stand der Emissionen zu kennen und einzuordnen. Für Vergleiche sind auch die Bilanzräume relevant: Formal verursacht eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe im Gebäudesektor keine Treibhausgasemissionen – die bei der Stromerzeugung freigesetzten Emissionen werden dem Sektor Energiewirtschaft zugeordnet. Bei der Gas-Heizung werden im Gebäudesektor nur die verbrennungsbezogenen CO2-Emissionen bilanziert. In beiden Fällen entstehen bereits in den Vorketten weitere Emissionen.
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Heizsystemvergleich
Will man Heizsysteme vergleichen, eignet sich bei Strom ein Jahres- oder Monatsmittelwert nur für einen ersten Überschlag: in der öffentlich verfügbaren und handhabbaren stundengenauen Auflösung für den Strommix (Agora Energiewende) ergeben sich 8760 unterschiedliche Emissionsfaktoren, wovon etwa 6000 für die Erzeugung von Raumwärme relevant sind. Diese müssen bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit der Außenlufttemperatur am Verdampfer und der Vorlauftemperatur auf der Heizkurve aus der gemittelten Außenlufttemperatur in den (beispielsweise) letzten 24 Stunden (eigentlich geht „die Witterung“ ein) sowie der mit dem gleichen Wert ermittelten Heizlast kombiniert werden.
Bei den konventionellen Heizsystemen haben Gas-Brennwertheizungen die höchste Verbreitung und der Brennstoff Erdgas hat aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung die geringsten verbrennungsbezogenen CO2-Emissionen. Gas-Brennwertheizungen sind damit (hier) die Benchmark. Dagegen tritt eine aktuelle Luft/Wasser-Wärmepumpe mit R290-Charakteristik an, die Auslegungsvorlauftemperatur für die Wärmeübergabe beträgt 55 °C.
Emissionsfaktor Gas-Heizung
Bei Erdgas liegen die verbrennungsbezogenen CO2-Emissionen bei 181,4 gCO2/kWh (Standardwert, bezogen auf den Brennwert Hs). Die Treibhausgasemissionen inklusive Vorkettenemissionen lagen bis 2021 bei etwa 205 gCO2e/kWh (+13 %). Durch die neuen Importwege liegt der Kennwert nun eher höher. Im GModG ist ein Emissionsfaktor von 216 gCO2e/kWh (+19 %) hinterlegt. Um mit dem Strommix kompatibel zu sein, werden im Heizsystemvergleich die verbrennungsbezogenen CO2-Emissionen verwendet.
Emissionsfaktor Strommix
Gemäß internationalen Bilanzierungsvereinbarungen werden alle Emissionen der Stromerzeugung – also auch Stromhandelsüberschüsse – dem Land zugerechnet, in dem sie entstehen. Der diese Bilanzgrenzen berücksichtigende und nachfolgend verwendete Indikator „direkte CO2-Emissionen je Kilowattstunde Strom“ wird als „Emissionsfaktor für den deutschen Strommix“ bezeichnet. Für das Jahr 2025 liegt er bei 344 gCO2/kWh. Die direkten Treibhausgasemissionen des Stromverbrauchs mit Vorkettenemissionen liegen bei 406 gCO2e/kWh (+18 %; siehe oben). Der Unterschied zu den Emissionsfaktoren mit Vorketten liegt auf gleichem Niveau. Der Emissionsfaktor für den deutschen Strommix variierte 2025 in der zeitstündlichen Auflösung zwischen 93,7 und 656,7 gCO2/kWh.
Berechnungsmodell
Der Vergleich erfolgt für das Kalenderjahr 2025 rechnerisch. Der Altbau in Bad Berka hat Heizkörper mit einem Vorlauftemperaturbedarf von 55 °C im Auslegungspunkt, die Heizlast beträgt 10 kW und die Heizgrenze 15 °C. Die Gas-Heizung ist neu und erreicht einen guten Jahresnutzungsgrad von 0,93 bezogen auf den Brennwert. In die Bilanz fließt auch ihr Betriebsstrom ein, pauschal mit 1,2 % bezogen auf den Gasdurchsatz.
Die Wärmepumpe ist monoenergetisch so ausgelegt, dass sie 55 % der Norm-Heizlast bei −13 °C Norm-Außentemperatur über den Kältekreis abdeckt. Die 3 COP-Werte im Emissionsdiagramm geben Auskunft über die verwendete (modulierende) Wärmepumpenkennlinie. Der Heizstab fließt mit einem COP von 0,98 in die Bilanz ein.
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Ergebnisse und Varianten
Die CO2-Emissionen der Gas-Heizung zeigt Bild 2. Sie kumulieren im Jahresverlauf auf insgesamt 4,172 t, davon 4,024 t für Erdgas und 0,147 t für den Betriebsstrom. Der Hilfsenergieeinsatz für Brennstoffheizungen wird in der TGA/SHK-Branche nur selten berücksichtigt, er hat hier einen Anteil von 3,5 %. Um diese Größenordnung erhöhen sich bei einer Berücksichtigung auch die Heizenergiekosten.
Bild 3 zeigt die CO2-Emissionen der monoenergetisch betriebenen Luft/Wasser-Wärmepumpe. Sie kumulieren im Jahresverlauf auf insgesamt 2,255 t, davon 2,060 t für den Verdichterbetrieb und 0,195 t für den Heizstab. Der rückgerechnete Mittelwert für das ganze Jahr liegt bei 400 gCO2/kWh und damit tatsächlich deutlich über dem Jahreswert für den Strommix von 344 gCO2/kWh.
Obwohl die Wärmepumpe monoenergetisch knapp ausgelegt ist, liegen die CO2-Emissionen des Heizstabs auf dem Niveau des Betriebsstroms der Gas-Heizung. Hintergrund ist unter anderem die große Differenz bei den Betriebsstunden. Mit der 55-%-Auslegung ergeben sich folgende Werte:
- Heizarbeit Verdichter: 20.164 kWh mit 5143 kWh Strom
- Heizarbeit Heizstab: 475 kWh mit 485 kWh Strom
- Heizarbeit gesamt: 20.638 kWh mit 5628 kWh Strom
- modelliert ergibt sich für die konkreten Außenlufttemperaturdaten eine Jahresarbeitszahl von 3,67. Nach VDI 4650 liegt sie für häufig eingesetzte Wärmepumpen bei etwa 3,8 bis 4,0.
Im monovalenten Betrieb würden die CO2-Emissionen rechnerisch um 0,125 t auf 2,130 t sinken. Die Modellierung kann allerdings Feinheiten im Taktbetrieb nicht abbilden, bei einer realen Anlage wäre auch eine deutlich geringere Absenkung und bei ungünstigen Bedingungen auch das Gegenteil denkbar: Eine andere Auslegung würde sich nicht nur auf die Fläche des Heizstabs, sondern auch auf die Fläche des Verdichters auswirken. Monoenergetisch würde man auf das Monovalent-Niveau bei einer auf 50,5 °C abgesenkten Vorlauftemperatur kommen. Geht es nur um eine Emissionsminderung, stehen also zur Zielerreichung mehrere Wege zur Verfügung.
Im exemplarisch gewählten monoenergetischen Betrieb liegen mit den Bilanzgrenzen die Treibhausgasemissionen der Wärmepumpe 1,917 t/a bzw. 46 % unter denen der Gas-Heizung. Die vor 2025 erneuerte Gas-Heizung wird künftig jedoch voraussichtlich anteilig Grünbrennstoff benutzen müssen. Die mittlere Quote von 2027 bis 2045 liegt laut BMWE-Eckpunkte-Papier bei 35 %. Selbst wenn man für das Grüngas die Treibhausgasemissionen in allen Sektoren auf null setzt, reicht die Dekarbonisierung nicht an die Wirkung der WP mit dem Strommix im Jahr 2025 heran. Und geplant ist, dass die Emissionen im Strommix noch deutlich sinken.
Nimmt man ein älteres Wärmepumpenmodell an, das modelliert nur eine Jahresarbeitszahl von 3,0 erreicht, ergeben sich im monoenergetischen Betrieb CO2-Emissionen von 2,670 t, das sind mit den oben beschriebenen Bilanzgrenzen 36 % weniger als mit der Erdgas-Heizung. Verschlechtert man den Gütegrad im Verdichterbetrieb gleichmäßig im gesamten Kennfeld, ergibt sich erst bei einer Jahresarbeitszahl von 1,98 eine Parität bei den CO2-Emissionen von Wärmepumpe und Gas-Heizung.
Es zeigt sich sehr deutlich: Beim Heizungsumstieg auf ein noch weiter dekarbonisiertes Stromnetz zu warten, würde keine Treibhausgasemissionen einsparen, sondern mehr Treibhausgase als notwendig freisetzen. Beim Vergleich mit einer existierenden Gas-Heizung ist der Unterschied ohnehin höher, im Heizungsvergleich wurde bereits eine neue Gas-Heizung mit einem etwa 10 bis 15 % geringen Brennstoffbedarf berücksichtigt. Gegenüber Flüssiggas- und Öl-Heizungen ist die Minderung bereits aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Brennstoffe deutlich höher.
Betriebsstundenemissionen
Die Verteilung der CO2-Emissionskennwerte im Strommix zeigt zwar einen sinkenden Trend bei steigender Temperatur, sehr hohe Werte werden aber auch bis zur Heizgrenze erreicht. Bild 4 sortiert auf der x-Achse alle 8760 Stunden nach ihrem Emissionsfaktor im Strommix. Darüber liegen die CO2-Emissionen für alle 5948 Betriebsstunden des Verdichters und des Heizstabs (überlappend 442 Betriebsstunden) die absolute CO2-Emission in g/h als Produkt der elektrischen Leistungsaufnahme und des Emissionsfaktors.
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Die drei in Schwarz gestrichelten Linien stehen jeweils für eine elektrische Leistungsaufnahme von 1, 2 und 3 kW. Die „schmuddeligsten“ Heizstabstunden liegen nicht bei den höchsten Emissionsfaktoren, aber weit rechts. Der Spitzenwert des Heizstabs von 1650 g/h ergibt sich mit einem Emissionsfaktor von 570 gCO2/kWh und einer Leistungsaufnahme von 2,9 kW. Die größte Leistungsaufnahme des Heizstabs von 3,06 kW liegt über einem Emissionsfaktor von 497 gCO2/kWh. Der kleinste Emissionsfaktor mit Heizstabbetrieb von 196 gCO2/kWh kommt bei einer Leistungsaufnahme von 1,4 kW zum Tragen. Die Punkte mit der höchsten Verdichterleistung (also der größten Heizlast und den für die Wärmepumpe ungünstigsten Bedingungen) variieren von etwa 200 bis 575 gCO2/kWh. Beim höchsten Emissionsfaktor am 24. März zwischen 04:00 und 05:00 Uhr von 656,7 gCO2/kWh wurde eine Außenlufttemperatur von rund 6,2 °C aufgezeichnet, aufgrund des warmen Vortags lag zu diesem Zeitpunkt der Rechenwert für die Heizkurve bei 7,5 °C.
Die minimal mögliche Leistungsaufnahme des Verdichters liegt zwischen 0,4 und 0,6 kW und damit auf halber Höhe der 1-kW-Linie. Punkte in der unteren Hälfte liegen im Taktbetrieb und entstehen aus der Logik der Grafik und der 1-Stunden Auflösung der Betriebsdaten aus 1, 2 oder 3 Starts. Bei einer zu groß ausgelegten Wärmepumpe liegt die Kennlinie mit der minimalen Leistung tendenziell höher (sofern in der Wärmepumpe ein leistungsstärkerer Verdichter eingesetzt wird), die Zahl der Stunden mit Taktbetrieb steigt dann deutlich. Bei einer monovalenten Auslegung würden mehr Betriebsstunden in den Taktbetrieb fallen. Um diesen verschleißarm und möglichst energieeffizient zu gestalten, ist viel Expertise erforderlich und ein Monitoring zu empfehlen.
Nachträgliche Verbesserungen
Eine Stellschraube wurde schon oben erwähnt: Die Vorlauftemperatur. Künftige Sanierungsschritte, die im Anschluss auch eine Absenkung der Heizkurve ermöglichen, haben bei der Wärmepumpe einen größeren Effekt: Es sinken der Bedarf an Heizarbeit und die Heizleistung, der Verdichter moduliert früher und kann Nutzwärme mit einer geringen elektrischen Leistungsaufnahme bereitstellen, der Heizstab wird seltener und mit kleinerer Leistung benötigt und die Zahl der Stunden mit Heizbedarf verringert sich. Optimal erschließen lassen sich die Potenziale jedoch nur, wenn auch die Einstellungen geändert werden. Bei der Gas-Heizung sinken im Bestfall die Emissionen im gleichen Verhältnis wie die Heizarbeit. Zusätzlich könnte man mit einem größeren Brennwerteffekt argumentieren, gegenläufig wirkt sich jedoch die steigende Starthäufigkeit aus. Auch hier lässt sich der Betrieb über die Geräteeistellungen optimieren, in der Praxis ist das jedoch nur selten zu erkennen.
Eine zweite Stellschraube ist die Nutzung von Eigenstrom. Der Vergleich hinkt allerdings (etwas), wenn die Photovoltaik-Anlage vor dem Einbau der Wärmepumpe auf den Strommix eingezahlt hatte. Was man jedoch erkennen kann: An sonnigen Tage steigt zumeist auch die Außenlufttemperatur und die Heizlast sinkt, zugleich sinkt der Emissionsfaktor. Mit Eigenstrom verschwinden also tendenziell Punkte, die weit links im Diagramm auf geringer Höhe liegen. Die Emissionen sinken somit nur in einem überschaubaren Umfang, für die Stromrechnung ist der Selbstverbrauch aus vorhandenen Anlagen jedoch attraktiv.
Erweitert man die Betrachtung um elektrische und / oder thermische Speicher, werden die typischen Nutzer eine Heizungs-Wärmepumpe wohl eher an einer Optimierung der Stromrechnung interessiert sein. Bei dynamischen Stromtarifen gibt es eine gute Übereinstimmung zwischen dem aktuellen Preis und dem Emissionsfaktor, zudem ist der Strompreis im Vorfeld bekannt und einfach verfügbar. Bezieht man in die Bewirtschaftungsstrategie auch einen zeitvariablen Netzentgelt-Arbeitspreis (Modul 3 in der Kombination mit Modul 1) ein, kann sich die Übereinstimmung ändern. Die Profile für Modul 3 werden bereits im Vorjahr auf der Basis örtlicher Erfahrungswerte festgelegt und senden in der Echtzeit (leider) nicht automatisch sinnvolle Signale für den Strommarkt. Jochen Vorländer
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Wärmepumpe
Im Kontext:
BMWE-Eckpunkte für den Hochlauf der Grünbrennstoffquote
Luft/Wasser-Wärmepumpen-Auslegung mit Weitblick
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