Berliner Energietage 2020: Fraunhofer ISE mit KIT und INATECH über Hybridheizungen im Gebäudebestand

"Mit Wärmepumpen kombinierte Gasbrennwertheizungen stellen die optimale technologische Lösung für eine wirtschaftliche und CO₂-arme Wärmeversorgung in Bestandsquartieren und Mehrfamilienhäusern dar." So lassen sich die Inhalte eines Workshops zusammenfasen, der am 04. Juni 2020 parallel zu unserem Tag des Wasserstoffs im Rahmen der Berliner Energietage stattfand. In diesem Workshop wurden Ergebnisse aus dem Projekt "LowEx-Bestand" vorgestellt und diskutiert.

Die Vertreter verschiedener Heizungstechnologien stehen sich immer wieder gegenüber. Neuerungen kommen nur schwer in den Markt und mussten sich stets gegen die Platzhirsche behaupten. Letztere setzen viel daran, ihre bestehenden Lösungen weiter zu verkaufen. Dies führt für Kunden dazu, dass die Auswahl des am besten geeigneten Systems komplex und unübersichtlich ist. Im Ergebnis wird häufig das einfachste System gewählt und somit verhältnismäßig wenig Energie und CO₂-Emissionen eingespart.

Aktuell zeigt sich dieser technologische Wettstreit zwischen elektrischen Wärmepumpen und Gasheizungen. Im Neubau liegen die beiden Technologien – was die Verkaufszahlen angeht – annährend gleichauf bei jeweils ca. 40 % der verkauften Anlagen. Im Gebäudebestand haben Gasheizungen die Nase vorn. In gut isolierten Neubauten können Wärmepumpen von niedrigen Vorlauftemperaturen profitieren und ihre Effizienz maximieren. Je größer oder älter ein Gebäude allerdings ist, umso eher verschieben sich die Anforderungen in Richtung der Gastechnik. Denn häufig stehen hohe, notwendige Vorlauftemperaturen dem effizienten Betrieb einer Wärmepumpe entgegen oder die Wärmequellen der Umgebung (Erdreich, Luft, Abwasser usw.) sind nicht ausreichend verfügbar. Aber was, wenn man beide Technologien kombiniert?

Effizienzgewinn und Kostenoptimierung bei Hybridlösungen

Technologiebedingt sind Brennwertthermen für winterliche Spitzenlasten und Wärmepumpen für die moderaten Jahreszeiten prädestiniert. Im Rahmen des Projektes LowEx Bestand haben die Experten des Fraunhofer ISE, dem KIT und von INATECH (Uni Freiburg) nun ausgerechnet, wie sich die Kombination aus Luft-Wärmepumpen und Brennwertthermen in Mehrfamilienhäusern im Bestand schlägt. Dazu haben die Forscher ein Modellobjekt geschaffen und mit den Normklimawerten des Standortes Potsdam gearbeitet.

Kern der Ergebnisse ist der sogenannte Bivalenzpunkt. Dieser Punkt bezeichnet die Außentemperatur, ab der von der einen auf die andere Technologie umgeschaltet wird. Von Wärmepumpen ausgehend, kommt bei sinkenden Außentemperaturen irgendwann der (Temperatur-)Punkt, an dem der thermodynamische Prozess ineffizient wird. Ab einem gewissen Punkt liegen dann die Kosten für den benötigten Wärmepumpenstrom höher als die Kosten für Erdgas in der Brennwertheizung bei gleicher Wärmeleistung (1. Bivalenzpunkt). Jetzt kommt es aber zur folgenden Entscheidung: Möchte der Nutzer möglichst CO₂-arm weiter heizen, so betreibt er oder sie die Wärmepumpe trotz der höheren Kosten weiter. Doch auch hier kommt irgendwann der Punkt, an dem die Effizienz der Luft-Wärmepumpe so gering wird, dass die CO₂-Emisisonen der benötigten Strommengen höher sind als die CO₂-Emisisonen des Gaskessels bei gleicher Wärmeleistung (2. Bivalenzpunkt). Spätestens ab diesem Temperaturpunkt sollte also in jedem Fall die Gasheizung die Wärmeversorgung übernehmen.

Und so stellen die Forscher fest: Zum jetzigen Zeitpunkt liegt der Bivalenzpunkt im modellierten unsanierten Mehrfamilienhaus aus CO₂-Gründen bei -8 °C und aus Kostengründen bei 3 °C. Das bedeutet, die CO₂-Emissionen sind am niedrigsten, wenn die Wärmepumpe in Zeiten über -8 °C die Wärmeversorgung übernimmt und der Brennwertkessel entsprechend bei Temperaturen unter -8 °C. Hierbei würde dann die Wärmepumpe insgesamt 96 % des Wärmebedarfs beisteuern und der Brennwertkessel die verbleibenden 4 %. Sollen dagegen die Kosten so gering wie möglich gehalten werden, geht die Wärmepumpe nur bis zu einer Temperatur von 3 °C in Betrieb und alle darunter liegenden Temperaturen werden von der Brennwertheizung abgedeckt. Auf diese Weise würde die Wärmepumpe 42 % der benötigten Wärmemengen bereitstellen und der Brennwertkessel 58 %.

In der ebenfalls modellierten Variante mit einem sanierten Mehrfamilienhaus liegt der Bivalenzpunkt unter Kostengründen bei -2 °C (61 % Wärmeabdeckung durch die Wärmepumpe), unter CO₂-Gesichtspunkten würde die Wärmepumpe 100 % abdecken und keine zusätzliche Gasheizung mehr benötigt.

Fazit

Hybridlösungen sind das Gebot der Stunde. Für Einfamilienhäuser haben die meisten größeren Heizungshersteller bereits seit längerem Hybridheizungen aus Luft-Wärmepumpe und Gasbrennwertkessel als Kompaktgerät im Angebot. Doch häufig wirken die hier verhältnismäßig hohen Anschaffungskosten abschreckend. Doch für Mehrfamilienhäuser fallen die spezifischen Investitionskosten eines zusätzlichen Brennwertkessels dagegen deutlich niedriger aus. Möglicherweise kann auch eine neue Wärmepumpe mit einem bestehenden Gerät kombiniert werden.

Sobald es technisch machbar und der Aufwand vertretbar ist, sollten also unterschiedliche Technologien so kombiniert werden, dass ihre Optima im Wirkungsrad perfekt ausgenutzt werden. Die aus Kosten- und Emissionssicht feststellbare Optimallösung ist also eben nicht ausschließlich ein gut regelbarer Gaskessel oder ein kaskadierter Aufbau mehrerer Wärmepumpen, sondern möglicherweise die Kombination der beiden Verfahren.