Wärmepumpen: Wärme bewegen statt Wärme erzeugen
Die Zahl, die Misstrauen weckt, ist genau die entscheidende. Ein Elektroheizer ist bestenfalls zu 100 Prozent effizient, denn mehr, als seinen gesamten Strom in Wärme zu verwandeln, kann er nicht. Eine Wärmepumpe erreicht nach demselben Maßstab 300 bis 500 Prozent, und der Grund ist, dass sie überhaupt kein Wandler ist.
Woher die zusätzliche Energie kommt
Luft von null Grad Celsius enthält eine gewaltige Menge Wärmeenergie. Die Null auf der Celsiusskala ist ein willkürlicher Bezugspunkt, der Gefrierpunkt des Wassers, und keine Abwesenheit von Wärme; das wäre der absolute Nullpunkt, 273 Grad weiter unten. In kalter Luft steckt reichlich Energie, sie liegt nur auf einem Temperaturniveau, das sich nicht unmittelbar nutzen lässt.
Eine Wärmepumpe hebt dieses Niveau an. Sie führt ein Kältemittel mit sehr niedrigem Siedepunkt durch vier Bauteile. Im äußeren Verdampfer ist das Kältemittel kälter als die Außenluft, also fließt Wärme in der gewöhnlichen Richtung hinein und lässt es zu Dampf sieden. Ein Verdichter presst diesen Dampf zusammen, und die Verdichtung hebt seine Temperatur deutlich über die Innentemperatur. Im inneren Verflüssiger gibt der heiße Dampf seine Wärme an das Haus ab und wird wieder flüssig. Ein Expansionsventil senkt den Druck, die Flüssigkeit kühlt stark ab, und der Kreislauf beginnt von vorn.
Nichts daran ist exotisch. Es ist der Kältekreislauf, von Carnot in den 1820er Jahren beschrieben und seither in jedem Kühlschrank. Der Verdichter ist das, wofür der Strom bezahlt, und seine Arbeit ist es, die Wärme von kalt nach warm fließen lässt - in die Richtung, in die sie von allein nicht geht.
Die ans Haus gelieferte Wärme ist deshalb die Summe aus zweierlei: der draußen eingesammelten Wärme, die nichts kostet, plus der elektrischen Arbeit des Verdichters, die ebenfalls als Wärme endet. Deshalb übersteigt der Ertrag den Einsatz, und deshalb stört daran nichts die Hauptsätze der Thermodynamik.
Die Leistungszahl
Die Leistungszahl ist das Verhältnis von gelieferter Wärme zu verbrauchtem Strom. Eine Leistungszahl von 4 heißt vier Kilowattstunden Wärme je Kilowattstunde Strom. Die Jahresarbeitszahl, die über eine Heizsaison einschließlich Abtauzyklen und Teillastbetrieb mittelt, ist die ehrliche Vergleichsgröße und liegt typischerweise unter dem Spitzenwert im Prospekt.
Die theoretische Decke folgt wieder aus Carnot und hängt allein von den beiden beteiligten Temperaturen ab. Wärme über einen kleinen Temperaturunterschied zu pumpen ist leicht, über einen großen schwer. Eine Anlage, die Wärme von 7 Grad draußen auf 35 Grad in einer Fußbodenheizung hebt, hat eine theoretische Höchstleistungszahl über 10 und erreicht praktisch 4 bis 5. Dasselbe Gerät, das von minus 10 draußen auf 55 Grad für alte Heizkörper hebt, schafft vielleicht 2.
Dieser eine Zusammenhang erklärt nahezu jede praktische Empfehlung zu Wärmepumpen. Größere Heizkörper oder eine Fußbodenheizung senken die nötige Vorlauftemperatur und heben die Leistungszahl. Dämmung senkt den Wärmebedarf und erlaubt bei gleichem Komfort eine niedrigere Vorlauftemperatur. Erdwärme schlägt Luftwärme im Winter, weil das Erdreich wenige Meter tief nahe der Jahresmitteltemperatur bleibt und die Luft das nicht tut - dieselbe Ressource, die oberflächennahe Geothermie nutzt.
Er erklärt auch, warum eine Wärmepumpe selbst an einem kalten Tag einen Gaskessel schlägt. Ein Brennwertkessel erreicht vielleicht 90 Prozent. Eine Wärmepumpe mit Leistungszahl 2,5 liefert 250 Prozent. Selbst wo Strom je Kilowattstunde dreimal so viel kostet wie Gas, liegt die Rechnung nah beieinander - und sie verbessert sich mit jedem Jahr, in dem das Netz sauberer wird.
Kaltes Klima und der Einwand, der sich hält
Der übliche Einwand lautet, Wärmepumpen versagten bei Kälte, und er traf früher weitgehend zu. Frühe Geräte verloren unter dem Gefrierpunkt rasch an Leistung und schalteten auf einen Heizstab um, also teuren Strom, schlecht eingesetzt.
Zwei Entwicklungen haben das beendet. Drehzahlgeregelte Inverterverdichter lassen ein Gerät die Leistung stufenlos anpassen, statt ein- und auszuschalten, was den Wirkungsgrad in Teillast oben hält. Die Dampfzwischeneinspritzung fügt der Verdichtung einen zweiten Einspritzpunkt hinzu und hält die Leistung bei tiefen Außentemperaturen. Heutige Kaltklimageräte halten bei minus 20 Grad eine Leistungszahl über 2 und arbeiten unter minus 25 weiter.
Der empirische Befund überzeugt mehr als jedes Datenblatt. Norwegen, Finnland und Schweden haben die höchste Wärmepumpendichte der Welt - in Norwegen weit über die Hälfte der Haushalte -, und warm ist es dort nicht. Die Technik funktioniert im Kalten, weil sie dafür entwickelt wurde, nicht weil die Physik je nachsichtig gewesen wäre.
Die verbleibenden ehrlichen Vorbehalte betreffen Gebäude und nicht Maschinen. Ein Haus mit hohen Wärmeverlusten und kleinen, für 70 Grad ausgelegten Heizkörpern braucht entweder bessere Hülle oder größere Flächen, und die Kosten dieser Arbeiten sind es meist, die über einen Austausch entscheiden, nicht die Wärmepumpe.
Warum das im Systemmaßstab zählt
Wärme macht in Europa rund die Hälfte des Endenergieverbrauchs aus, und der größte Teil davon ist noch immer verbrannter fossiler Brennstoff. Eine Technik, die dieselbe Wärme mit einem Drittel bis einem Fünftel des Energieeinsatzes liefert, verändert die Größe des Problems und nicht nur seinen Kohlenstoffgehalt.
Die Vervielfachung verstärkt sich mit einem sauberen Netz. Eine Einheit Strom aus einem Windpark wird im Haus zu vier Einheiten Wärme, sodass eine einzelne Windkraftanlage ein Mehrfaches ihres eigenen Ertrags an Gas verdrängt. Deshalb tauchen Wärmepumpen in nahezu jedem belastbaren Dekarbonisierungspfad auf und werden als Elektrifizierungstechnik behandelt und nicht als Heiztechnik.
Es gibt auch eine Netzfolge. Elektrifizierte Wärme verschiebt den Bedarf in den Winter und in kalte Morgenstunden, also genau dorthin, wo der Solarertrag in nördlichen Breiten am geringsten ist. Wärmepumpen erhöhen damit den Wert von Erzeugung, die unabhängig vom Wetter läuft, und von Speichern, die eine kalte, dunkle Woche überbrücken.
Sie sind zugleich auf hilfreiche Weise flexibel. Ein gut gedämmtes Gebäude ist selbst ein Wärmespeicher: Eine Wärmepumpe kann stärker laufen, wenn Strom günstig ist, und ein bis zwei Stunden aussetzen, wenn er es nicht ist, ohne dass es jemand merkt. Damit gehören Wärmepumpen zu den größten verfügbaren Quellen für verbrauchsseitige Flexibilität im Netz.
Häufige Fragen
Wie kann eine Wärmepumpe über 100 Prozent effizient sein?
Sie wandelt keinen Strom in Wärme um, weshalb das Wort Effizienz in die Irre führt. Sie nutzt Strom, um Wärme, die draußen bereits vorhanden ist, ins Gebäude zu bewegen. Die gelieferte Wärme ist die eingesammelte Außenwärme plus die elektrische Arbeit des Verdichters - deshalb übersteigt der Ertrag den Stromeinsatz, ohne dass etwas verletzt würde.
Was ist die Leistungszahl?
Gelieferte Wärme geteilt durch verbrauchten Strom. Eine Leistungszahl von 4 heißt vier Einheiten Wärme je Einheit Strom. Die Jahresarbeitszahl mittelt über eine ganze Heizsaison einschließlich Abtauzyklen und Teillast und ist die Zahl, die sich zwischen Anlagen vergleichen lässt.
Funktionieren Wärmepumpen bei Kälte?
Ja. Heutige Kaltklimageräte halten bei minus 20 Grad eine Leistungszahl über 2 und arbeiten unter minus 25, dank drehzahlgeregelter Verdichter und Dampfzwischeneinspritzung. Norwegen hat die weltweit höchste Wärmepumpendichte mit weit über der Hälfte der Haushalte, was die Frage empirisch klärt.
Warum zählt die Vorlauftemperatur so stark?
Weil die Leistungszahl vom Temperaturunterschied abhängt, den die Pumpe überbrücken muss. Wasser auf 35 Grad für eine Fußbodenheizung zu bringen ist weit leichter als auf 55 Grad für alte Heizkörper. Die Vorlauftemperatur über größere Heizflächen oder Dämmung zu senken ist meist der günstigste Weg, die Leistung zu verbessern.
Ist eine Wärmepumpe dasselbe wie eine Klimaanlage?
Mechanisch fast. Beide betreiben einen Kältekreislauf, der Wärme von einer Seite zur anderen bewegt. Eine Klimaanlage pumpt Wärme aus einem Gebäude, eine Wärmepumpe hinein, und die meisten modernen Geräte kehren den Kreislauf um und können beides. Ein Kühlschrank ist dieselbe Maschine, die eine Kiste kühlt statt eines Raums.
