Weshalb Wärmepumpen ein Werkzeug der Klimaanpassung sind

Wärmepumpen werden als eine, wenn nicht die wesentliche Technologie der Gebäudebeheizung betrachtet – und zum Teil auch kontrovers diskutiert. Das Hauptcharakteristikum von Wärmepumpen ist, dass sie eine externe Wärmequelle geringer Temperatur nutzen, dort Wärme entziehen und diese dann auf die benötigte höhere Nutztemperatur transformieren. Aber zu ihrem Antrieb ist hochwertige technische Energie in erheblichem Maße erforderlich, zumeist elektrischer Strom. Wie effizient dies in Summe ist und welche Auswirkungen der Klimawandel auf Wärmepumpen hat, wird im Folgenden erläutert.

Elektrischer Strom ist nicht nur verhältnismäßig teuer aus wirtschaftlichen Gründen, sondern gehört auch zu den physikalisch wertvollsten Energieformen, weil er sich prinzipiell vollständig in jede andere Energieform umwandeln lässt. Das Heizen mit Elektroheizungen ist dafür das einfachste Beispiel.

Dabei können zwar 100 % Wärme verlustfrei gewonnen werden, aber trotzdem ist dies ineffizient. Zum einen ist die Erzeugung von elektrischer Energie aufwändig und zum anderen ist elektrischer Strom in einer Wärmepumpe viel besser angelegt. Denn Wärmepumpen für die Gebäudebeheizung liefern ein Vielfaches mehr an Wärme als sie an elektrischer Energie benötigen.

Das Verhältnis von Wärmelieferung zu Stromeinsatz, die sogenannte Arbeitszahl, liegt bei der Gebäudebeheizung im Bereich von minimal zweieinhalb, meist aber drei und reicht bis über fünf. Selbst wenn der dafür benötigte Strom zu einem großen Teil mithilfe fossiler Energieträger in Kraftwerken mit entsprechenden Verlusten erzeugt wird, ist der „Umweg“ über die Wärmepumpe mit weniger Treibhausgasemissionen verbunden, als Öl oder Gas direkt im Heizkessel zu verbrennen.

Einen Unterschied macht dabei die Art der Wärmequelle aus. Am weitaus häufigsten wird Außenluft für Heizungswärmepumpen eingesetzt, weil dies meist mit den geringsten Investitionskosten verbunden und am einfachsten ist. Es ist aber auch möglich, das Erdreich mit Wärmeübertragern wie Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren usw. als Wärmequelle zu nutzen, oder aber vorhandenes Grundwasser mithilfe von Brunnen (Oberflächennahe Geothermie). Der Untergrund ist in der Heizsaison deutlich wärmer als die Außenluft, die Wärmepumpe muss die Temperatur weniger stark anheben und benötigt deshalb deutlich weniger Strom. Solche erdgekoppelten Wärmepumpen sind damit zwar teurer in der Anschaffung und aufwändiger, aber im Betrieb deutlich sparsamer, energieeffizienter und klimaschonender.

Wärmepumpen sind aber nicht nur eine klimaschonende Heiztechnologie, weil sie Treibhausemissionen einsparen. Vielmehr sind sie – wie jeder Kühlschrank auch – im Grunde Kältemaschinen. Folglich kann man sie auch zur Raumkühlung einsetzen. In der Vergangenheit war die Kühlung von Wohn- und vergleichbaren Gebäuden in unseren Breiten nur ein untergeordnetes Thema. Aber wegen des Klimawandels gewinnt die Raumkühlung bei uns notgedrungen an Bedeutung.

Und auch hier zeigen erdgekoppelte Wärmepumpensysteme Vorteile: Die beim Kühlen abgeführte Wärme wird nicht an die Außenluft abgegeben, sondern im Untergrund gespeichert. Gerade im Sommer ist dies effizienter als die konventionelle Wärmeabfuhr an die Außenluft, weil der Untergrund dann kühler ist. Vielfach ist sogar eine direkte geothermische Kühlung möglich, bei der lediglich ein Wärmeübertrager und eine Umwälzpumpe benötigt werden und die Wärmepumpe nicht als Kältemaschine arbeiten muss. Dies ist die wirtschaftlichste Art einer auf regenerativen Energien basierenden Kühlung.

Nicht nur die Erdatmosphäre und die Ozeane unterliegen einem Klimawandel, sondern auch der Untergrund unter uns. Die Klimaerwärmung führt zu wärmeren Böden, aber ebenso alles, was wir bauen und gebaut haben. Gebäude, Straßen, Plätze usw. bedeuten Bodenversiegelung, das heißt weniger Kühlung im Sommer durch Wasserverdunstung und Pflanzen. Dunkle Flächen absorbieren mehr Sonnenlicht, und jedes Gebäude wirkt wie eine Wärmedämmung an der Erdoberfläche. Schließlich geben beheizte Gebäude, aber auch Tunnel, Erdkabel, Fernwärmeleitungen usw. Wärme an den Boden ab.

Insbesondere in Ballungszentren führen diese Effekte zu einer erhöhten Temperatur im Untergrund. In Berlin zum Beispiel. um bis zu fünf Grad Celsius gegenüber dem Stadtrand. Wärmepumpen im Heizbetrieb entziehen dem Untergrund Wärme und wirken diesem Effekt entgegen. Eine solche gewisse Abkühlung ist aus hydrogeologischer Sicht oft sogar erwünscht und in der Regel ökologisch positiv.

Wird die Oberflächennahe Geothermie dagegen zu Kühlzwecken, das heißt als Wärmesenke genutzt, kann dies in einem bereits erwärmten Untergrund kritisch sein. Das Problem sommerlicher Überhitzung ist in Stadtzentren stärker ausgeprägt als im Umland. Erhöhter Kühlbedarf und stark erwärmter Untergrund treffen hier zusammen. Deshalb bedarf es in solchen Fällen eines klugen Wärmemanagements, um den Untergrund optimal und ökologisch schonend als Wärme- und Kältequelle sowie als thermischen Energiespeicher zu nutzen.

Klima- und zivilisationsbedingte Veränderungen des Untergrunds betreffen umgekehrt auch die Randbedingungen für den Betrieb erdgekoppelter Wärmepumpenanlagen. Ein wärmerer Boden bzw. wärmeres Grundwasser erhöht die Effizienz einer Wärmepumpenheizung, weil ein geringerer Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Verbraucher zu überwinden ist.

Der Kühlung mittels Oberflächennaher Geothermie sind bei einem erwärmten Untergrund aber nicht nur ökologische Grenzen gesetzt. Bei entsprechend hohen Temperaturen des Untergrunds ist eine direkte geothermische Kühlung mitunter nur sehr eingeschränkt oder gar nicht mehr möglich. Es muss dann maschinell mit der Wärmepumpe im Kältemaschinenbetrieb und damit erhöhtem Stromaufwand gekühlt werden.

Doch nicht nur die Untergrundtemperatur ist ein Thema. Der Klimawandel und weitere anthropogene Einflüsse verändern auch den Wasserhaushalt im Untergrund. In vielen Regionen sinkt der Grundwasserstand seit den letzten Jahrzehnten. Dies betrifft erdgekoppelte Wärmepumpen nicht nur, wenn Grundwasserbrunnen als Quellensystem dienen, sondern auch Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren. Beide profitieren, wenn sie sich nahe oder in fließendem Grundwasser befinden. Erdwärmekollektoren wirken darüber hinaus häufig als saisonale Eisspeicher, wenn Sie im Winter durch den Wärmeentzug einfrieren, und sind dabei auf Bodenfeuchte angewiesen.

Für die Anwendung bedeutet dies, dass Anlagen der Oberflächennahen Geothermie mit Blick auf diese Veränderungen mit einem Sicherheitszuschlag eher großzügig dimensioniert werden sollten. Auch wird eine thermische Regeneration, also ein Wärmemanagement an Bedeutung gewinnen. Forschung und Richtlinienarbeit müssen hier noch Beiträge leisten, damit Wärmepumpen und ihre Quellensysteme weiter optimiert werden.

Autor: Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, Vorsitzender des Richtlinienausschusses VDI 4640 "Thermische Nutzung des Untergrunds"

Fachliche Ansprechpersonen:

Dipl.-Geogr. Catharina Fröhling
Koordinatorin des Fokusthemas „Herausforderung – Anpassung an den Klimawandel“
Telefon: +49 211 6214-134
E-Mail: klimaanpassung@vdi.de

Dr. Jochen Theloke
Koordinator des Fokusthemas „Energie und Umwelt: das 1,5 Grad-Ziel“
Telefon: +49 211 6214-369
E-Mail: theloke@vdi.de