Alles, was Sie über die wilde Welt der Wärmepumpen wissen müssen

Jun 14, 2024

Wärmepumpen könnten dazu beitragen, den Klimawandel zu bekämpfen und Geld zu sparen. So funktionieren sie.

Tech Review erklärt: Lassen Sie unsere Autoren die komplexe, chaotische Welt der Technologie entwirren, damit Sie besser verstehen, was als nächstes kommt. Mehr können Sie hier lesen.

Wir betreten das Zeitalter der Wärmepumpe.

Das Konzept hinter Wärmepumpen ist einfach: Sie werden mit Strom betrieben und transportieren Wärme, um Gebäude entweder zu kühlen oder zu heizen. Das ist keine neue Idee – sie wurden in den 1850er Jahren erfunden und werden seit den 1960er Jahren in Häusern verwendet. Doch plötzlich sind sie zum angesagtesten Haushaltsgerät geworden, gerückt durch das Potenzial für Kosteneinsparungen und Klimavorteile sowie durch jüngste politische Anreize.

So einfach die Grundidee auch sein mag, so faszinierend sind die Details der Funktionsweise von Wärmepumpen. Unter dem Vorwand, die Temperatur Ihres Zuhauses zu regeln, scheint dieses Gerät fast die Gesetze der Physik zu brechen. Auch Wärmepumpen werden immer besser: Neue Modelle sind effizienter und kältebeständiger.

Lassen Sie uns eintauchen und herausfinden, wie eine Wärmepumpe funktioniert.

Auf hohem Niveau sammelt eine Wärmepumpe Wärme an einem Ort und gibt sie an einem anderen Ort ab. Wir werden hauptsächlich im Zusammenhang mit der Heizung über Wärmepumpen sprechen, sie können aber auch zum Kühlen eingesetzt werden, indem sie Wärme von innen sammeln und wie eine Klimaanlage nach außen leiten. Viele Wärmepumpen können tatsächlich umgekehrt betrieben werden und je nach Bedarf entweder heizen oder kühlen.

Der Held einer Wärmepumpe ist das Kältemittel: eine Flüssigkeit, die sich in einem Kreislauf bewegt, dabei Wärme aufnimmt und wieder abgibt. Elektrizität treibt das System an und treibt das Kältemittel durch den Kreislauf.

Während sich das Kältemittel durch die Wärmepumpe bewegt, wird es komprimiert und expandiert und wechselt dabei zwischen flüssiger und gasförmiger Form, damit es an verschiedenen Stellen im Kreislauf Wärme sammeln und abgeben kann. (Wenn Ihnen das ausreicht, können Sie gerne mit der nächsten Frage fortfahren. Ansonsten begleiten Sie mich auf einer Reise in das Innere einer Wärmepumpe, um zu verstehen, wie das alles funktioniert.)

Stellen Sie sich Folgendes vor: Es ist ein kühler Wintertag, sagen wir -5 °C. Sie sitzen mit einem guten Buch auf der Couch in Ihrem Wohnzimmer und Ihre Katze hat sich zusammengerollt in der Nähe. Sie schauen zum Thermostat hinüber, der auf 20 °C eingestellt ist. Vernünftig, aber etwas kühl. Sie gehen hinüber und erhöhen die Temperatur ein wenig auf 21 °C.

Ihre Wärmepumpe summt leise im Hintergrund vor sich hin. Jetzt geht es noch einen Schritt weiter, um die Temperatur zu erhöhen: Der Ventilator und der Kompressor im Inneren werden schneller, und das Kältemittel beginnt sich schneller zu bewegen, um mehr Wärme von außen nach innen zu übertragen.

Es mag kontraintuitiv erscheinen, Wärme von außen zu sammeln, wenn es so kalt ist. Schauen wir uns also einen Zyklus lang dem Kältemittel an, um zu sehen, wie es funktioniert. Bei den meisten Wärmepumpen dauert die Fahrt nur wenige Minuten.

Wärmepumpenkältemittel haben sehr niedrige Siedepunkte, typischerweise unter -15 °F (-25 °C). Zu Beginn unserer Reise liegt das Kältemittel also etwa bei dieser Temperatur und in flüssiger Form. Selbst an den kältesten Orten ist ein Kältemittel in diesem Zustand meist deutlich kälter als die Außenluft (in unserem Fall mehr als 40 Grad kälter).

In der ersten Phase seiner Reise strömt das Kältemittel durch einen Wärmetauscher, vorbei an der Außenluft und erwärmt sich so weit, dass es zu sieden beginnt und sich von einer Flüssigkeit in einen Gaszustand verwandelt.

Die zweite Phase seiner Reise ist eine Reise durch den Kompressor. Der Kompressor drückt das Kältemittel in ein kleineres Volumen und erhöht so seinen Druck und Siedepunkt (dies wird gleich wichtig werden). Dadurch wird es auch weiter erwärmt, sodass es, wenn das Kältemittel den Kompressor passiert hat, wärmer ist als der Innenraum.

Der dritte Abschnitt der Reise des Kältemittels führt es durch einen weiteren Wärmetauscher. Mittlerweile ist das Kältemittel jedoch ein warmes Gas, über 100 °F, und es strömt an einem relativ kälteren Raum vorbei. Während es mit Hilfe eines Ventilators einen Teil dieser Wärme an den Raum abgibt, beginnt es sich wieder in eine Flüssigkeit zu verwandeln.

In der vierten Stufe schließlich strömt das flüssige Kältemittel durch ein Expansionsventil, wodurch der Druck abgebaut wird. Genauso wie das Zusammendrücken eines Materials es erhitzt, lässt es sich beim Ausdehnen wieder abkühlen, sodass die Flüssigkeit jetzt wieder eine niedrige Temperatur hat und bereit ist, mehr Wärme aufzunehmen, um sie ins Innere zu bringen.

Die Behauptung, dass Wärmepumpen bei sehr kaltem Wetter nicht gut funktionieren, wird oft von Unternehmen wiederholt, die fossile Brennstoffe herstellen und ein Konkurrenzprodukt verkaufen.

Hierin steckt ein Körnchen Wahrheit: Wärmepumpen können bei extremer Kälte weniger effizient sein. Wenn der Temperaturunterschied zwischen innen und außen zunimmt, muss eine Wärmepumpe mehr arbeiten, um Wärme aus der Außenluft zu sammeln und an den Raum zu verteilen, sodass die Effizienz sinkt.

Hurrikan Ida ist die jüngste Erinnerung daran, dass wir unsere Systeme schnell wieder aufbauen müssen, um immer extremeren Ereignissen standzuhalten.

Aber selbst wenn Wärmepumpen in kälteren Klimazonen nicht mit maximaler Effizienz laufen, „funktionieren sie überall“, sagt Sam Calisch, Leiter für Sonderprojekte bei Rewiring America, einer gemeinnützigen Gruppe, die sich auf Elektrifizierung konzentriert.

Von Alaska bis Maine in den USA gibt es überall Wärmepumpen. Und etwa 60 % der Gebäude in Norwegen werden mit Wärmepumpen beheizt, in Schweden und Finnland sind es sogar 40 %.

Wärmepumpen können selbst an den kältesten Orten effizient arbeiten. Dennoch ist die Wahl der richtigen Wärmepumpe der Schlüssel, um sicherzustellen, dass sie auch bei sinkenden Temperaturen gut funktioniert, sagt Andy Meyer, Senior Program Manager bei Efficiency Maine, einer Agentur, die Energieeffizienzprogramme im Bundesstaat durchführt.

Einige Wärmepumpen sind nicht dafür geeignet, einen Raum zu erwärmen, wenn die Temperaturen unter Null sind, aber es gibt Modelle, die bei kälteren Temperaturen effizient arbeiten, sagt Meyer. Kleine Raumheizgeräte können bei Kälteeinbrüchen Abhilfe schaffen, aber wenn Sie sich für ein ausreichend dimensioniertes System entscheiden, sollten Sie sie nicht benötigen, fügt er hinzu.

Verbesserungen an mehreren ihrer Hauptkomponenten haben dazu beigetragen, die Effizienz und Leistung von Wärmepumpen zu steigern, insbesondere bei Kälte, sagt Meyer.

Eine wesentliche Verbesserung betrifft die Kältemittel. Freon, auch R-22 genannt, dominierte früher den Markt, wurde jedoch aufgrund seiner ozonschädigenden Wirkung in den USA und anderen wichtigen Märkten aus dem Verkehr gezogen.

Heutzutage ist ein als R-410A bezeichnetes Chemikaliengemisch eines der am häufigsten verwendeten Kältemittel in Wärmepumpen. R-410A ist nicht nur etwas weniger schädlich für die Ozonschicht, sondern hat auch einen niedrigeren Siedepunkt als R-22, was bedeutet, dass es bei niedrigeren Temperaturen mehr Wärme absorbieren kann, was die Effizienz bei Kälte steigert.

Auch andere Komponenten wurden verbessert. Neue Kompressoren, die heute in Wärmepumpen eingesetzt werden, können Kältemittel bei geringerem Stromverbrauch auf höhere Drücke bringen. Es gibt auch neue sogenannte Kompressoren mit variabler Drehzahl, die es Wärmepumpen ermöglichen, ihre Leistung hoch- und runterzufahren. Schließlich werden die Wärmetauscher, die die Wärme zwischen Luft und Kältemittel übertragen, immer größer und besser, sodass sie die Wärme effektiver transportieren können.

Es gibt bereits heute eine große Auswahl an Wärmepumpen. Etwa 85 % der installierten Anlagen sind Luftwärmepumpen wie die von mir beschriebene. Diese gibt es in den unterschiedlichsten Formen und Größen. Aber andere Modelle – sogenannte Erdwärmepumpen oder Erdwärmepumpen – gewinnen Wärme aus dem Untergrund statt aus der Luft.

Die Beheizung von Gebäuden erfolgt häufig über Erdgas oder Heizöl, weshalb dieser Sektor heute für etwa 10 % der weltweiten Emissionen verantwortlich ist. Wärmepumpen werden die zentrale Technologie sein, um die Klimaauswirkungen von Heizungen zu verringern, prognostiziert Yannick Monschauer, Energieanalyst bei der Internationalen Energieagentur.

Wärmepumpen werden mit Strom aus dem Netz betrieben. Während Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen immer noch die Stromnetze auf der ganzen Welt unterstützen, tragen auch erneuerbare Energien und kohlenstoffarme Energiequellen dazu bei. Beim aktuellen Energiemix in allen wichtigen Märkten seien Wärmepumpen also besser für das Klima als direkt mit fossilen Brennstoffen betriebene Heizungen, sagt Monschauer.

Die wahre Klima-Superkraft von Wärmepumpen ist ihre Effizienz. Heutzutage können Wärmepumpen einen Wirkungsgrad von 300 bis 400 % oder sogar mehr erreichen, was bedeutet, dass sie drei- bis viermal so viel Energie in Form von Wärme abgeben, wie sie in Form von Strom verbrauchen. Bei einer Raumheizung wäre das theoretische Maximum ein Wirkungsgrad von 100 %, und die besten Modelle erreichen heute einen Wirkungsgrad von etwa 95 %.

Der Effizienzunterschied zwischen Wärmepumpen und Heizgeräten hängt von ihrer Funktionsweise ab. Raumheizgeräte funktionieren, indem sie Energie von der Form von Elektrizität in eine andere Form, nämlich Wärme, umwandeln.

Wärmepumpen hingegen wandeln Strom nicht in Wärme um – sie nutzen Elektrizität, um Wärme zu sammeln und zu transportieren. Das ist zwar ein kleiner Unterschied, bedeutet aber im Grunde, dass eine Wärmepumpe bei gleicher Strommenge deutlich mehr Wärme zurückgeben kann.

Die maximale Effizienz einer Wärmepumpe hängt vom Kältemittel und dem installierten System sowie vom Temperaturunterschied zwischen dem Raum, den sie heizt, und der Außentemperatur ab.

Die Vorabkosten für Wärmepumpen stellen ein großes Hindernis für die Einführung dar: Der Kauf und die Installation einer einzelnen Einheit können heute zwischen 3.000 und 6.000 US-Dollar kosten, und größere Häuser erfordern oft mehrere Einheiten.

Aber über ihre Lebensdauer von etwa 15 Jahren hinweg sind Wärmepumpen für einige Verbraucher bereits günstiger in der Anschaffung und im Betrieb als andere Systeme, insbesondere wenn sie zu verschiedenen Jahreszeiten sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen eines Hauses genutzt werden, sagt Monschauer.

Und in über 30 Ländern auf der ganzen Welt gibt es Anreizprogramme für Wärmepumpen, oft mit Prämien für Haushalte mit niedrigem Einkommen oder für diejenigen, die hocheffiziente Geräte kaufen. In Italien gibt es besonders großzügige Zuschüsse für Wärmepumpen, die bei der energetischen Sanierung von Gebäuden installiert werden. Kunden erhalten bis zu 110 % des Kaufpreises als Steuergutschrift zurück.

In den USA bietet der Inflation Reduction Act eine Steuergutschrift von 30 % auf den Kaufpreis einer Wärmepumpe sowie zusätzliche Rabatte für Haushalte mit niedrigem und mittlerem Einkommen. Für einige Haushalte könnte die Förderung 100 % der Kosten decken. Rewiring America verfügt über einen Rechner, mit dem Menschen ermitteln können, für welche IRA-Subventionen sie sich qualifizieren.

Obwohl Wärmepumpen deutlich besser sind als noch vor einem Jahrzehnt, gibt es noch viel Wachstumspotenzial für die Technologie.

Neue Designs, wie eigenständige Fenstereinheiten des Startup-Unternehmens Gradient, könnten die Installationskosten senken. Andere Unternehmen wie Midea und LG haben ebenfalls begonnen, kleine, tragbare Geräte anzubieten. Diese neuen Optionen könnten es Wärmepumpen ermöglichen, in neue Räume vorzudringen, beispielsweise in ältere Wohngebäude, in denen die Installation sonst teuer oder unmöglich wäre.

Ein vielversprechender Bereich für weitere Fortschritte sind Kältemittel. Während die heutigen Kältemittel eine Verbesserung gegenüber älteren Optionen darstellen, sind selbst die neueren Kältemittel starke Treibhausgase. Um Leckagen zu vermeiden, sind eine sorgfältige Handhabung und eine präzise Fertigung erforderlich. Die Klimavorteile von Wärmepumpen überwiegen das Erwärmungspotenzial austretender Kältemittel, aber Alternativen könnten dazu beitragen, dieses Risiko weiter zu verringern.

Gradient verwendet beispielsweise ein Kältemittel namens R-32, das ein geringeres Treibhauspotenzial als R-410A hat. Andere Kältemittelklassen wie die Kohlenwasserstoffe Propan und Butan stellen ein noch geringeres Klimarisiko dar. Einige dieser klimafreundlicheren Kältemittel sind jedoch tendenziell extrem entflammbar, sodass Sicherheitssysteme erforderlich sind.

Neue technologische Fortschritte werden dazu beitragen, das bereits riesige Angebot an Wärmepumpen auf dem Markt zu erweitern. Und die Kosten sollten im Laufe der Zeit sinken, da die Technologie immer verbreiteter wird.

Der weltweite Umsatz mit Wärmepumpen stieg im Jahr 2021 um 15 %. Europa verzeichnete mit einem Umsatzwachstum von 35 % im Jahr 2021 das schnellste Wachstum, ein Trend, der sich aufgrund der Energiekrise wahrscheinlich fortsetzen wird. In Nordamerika gibt es auch heute noch die meisten Haushalte mit installierten Wärmepumpen, aber China holt sich den Preis für die meisten Neuverkäufe.

Wohin man auch blickt, die Ära der Wärmepumpe hat offiziell begonnen.

Update: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um zusätzliche Informationen zu den Kosten einer Wärmepumpeninstallation im ganzen Haus hinzuzufügen.

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