So funktioniert die elektrische Widerstandsheizung

Heizen mit Strom, das heißt, ein Gebäude mit Hilfe elektrischer Energie zu erwärmen. Die entsprechende Heizung nennt man Elektroheizung, Elektrogebäudeheizung, Stromheizung oder Widerstandsheizung. Wie aus elektrischer Energie Wärme zum Heizen wird, welche unterschiedlichen Heizungsmodelle es gibt und wie effizient das Heizen mit Strom ist, sind Fragen, die dieser Artikel beantwortet.

Wärme aus Strom erzeugt man, wenn man einen durch einen widerstandsbehafteten Leiter (das Bauteil der Widerstandheizung wird auch Heizleiter oder Heizwiderstand genannt) elektrischen Strom fließen lässt, so dass der Leiter sich erwärmt.

Berechnung des Widerstandes

Die Wärmeleistung der Widerstandsheizung hängt gemäß dem Ohmschen Gesetz zum einen vom Wert des elektrischen Widerstands ab. Der wiederum ergibt sich in Abhängigkeit vom materialeigenen Widerstand, dem Querschnitt und der Länge des Heizwiderstands. Zum anderen entscheidet die an den Heizwiderstand angelegte Spannung, sprich: der elektrische Stromdurchfluss, über die Wärmeleistung. Wichtig: Die Spannung muss so gewählt werden, das der Heizwiderstand beziehungsweise die zugehörige Isolierung nicht so heiß werden, dass sie schmelzen.

Berechnung der Temperatur

Um die Spannung (R) zu berechnen, die nötig ist, um eine bestimmte Umgebungstemperatur (T_U) zu erzeugen, kann man die Endtemperatur der Widerstandheizung (T_W) als Gleichgewicht zwischen zugeführter (elektrischer) Leistung (P) und der abgegebenen Wärmeleistung nach folgender Formel betrachten: \(T_{W} = {T_{U} + P\cdot R}\) Aus dieser Formel lassen sich dann die gewünschten Werte berechnen.

In seiner einfachsten Form ist ein Heizwiderstand in einer Widerstandsheizung ein hochohmiger Draht, also einer mit einem besonders hohen elektrischen Widerstand. Theoretisch könnte aber jeder metallene Draht diesem Zweck dienen. Je nachdem, in welcher Form beziehungsweise Ausführung der Heizwiderstand eingesetzt wird, unterscheidet man nach folgenden technischen Bezeichnungen: 

• Heizpatrone (eine Metallpatrone in Zylinderform, die als Gehäuse für eine darin steckende gewendelte Heizwicklung dient),
• Heizwendel,
• Heizleiter,
• Heizband,
• Heizmanschette (in der Regel eine flexible Manschette, die beispielsweise zum Erwärmen und Warmhalten von Maschinen und Geräten in kalten Arbeitsumgebungen dient),
• Heizmatte,
• Heizregister (hier überträgt erhitzte Draht seine Wärme direkt an einen vorbeiziehenden Luftstrom)
• oder elektrischer Heizkörper.

Großteils setzt man spezifische Metall-Legierungen als Heizwiderstand ein, zum Beispiel Chrom-Eisen-Nickel-Legierungen oder Chrom-Eisen-Aluminium-Legierungen. Ihr spezifischer, elektrischer Widerstand ist über einen großen Temperaturbereich hinweg nahezu konstant. Sie haben zudem einen sehr hohen Schmelzpunkt und sind oxidationsresistent.

Neben den metallischen Leitern werden auch keramische Materialien eingesetzt, zum Beispiel Siliziumkarbid. Beispielsweise in elektrischen Öfen für sehr hohe Temperaturen stecken Heizstäbe aus diesem Material.

Elektrische betriebene Widerstandsheizungen unterscheidet man in zwei unterschiedliche Typen: Elektro-Direktheizung und Elektrospeicherheizung.

Elektro-Direktheizung

Eine als Elektro-Direktheizung arbeitende Widerstandsheizung wird auch Stromdirektheizung genannt. Sie gibt die Heizwärme direkt an den beheizten Raum ab. Der Vorteil dieser Heizungen ist der, dass ihre Installation recht günstig ist. Zumindest im Vergleich mit dem Einbau einer Zentralheizung. Allerdings kostet ihr Betrieb vergleichsweise viel. Das liegt vor allem an der geringen Energieeffizienz, die ihnen eigen ist. Verbraucher sollten hier skeptisch gegenüber Werbeversprechen von Herstellern und Anbietern sein, die behaupten, dass die Betriebskosten ihrer Fabrikate und /oder neusten Gerätegenerationen nennenswert niedriger seien. Folgende Heizungssysteme zählen zu dieser Art von Widerstandsheizungen: 

• elektrisch beheizte Heizkörper: Dazu zählen sowohl sogenannte Radiatoren, als auch sogenannte Konvektoren sowie elektrisch beheizte Handtuchtrockner. Sie sind entweder ähnlich wie die einzelnen Heizkörper einer Zentralheizung fest montiert oder dank Rollen mobil, also frei im Raum beweglich.
• Elektro-Heizstrahler: Dazu zählt beispielsweise eine Infrarotheizung. Die E-Heizstrahler besitzen oft einen Stab-Einsatz, etwa ein Glühdraht in einem Rohr aus Quarz. Der Heizstab wird unter Strom sehr heiß und strahlt die Wärme Großteils ab. Man spürt sie unmittelbar nach dem Einschalten des Geräts, wobei die Wärme nur dort spürbar ist, wo der Strahler direkt hin strahlt. Ähnliches gilt für nach diesem Prinzip arbeitende Infrarot-Lampen.
• mobile Heizlüfter: Viele dieser recht kompakten Widerstandsheizungs-Geräte erwärmen die Raumluft und wälzen sie um. Der Nachteil: Heizlüfter wirbeln buchstäblich eine Menge Staub auf.
• Elektro-Fußbodenheizungen: Widerstandsheizungen für den Fußboden bestehen aus sogenannten Heizschlangen, die unter dem Fußbodenbelag verlegt wurden. 

Elektrospeicherheizung

Eine Widerstandsheizung ist dann eine Elektrospeicherheizung beziehungsweise Nachtspeicherheizung, wenn sie während sogenannter Schwachlast-Zeiten ihren integrierten Wärmespeicher aufheizt, die sich dann nach Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt abrufen lässt. Verglichen mit den zuvor beschriebenen Varianten der direkten Widerstandsheizung hat die Elektrospeicherheizung den Vorteil, dass der Speicher mit „Stromwärme“ gefüllt wurde, die wegen der niederen Preise von Strom in der Nacht (sogenannter Niedertarifstrom) günstiger ist. Das spart Energiekosten. Dafür ist die Installation der Nachtspeicherheizungsanlage, insbesondere in der Form einer Zentralheizung, aufwendiger und entsprechend teurer. Auch in Sachen Energie-Effizienz lässt eine solche Widerstandsheizung sehr zu wünschen übrig, da es hier hohe Verteilungs- und Bereitschaftsverluste gibt. Eine Elektrospeicherheizung kann man wie folgt umsetzen:

• zentral elektrisch beheizter Wärmespeicher: Ein zentral elektrisch beheizter Wärmespeicher, der beispielsweise ein Heizelement aus Keramik enthält, das sehr heiß werden kann, lässt sich wie ein herkömmlicher Heizkessel im Keller installieren. Er überträgt seine Wärme direkt an die angeschlossenen Komponenten der Zentralheizung, darunter handelsübliche Heizkörper.
• Mini-Elektrospeicheröfen: Die kleinen Elektrospeicheröfen stellt man dort auf, wo ihre Wärme direkt gebraucht wird. Da sie jedoch nur wenige Speicherplatz haben, kann es vorkommen, dass die Speicher auch tagsüber zu teureren Stromtarifen aufgefüllt werden müssen, weil der Wärmevorrat aus der Nacht nicht über den ganzen Tag hinweg langt. Eine unerwünschte Nebenwirkung dessen kann eine schwankende Raumtemperatur sein.

Elektro-Wärmepumpen

Abzugrenzen von einer solchen Widerstandsheizung sind Wärmepumpen, die mit Hilfe eines elektrisch betriebenen Kompressors arbeiten. Die Heizwärme entsteht dabei über die Kompression und Entspannung eines Kältemittels unter Zuführung von Umweltenergie. Die Elektrizität wird also nicht über einen Widerstand in Wärme umgewandelt, sondern gemäß der Thermodynamik über Druckausübung auf ein Gas.

Gleichwohl der Wirkungsgrad bei nahezu 100 Prozent liegt, wenn man elektrische Energie in Wärme umwandelt, weil dabei keine Energie verloren geht, ist der Betrieb einer elektrischen Widerstandheizung nicht effizient. Der Grund liegt in der Ineffizienz, die man dem Gesamtsystem anlasten muss: Die Produktion von elektrischem Strom beginnt ja nicht in der heimischen Steckdose, sondern beispielsweise in Wärmekraftwerken – und sie ist mit großen Energieverlusten verbunden, so dass der daraus resultierende Systemwirkungsgrad meist sehr niedrig ist.

Zum Beispiel schreibt man einem Gesamtsystem mit aus Braunkohle erzeugtem Strom lediglich einen Gesamtwirkungsgrad von 30 bis 40 Prozent zu. Nutzt man nun im heimischen Wohnzimmer eine der oben genannten Widerstandsheizungen mit einem Wirkungsgrad von 100% so reduziert sich die Effizienz unter Einbeziehung der Kraftwerks- und Zuleitungsverlust (Primärenergie) auf eben den Wirkungsgrad der Verstromung. Daher wäre es in diesem Beispiel sogar umweltfreundlicher, die Braunkohle als Brennstoff direkt einzusetzen als den Umweg der Verstromung in Kauf zu nehmen.