Letzte Aktualisierung: 22.02.2022

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Wärmepumpe oder Wasserstoff? Wissenschaft ist sich einig!

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Auf unserem Weg zur Klimaneutralität 2045 wird auch aus Ökostrom hergestellter Wasserstoff eine bedeutende Rolle spielen. Ob es eine Haupt- oder Nebenrolle ist, wird leidenschaftlich diskutiert. Die Wissenschaft ist sich jedoch einig. Nicht nur angesichts der Umwandlungsverluste zieht Wasserstoff im Vergleich mit der Wärmepumpe den Kürzeren.

Diese Grafik zeigt die Kosten beim Heizen mit Wärmepumpen und mit Wasserstoff.

Differenzkosten der Szenarien gegenüber dem Szenario Effizienz² im Zeitverlauf (Grafik: ifeu, Fraunhofer IEE und Consentec (2018): „Wert der Effizienz im Gebäudesektor in Zeiten der Sektorenkopplung“. Studie im Auftrag von Agora Energiewende)

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Für den langfristigen Erfolg der Energiewende und für den Klimaschutz sind Alternativen zu fossilen Energieträgern und die CO2-freie Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr unerlässlich. Der Energieträger Wasserstoff wird dabei mit seiner vielfältigen Einsetzbarkeit eine Schlüsselrolle einnehmen.

In der Diskussion über die Erreichung der Klimaziele für den Gebäudesektor wird daher kontrovers diskutiert, ob in Gebäuden, die nicht an Wärmenetze angeschlossen werden, bestehende fossile Heizungssysteme vorrangig durch Wärmepumpen oder auch durch Wasserstoffheizungen ersetzt werden sollen. Denn Grüner Wasserstoff, mittels Öko-Strom aus erneuerbaren Quellen durch Elektrolyse hergestellt, verbrennt CO2-frei und ist somit auch hilfreich, Deutschland klimaneutral zu machen.

Im direkten Effizienzvergleich scheint die Faktenlage jedoch eindeutig: Da beim Umwandlungsprozess viel Energie ungenutzt verloren geht, ist der direkte Einsatz von Strom in einer elektrischen Wärmepumpe deutlich effizienter!

Aber der reine Effizienzvergleich von Wärmepumpe und Wasserstoff greift zu kurz, um beide Optionen zu bewerten. Hier spielen natürlich weitere Faktoren eine Rolle. Hier wird häufig angeführt, dass

  • das Heizen im Altbau zu hohe Vorlauftemperaturen erfordert, die eine Wärmepumpe nicht effizient bedienen kann, dass
  • das deutsche Stromnetz nicht ausreicht, mehrere Millionen Wärmepumpen zu Spitzenzeiten zu versorgen und, dass
  • es zu wenig Ökostrom gibt, um alle Wärmepumpe klimafreundlich zu betreiben. Es drohe eine Dunkelflaute, so die Kritiker.
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Wärmepumpen sind Wasserstoff auch im Altbau überlegen

Dass Wärmepumpen auch im Altbau effizient heizen können, haben zuletzt die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE eindrücklich belegt. Aber wie stehts um den direkten Vergleich von Wasserstoff und Wärmepumpe?

In der Studie „Wert der Effizienz im Gebäudesektor in Zeiten der Sektorenkopplung“ vom November 2018 hat das Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg (ifeu), das Fraunhofer IEE und Consentec im Auftrag von Agora Energiewende untersucht, wie die Klimaschutzziele mit möglichst geringen Kosten zu erreichen sind und welche Rolle die Gebäudeeffizienz dabei für das gesamte Energiesystem spielt. Die Studienautoren gehen dabei auch auf einen Kostenvergleich von Wärmepumpe und Wasserstoff ein:

Während die „günstigsten“ volkswirtschaftlichen Gesamtkosten der Wärmeversorgung immer eine massive Steigerung der Gebäudeeffizienz voraussetzen, stellen die Autoren heraus, dass eine Bereitstellung von synthetischem Gas (PtG) je nach Szenario Mehrkosten in Höhe von 3,7 (Szenario Effizienz+PtG) bis 8,2 Milliarden Euro pro Jahr (Szenario BAU+PtG) bedingt. Nur wenn es gelinge, einen sehr hohen Anteil der Wärme mit Wärmepumpen zu decken, sinken die Kosten um weitere 2,9 Milliarden Euro pro Jahr (Szenario Effizienz+WP).

Dass die Wärmepumpe auch im Altbaufall dem Einsatz von Wasserstoff vorzuziehen ist, bestätigt auch die Studie „Die Wasserstoffstrategie 2.0 für Deutschland“ vom Öko-Institut e.V. vom Mai 2021, in der der dezentrale Einsatz von Wasserstoffheizungen und Wärmepumpen für Gebäude mit unterschiedlichen Sanierungsständen verglichen wird.

Aus ihren Berechnungen und Sensitivitätsanalysen leiten die Forscher ab, dass Wärmepumpen selbst bei verhältnismäßig ineffizientem Betrieb (also bei Einsatz in unsanierten Gebäuden) Kostenvorteile gegenüber der Wärmeerzeugung unter Einsatz von Wasserstoff aufweisen, solange der Grenzübergangs- bzw. Großhandelspreis von Wasserstoff über 2,2 €/kg H2 liegt. Der gleiche Schwellenwert gilt auch für teil- oder vollsanierte Gebäude unter Einbezug der Zusatzkosten der energetischen Sanierung.

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Wärmepumpen sind keine Herausforderung für den Netzausbau

Da wichtige Studien zur deutschen Klimaneutralität ein Elektrifizierungs-Szenario mit einem hohen Anteil an Wärmepumpen für sehr realistisch halten, haben sich Norman Gerhardt, Jochen Bard, Richard Schmitz, Michael Beil, Maximilian Pfennig und Dr. Tanja Kneiske vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE in der Studie "Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem: Fokus Gebäudewärme" im Auftrag des IZW e.V. – veröffentlicht im Mai 2020 – u.a. die Frage gestellt, ob wir überhaupt genügend Strom für all die Wärmepumpen haben.

Die Wissenschaftler kommen dabei zu dem Schluss, dass für eine Versorgung der dezentralen Gebäudewärme der Einsatz von Wasserstoff nicht notwendig ist. Selbst in einem dicht besiedelten Land wie Deutschland besteht ein ausreichendes Potenzial von Windkraft und Photovoltaik, um die hohen Nachfragepotenziale einer direkten Stromnutzung in den Bereichen Elektromobilität, Industrieprozesswärme und Gebäudewärme zu versorgen.

Dabei kann die Versorgungssicherheit in einem wetterabhängigen Energiesystem in der kalten Dunkelflaute trotz sehr hoher Anteile direktelektrischer Nachfrage mit moderaten zusätzlichen Leistungen von Gasturbinen zu geringen Mehrkosten gewährleistet werden. Auch wenn in einem zukünftigen Energiesystem mit hohen absoluten Kostensteigerungen beim Netzausbau insbesondere für Verteilnetze zu rechnen ist, zeigt sich, dass Wärmepumpen keine Herausforderung für den Netzausbau sind und in Zukunft auch nicht werden.

Ähnlichen Fragestellungen ging die Prognos AG in der im Februar 2022 veröffentlichten Kurzstudie "Wärmepumpen vs. Wasserstoffheizungen: Auswirkungen auf ein 100% erneuerbares Stromsystem" nach:

  • Führt ein deutlich höherer Strombedarf in einem klimaneutralen Stromsystem – u.a. bedingt durch eine hohe Anzahl an Wärmepumpen – auch zu einem höheren Bedarf an regelbarer Kraftwerksleistung als Backup-Kapazität?
  • Da in beiden Fällen Wasserstoff eingesetzt würde, entweder zur Stromerzeugung in Backup-Kraftwerken oder in Gebäudeheizungen, wie groß wäre der jeweilige Bedarf?

Die Analyse der Prognos AG zeigt, dass ein steigender Anteil von Wärmepumpen zwar zu einer deutlichen Steigerung des Stromverbrauchs führt, diese Nachfrage jedoch flexibel reagieren kann. Wärmepumpen können in einem Stromsystem, das insbesondere auf fluktuierend einspeisender Photovoltaik und Windenergie beruht, künftige Erzeugungsschwankungen ausgleichen. Mit ihrer Speicherkapazität können sie das erneuerbare Energien-Angebot integrieren und die Stromnachfrage zeitlich verschieben.

Dies hat zur Folge, dass in einem klimaneutralen Stromsystem 2045 ein deutlich höherer Stromverbrauch (+70% ggü. 2022) und eine deutlich höhere Erzeugungsspitze (+ 300%) mit einem viel geringeren Anstieg der maximalen Residuallast einhergeht (+ 20%). Das heißt, dass in einem Stromsystem mit flexiblen Verbrauchern ein zusätzlicher Strombedarf von 70% nur einen zusätzlichen Bedarf von 20% regelbarer Kraftwerksleistung erfordert. Gegenüber heutiger Überkapazität bedeutet das netto einen Rückgang der nötigen regelbaren Leistung.

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Wärmepumpen benötigen weniger Ökostrom als Wasserstoff-Heizungen

Die Prognos-Analysen zeigen überdies, dass der Strombedarf der Wärmepumpen um ca. 9% sinkt, dies aber geringe Auswirkungen auf die maximal benötigte Residuallast hat. Im Vergleich zum Basisszenario sinkt die nötige gesicherte Leistung kaum (-0,2 GW).

Im Gegenzug steigt der zusätzliche Bedarf an Wasserstoff jedoch stark an: Der Wasserstoffbedarf von 1 Million Wasserstoffheizungen ist ungleich höher als der der Kraftwerke, die für 1 Million Wärmepumpen als Backup-Kapazität bei der Stromerzeugung benötigt werden.

Der Einsatz von 1 Million Wasserstoffheizungen führt zu einer Verdopplung des Wasserstoffbedarfs in der Wärmeversorgung gegenüber dem Basisszenario (+ 7,7 TWh). Bei der Verwendung von Wasserstoffheizungen müssten deutlich mehr zusätzliche erneuerbare Energien ausgebaut werden, um den benötigten zusätzlichen grünen Wasserstoff zu erzeugen.

Der Einsatz von Wasserstoffheizungen statt Wärmepumpen in der dezentralen Wärmeversorgung wäre daher für das Gesamtsystem ineffizienter. Der Bedarf an zusätzlicher gesicherter Leistung würde kaum gemindert. Jedoch stiege der Bedarf an Wasserstoff und damit auch der notwendige Ausbau von erneuerbaren Energien stark an.

Zu dem Schluss, dass der Einsatz von Wasserstoffheizungen in der dezentralen Wärmeversorgung insbesondere wegen des deutlich höheren Bedarfs an Wasserstoff ineffizient ist, kommt auch die oben bereits zitierte Studie des Öko-Institut e.V.: „Bei einem unsanierten Gebäude mit Wasserstoff-Kessel wird für die Wasserstofferzeugung eine Strommenge benötigt, die fast das Vierfache des Strombedarfs einer Luft-Wärmepumpe ausmacht. Bei einem sanierten Gebäude unterscheidet sich der Strombedarf um mehr als das Fünffache.“

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