Jetzt ist es an der Zeit, voll auf Wärmepumpen zu setzen

Jun 15, 2023

Der Ersatz fossiler Brennstoffe verbrennender Geräte durch leistungsstarke elektrische Alternativen ist von entscheidender Bedeutung, um unsere Klima-, Gesundheits- und Wirtschaftsziele zu erreichen. Die neuesten Daten zeigen jedoch, dass die Vereinigten Staaten immer noch keine nennenswerten Fortschritte machen und die Emissionen von Gebäuden jahrzehntelang gleich bleiben. Insgesamt war im Jahr 2021 die Verwendung von Gas oder Heizöl zum Heizen, Warmwasser und Kochen für mehr als 10 Prozent der CO2-Emissionen in den USA verantwortlich.

Mit der Einführung der bundesstaatlichen Anreize aus dem Klimagesetz von 2022, dem Inflation Reduction Act, werden mehr Amerikaner als je zuvor in der Lage sein, verschiedene Bereiche ihres Lebens zu elektrifizieren, vom Transport bis zur Hausheizung. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf eines der effizienteren, sauberen Heiz- und Kühlgeräte – die Luftwärmepumpe, die zwei- bis viermal mehr Heizenergie liefert, als sie verbraucht.

Und Wärmepumpen stehen im Rampenlicht. Früher hauptsächlich in wärmeren Klimazonen eingesetzt, übertrafen Wärmepumpen im vergangenen Jahr erstmals Gasöfen, und kältere Bundesstaaten wie Maine sind führend bei der Hausinstallation.

Doch Skeptiker fragen sich: Kann eine Wärmepumpe die Emissionen eines Gebäudes über die gesamte Lebensdauer hinweg wirklich reduzieren, selbst in den kältesten Klimazonen? Und können sie diese im ersten Jahr reduzieren, selbst wenn ein Energieversorger immer noch hauptsächlich fossile Brennstoffe wie Kohle, Gas und Öl zur Stromerzeugung nutzt?

Um diese Fragen zu beantworten, veröffentlichte RMI eine aktualisierte Analyse, die die unteren 48 Bundesstaaten untersucht und sich dabei auf die beiden größten direkten Nutzungen fossiler Brennstoffe in Gebäuden konzentriert: Raumheizung und Warmwasserbereitung. Wir haben Gasöfen und Gaswarmwasserbereiter mit leicht verfügbaren elektrischen Alternativen verglichen: Luftwärmepumpen und Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe. Die Intensitäten der Netzemissionen wurden aus den Cambium-Datensätzen 2022 des NREL, dritte Jahresausgabe, ermittelt. Bei dieser Analyse wird das Mid-Case-Szenario verwendet, das die derzeit erlassenen staatlichen und bundesstaatlichen Richtlinien umfasst, einschließlich wichtiger Bestimmungen für den Elektrizitätssektor aus dem Inflation Reduction Act von 2022 und zentralen Schätzungen der Technologiekostensenkungen.

Die Ergebnisse deuten auf erhebliche Emissionsreduzierungen bei der Raumheizung hin. In allen 48 Kontinentalstaaten führt der Austausch eines Gasofens durch eine Wärmepumpe zu einer Reduzierung der Emissionen bereits im ersten Jahr nach der Installation und über die gesamte 15-jährige Lebensdauer des Produkts. In Bundesstaaten im ganzen Land, von Florida über Michigan bis Kalifornien, reduzieren Wärmepumpen die Emissionen im Laufe ihrer Lebensdauer im Vergleich zu Gasöfen um bis zu 93 Prozent. Die Emissionsvorteile von Luftwärmepumpen ergeben sich aus der hohen Effizienz der Ausrüstung und der Verringerung der CO2-Intensität des Stroms im Laufe der Zeit, wenn mehr erneuerbare Energien ins Netz gehen.

In allen 48 Kontinentalstaaten führt der Austausch eines Gasofens durch eine Wärmepumpe bereits im ersten Jahr nach der Installation zu einer Reduzierung der Emissionen.

Die Wärmepumpentechnologie hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Selbst unter Berücksichtigung der verringerten Effizienz bei extrem kaltem Wetter kommt unsere Analyse zu dem Ergebnis, dass moderne Luftwärmepumpen mehr als doppelt so effizient sind wie Gasöfen. Wir haben den ganzjährigen Betriebswirkungsgrad der Wärmepumpe für die bevölkerungsreichste Stadt in jedem Bundesstaat berechnet, indem wir historische stündliche Wetterbedingungen mit der Leistung moderner, leicht verfügbarer Wärmepumpen kombiniert haben. Unsere Analyse hat die Effizienz der Wärmepumpe angepasst, um die elektrische Widerstandswärme dann und dort bereitzustellen, wo sie benötigt wird – selten und an sehr kalten Tagen. In Fargo, North Dakota, beispielsweise, wo die Temperaturen im Winter gelegentlich unter -20 °F fallen, ist eine Ersatzheizung für etwa elf Prozent der jährlichen Heizlast erforderlich.

Das folgende Diagramm zeigt den erwarteten Leistungskoeffizienten (COP) der Wärmepumpe, der ein gewichteter Durchschnitt der täglichen Wärmepumpeneffizienz nach Heizgradtagen ist. Ein COP von 1 bedeutet, dass das System zu 100 Prozent effizient ist – Heizenergie entspricht dem Stromverbrauch. Ein COP von 2 bedeutet, dass eine Wärmepumpe für jede Kilowattstunde Strom, die sie verbraucht, 2 Kilowattstunden Wärmeäquivalent liefert.

Wärmepumpen waren auf Jahresbasis 2,2- bis 4,5-mal effizienter als ein EPA ENERGY STAR-Gasofen, und in keinem Klima war eine Wärmepumpe weniger als 200 Prozent effizient (COP von 2). Die Effizienz war an Orten mit milden Wintern wie Kalifornien, Tennessee und Arizona am höchsten. Allerdings waren Wärmepumpen in kalten Klimazonen wie Colorado, Minnesota und Wisconsin auch energieeffizienter als Gasöfen. Bei dieser Analyse wurden weder Erdwärmepumpen noch Erdwärmepumpen berücksichtigt. Eine separate RMI-Analyse zeigt, dass solche Systeme COPs von bis zu 5 bei höheren Emissionsreduzierungen als Luftwärmepumpen erreichen können.

Die Leistung der Wärmepumpe wird sich weiter verbessern. Erwägen Sie Inverter-betriebene Kompressoren mit variabler Drehzahl. Inverterbetriebene Wärmepumpen mit variabler Drehzahl erhöhen die Kompressorgeschwindigkeit, um die Heizleistung zu verbessern, wenn die Außentemperatur sinkt. Feldtests, die vom Electric Power Field Institute durchgeführt wurden, ergaben, dass Wärmepumpen mit variabler Drehzahl in der Lage waren, 100 Prozent des Heizbedarfs eines Hauses bei Temperaturen um 0 °F zu decken.

Das Energieministerium hat die erfolgreiche Cold Climate Heat Pump Challenge ins Leben gerufen. Die im Jahr 2021 ins Leben gerufene Challenge ist eine Initiative mehrerer Interessengruppen zur Entwicklung und Bereitstellung von Kaltklima-Wärmepumpen der nächsten Generation. Der Durchbruch gelang 2022 mit der Ankündigung einer Wärmepumpe der nächsten Generation des Herstellers Lennox. Der Prototyp liefert eine 100-prozentige Erwärmung bei 5 °F und eine 70–80-prozentige Erwärmung bei –10 °F. Der Prototyp wird validiert, die Bereitstellung und Kommerzialisierung ist für 2024 geplant. Weitere Prototypen anderer Hersteller zeigen ähnlich beeindruckende Ergebnisse, darunter die Hyper-Heat-Geräte von Mitsubishi, die für eine Erwärmung von 80 Prozent bei –13 °F ausgelegt sind.

Während sich die Leistung einer Wärmepumpe immer weiter verbessern wird, ist die Leistung eines Gasofens durch physikalische Gesetze begrenzt. Standard-Gasöfen werden typischerweise mit einem Wirkungsgrad von etwa 80–90 Prozent verkauft, während hocheffiziente Modelle einen Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent erreichen. Thermodynamisch gesehen kann kein Direktverbrennungsofen einen Wirkungsgrad von mehr als 100 Prozent bei der Umwandlung von Brennstoff (Erdgas) in Wärme erreichen. Wie in „Clean Energy 101: Heat Pumps“ erläutert, unterscheiden sich Wärmepumpen dadurch, dass sie Wärme lediglich transportieren, anstatt sie zu erzeugen, wodurch sie eine weitaus höhere Effizienz erreichen.

Die mit dem Betrieb einer Wärmepumpe verbundenen Emissionen werden durch die Emissionen bei der Stromerzeugung bestimmt. Unabhängig von der Effizienz der Wärmepumpe entstehen hohe Emissionen, wenn der Strom, der sie antreibt, aus emissionsintensiven Quellen wie Kohle stammt.

Glücklicherweise ist das Netz mit der Zeit sauberer geworden. Die folgenden Diagramme stellen die Emissionsintensität des Stromnetzes im Jahr 2016 und im Jahr 2021 dar.

Die Staaten, in denen sich die Netzemissionen nicht wesentlich verbessert haben, liegen im pazifischen Nordwesten (Staaten, die bereits die niedrigste Emissionsintensität im Land aufweisen). Dort wird eine erhebliche Stromkapazität aus der Stromerzeugung aus Wasserkraft gewonnen, einer kohlenstofffreien Stromquelle. Zwei Bundesstaaten mit den größten Verbesserungen bei der Emissionsintensität sind Utah und Wyoming. Bemerkenswert ist, dass diese Staaten in der vorherigen Analyse die einzigen beiden waren, in denen eine Wärmepumpe zur Raumheizung die Emissionen im Vergleich zu einem Gasofen nicht reduziert hätte. Bundesweite und bundesstaatliche Richtlinien wie HB 411 in Utah treiben die Emissionsreduzierung in unserem Stromnetz voran und verbessern die Aussichten von Wärmepumpen zur Raumheizung.

Bei Gasöfen ist das Ergebnis anders. Bei einem Gasofen betragen die Emissionen immer ungefähr ein Pfund Kohlendioxidgas pro 10 Kubikfuß verbranntem Gas, und zwar jedes Jahr, solange Sie den Ofen nutzen. Infolgedessen haben sich die Emissionen der Wärmepumpe seit der letzten Durchführung dieser Analyse verbessert, während die Gasemissionen stagnieren.

Die Warmwasserbereitung ist eine häufige Anwendung der Erdgasverbrennung in Privathaushalten. Glücklicherweise erstrecken sich Wärmepumpen und ihre Effizienz- und Emissionsvorteile auch auf die Fähigkeit, Wasser zu erhitzen. Unsere Analyse zeigt, dass der Austausch von Gas-Warmwasserbereitern durch Wärmepumpen-Warmwasserbereiter die Emissionen in jedem Bundesstaat über die gesamte Lebensdauer der Geräte reduzieren wird.

Diese Ergebnisse senden eine starke Botschaft: Die Installation einer Luftwärmepumpe oder eines Wärmepumpen-Warmwasserbereiters HEUTE anstelle einer Alternative zu fossilen Brennstoffen senkt die CO2-Emissionen in ALLEN Staaten – vom ersten Tag an – und über die gesamte Lebensdauer der Geräte.

Da Wärmepumpen als System der Wahl für nachhaltigen Wohnkomfort eingesetzt werden, müssen Entscheidungsträger sicherstellen, dass einkommensschwache Bevölkerungsgruppen nicht auf der Strecke bleiben. Derzeit heizen einkommensschwache Haushalte zu einem höheren Anteil als im Landesdurchschnitt mit fossilen Brennstoffen.

Zusätzlich zu den Emissionsvorteilen, die mit Wärmepumpen einhergehen, hat die Abkehr von der Heizung mit fossilen Brennstoffen positive Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt, die besonders wichtig sind, um gesundheitliche Ungleichheiten in überlasteten und unterversorgten Gemeinschaften und farbigen Gemeinschaften zu verbessern. Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel „In gesünderen Wohnraum für einkommensschwache Menschen investieren“.

Wärmepumpen können auch die Energiebelastung eines Haushalts verringern – den Prozentsatz des Einkommens, der für Energiekosten aufgewendet wird. Die meisten Bevölkerungsgruppen mit niedrigem Einkommen geben einen höheren Anteil ihres Einkommens für Energierechnungen aus als Bevölkerungsgruppen mit höherem Einkommen.

Für Häuser, die auf Heizöl, Propan oder Kerosin angewiesen sind, kann die Raumheizung mit Wärmepumpen dank der oben diskutierten Effizienzvorteile zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Daher können Wärmepumpen ein wirkungsvoller Mechanismus zur Senkung der Heizkosten für belastete Bevölkerungsgruppen sein. Eine vorteilhafte Elektrifizierung – die leistungsstarke vollelektrische Geräte und Anlagen, eine leistungsstarke Gebäudehülle, verbesserte Belüftung und ein besseres Gebäudeenergiemanagement kombiniert – kann den größten Nutzen für die Gesundheit unserer unterversorgten und überlasteten Gemeinden bringen.

Dank der Verabschiedung neuer Gesetze, darunter des überparteilichen Infrastrukturgesetzes und des Inflation Reduction Act, werden mehrere Programme zur Bekämpfung der Energiearmut mit Mitteln ausgestattet. Entscheidungsträger müssen der schnellen Einführung von Wärmepumpen mit gezielten, umfassenden Lösungen Priorität einräumen, die von unterversorgten und überlasteten Gemeinden vorangetrieben werden. Politische Entscheidungsträger auf Landes-, Kommunal- und Bundesebene können jetzt mutige Maßnahmen ergreifen, um einen gerechteren Wohnungssektor aufzubauen und gleichzeitig auf eine kohlenstofffreie, gesunde Zukunft hinzuarbeiten, die allen zugute kommt.

Für Städte und Bundesstaaten, die Klimaschutzmaßnahmen ergreifen, Ungleichheiten abbauen und die Wirtschaftstätigkeit ankurbeln möchten, ist die Suche nach skalierbaren, kostengünstigen und wirkungsvollen Lösungen im Gange. Die Gebäudeelektrifizierung bietet eine solche Chance. Mehr als 100 Städte haben seit Juli 2019 Gesetze verabschiedet, die vollelektrische Neubauten vorschreiben oder fördern. Zahlreiche Städte und Bundesstaaten prüfen einen Übergang für bestehende Gebäude und führen häufig schrittweise vollelektrische Geräte ein, wenn Gasgeräte das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.

RMI arbeitet mit Stadt- und Landesbeamten im ganzen Land zusammen, um einen Weg zu finden, der unsere Klimaziele erreicht, wirtschaftlich attraktiv und erreichbar ist und für Gemeinden und Arbeitnehmer an vorderster Front von Vorteil ist. Und während der vorherrschende Wind der Dekarbonisierung des Energiesektors anhalten und beschleunigt werden sollte, besteht für 100 Prozent der US-Haushalte keine Notwendigkeit, auf ein saubereres Netz zu warten, um eine Wärmepumpe zu installieren.

Staatliche politische Entscheidungsträger und Versorgungsunternehmen sollten Anreize priorisieren, die es Hausbesitzern und Vermietern ermöglichen, Wohnraum und Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen zu elektrifizieren, die mit IRA-Anreizen kombiniert werden können. Während einige Staaten wie Maine und Vermont bereits die Einführung von Wärmepumpen beschleunigen, macht der fortgeschrittene Stand der Wärmepumpentechnologie in Verbindung mit der Dekarbonisierung des Stromnetzes das Heizen mit Wohnwärmepumpen heute für fast jeden Staat zu einem wertvollen Instrument für den Klimaschutz.

Um die für die Analyse verwendeten Daten anzuzeigen, klicken Sie hier.