CO₂-Emissionen im Umfeld von Wärmepumpen

Was sind CO₂-Emissionen im Umfeld von Wärmepumpen?

CO₂-Emissionen im Umfeld von Wärmepumpen beschreiben die Gesamtmenge an Kohlendioxid, ausgedrückt als CO₂ oder CO₂-Äquivalent (CO₂e), die während des gesamten Lebenszyklus eines Wärmepumpensystems freigesetzt wird. Dazu gehören Emissionen aus dem Stromverbrauch, dem Einsatz und einer möglichen Freisetzung des Kältemittels sowie aus der Herstellung.

Eine Wärmepumpe verbrennt vor Ort keinen Brennstoff. Sie erzeugt daher keine direkten Verbrennungsemissionen wie ein Gas- oder Ölkessel. Ihr CO₂-Fußabdruck entsteht stattdessen hauptsächlich aus zwei unterschiedlichen Quellen: der CO₂-Intensität des von ihr verbrauchten Stroms und dem Treibhauspotenzial beziehungsweise Global Warming Potential (GWP) des verwendeten Kältemittels.

Welchen Zweck hat die Erfassung von CO₂-Emissionen bei Wärmepumpen?

Die Erfassung von CO₂-Emissionen bei Wärmepumpensystemen dient dazu, die tatsächliche Klimawirkung einer Heiztechnologie über ihre reine Effizienzkennzahl hinaus zu quantifizieren. Die Effizienz, ausgedrückt beispielsweise durch COP oder SCOP, beschreibt die energetische Leistung. Die CO₂-Emissionen zeigen dagegen die tatsächliche Umweltwirkung.

Diese Unterscheidung ist für Fachplaner, Gebäudezertifizierer und Hersteller von Bedeutung. Zwei Wärmepumpen mit identischen SCOP-Werten können zu unterschiedlichen CO₂-Ergebnissen führen, wenn sie in Regionen mit unterschiedlichen Strommixen installiert oder mit Kältemitteln unterschiedlicher GWP-Werte befüllt werden.

CO₂-Emissionsdaten erfüllen drei wesentliche Funktionen:

• Vergleich: Vergleich von Wärmepumpen mit fossilen Heizsystemen sowie mit anderen Wärmepumpen.
• Einhaltung gesetzlicher Vorgaben: Erfüllung europäischer und nationaler Berichtsanforderungen, beispielsweise aus der EPBD, dem ETS 2 und nationalen Bauvorschriften.
• Produktpositionierung: Nachweis eines messbaren Beitrags zur Dekarbonisierung gegenüber Fachplanern, Architekten und Energieberatern.

Die Notwendigkeit einer CO₂-Emissionsbewertung

Raumwärme und Warmwasserbereitung verursachen einen erheblichen Anteil der gebäudebezogenen CO₂-Emissionen in der Europäischen Union. Besonders im älteren Gebäudebestand in Österreich, Deutschland, der Schweiz und Norditalien dominieren weiterhin Heizsysteme auf Basis fossiler Brennstoffe. Dadurch bleiben die direkten Emissionen des Gebäudesektors strukturell hoch.

Drei regulatorische und marktbezogene Entwicklungen machen die Bewertung von CO₂-Emissionen zunehmend zu einer Anforderung und nicht mehr zu einer freiwilligen Option:

1. EU-ETS 2 – Emissionshandelssystem 2:
   Das EU-ETS 2 erweitert die CO₂-Bepreisung auf die Verbrennung von Brennstoffen in Gebäuden. Dabei wird zwischen direkten Emissionen aus fossilen Brennstoffen und indirekten Emissionen aus Strom oder Fernwärme unterschieden. Sobald das ETS 2 in Betrieb ist, müssen Brennstofflieferanten entsprechende Zertifikatspflichten erfüllen. Dadurch steigen die relativen Kosten von Gas- und Ölheizungen, während sich die wirtschaftliche Attraktivität von Wärmepumpen erhöht.
2. EPBD – Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden:
   Die EPBD verlangt für Neubauten einen Niedrigstenergiestandard und fördert Sanierungsstrategien, die die betriebsbedingten CO₂-Emissionen reduzieren.
3. Nationale Förderprogramme:
   Programme wie die deutsche Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) sowie vergleichbare österreichische und schweizerische Regelungen verknüpfen die Förderfähigkeit zunehmend mit nachgewiesenen CO₂-Einsparungen und nicht mehr ausschließlich mit der Effizienz eines Systems.

Ohne einen klaren Rahmen zur Erfassung von CO₂-Emissionen können Gebäudeeigentümer, Planer und Hersteller Klimaschutzversprechen nicht fundiert belegen, Heiztechnologien nicht unter einheitlichen Bedingungen vergleichen und die wachsenden Dokumentationsanforderungen für öffentliche Förderungen nicht erfüllen.

Zentrale Merkmale

Die CO₂-Emissionen eines Wärmepumpensystems lassen sich in fünf zentrale Komponenten unterteilen. Jede Komponente bildet eine andere Emissionsquelle beziehungsweise Wirkung innerhalb des gesamten CO₂-Fußabdrucks ab:

• Direkte Emissionen: Kältemittelleckagen, ausgedrückt als CO₂e auf Grundlage des GWP-Werts.
• Indirekte Emissionen: Stromverbrauch, multipliziert mit der CO₂-Intensität des Strommixes.
• Graue beziehungsweise verkörperte Emissionen: Emissionen aus Herstellung, Transport und Installation.
• Vermiedene Emissionen beziehungsweise Verdrängungswirkung: CO₂-Einsparungen durch den Ersatz eines fossil betriebenen Heizsystems.
• Variabilität aufgrund der Netzabhängigkeit: Einfluss des nationalen oder regionalen Strommixes auf die Emissionsbilanz derselben Wärmepumpe.

Ausführliche Erläuterung der Merkmale

Direkte Emissionen – kältemittelbedingt

Definition:
Direkte Emissionen entstehen, wenn Kältemittel durch Leckagen, mangelhafte Wartung oder unsachgemäße Entsorgung am Ende der Lebensdauer aus dem geschlossenen Kältekreislauf austritt. Der GWP-Wert des Kältemittels bestimmt, welcher Menge an CO₂e diese Freisetzung entspricht.

Zweck:
Die Quantifizierung direkter Emissionen ermöglicht es Herstellern und Betreibern, verschiedene Kältemittel auf einer einheitlichen klimatischen Grundlage miteinander zu vergleichen – unabhängig von der Effizienz des Systems.

Nutzen:
Kältemittel mit niedrigem GWP sowie natürliche Kältemittel wie R290 beziehungsweise Propan reduzieren die Klimawirkung einer möglichen Leckage auf einen Bruchteil der Wirkung synthetischer Kältemittel mit hohem GWP.

Beispiel:
Ein Kilogramm freigesetztes R410A mit einem GWP von ungefähr 2.088 entspricht rund 2,1 Tonnen CO₂e. Ein Kilogramm freigesetztes R290 mit einem GWP von ungefähr 3 entspricht dagegen lediglich rund 3 Kilogramm CO₂e. Bei derselben Leckagemenge beträgt der Unterschied damit nahezu drei Größenordnungen.

Indirekte Emissionen – strombedingt

Definition:
Indirekte Emissionen entstehen aufgrund der CO₂-Intensität des Stroms, den eine Wärmepumpe für den Betrieb des Verdichters, der Ventilatoren und der Steuerung benötigt.

Zweck:
Diese Komponente stellt eine Verbindung zwischen dem Betrieb der Wärmepumpe und dem Dekarbonisierungsgrad des nationalen Stromnetzes her. Dieselbe Wärmepumpe verursacht daher in Österreich mit seinem stark von Wasserkraft geprägten Strommix andere Emissionen als in einem Land, dessen Stromerzeugung in hohem Maße von Kohle abhängt.

Nutzen:
Mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien im nationalen Strommix sinken die indirekten Emissionen einer bereits installierten Wärmepumpe automatisch – ohne dass Änderungen an der Anlage erforderlich sind. Fossile Heizkessel können von diesem Effekt nicht profitieren.

Beispiel:
Eine Wärmepumpe mit einem SCOP von 4,0 verursacht bei einem Strommix mit 200 Gramm CO₂ pro Kilowattstunde ungefähr 50 Gramm CO₂ je erzeugter Kilowattstunde Wärme. Dieselbe Anlage verursacht bei einem Strommix mit 400 Gramm CO₂ pro Kilowattstunde rund 100 Gramm CO₂ je Kilowattstunde Wärme. Dieser Wert liegt weiterhin deutlich unter dem direkten Emissionsfaktor eines Gas-Brennwertkessels von ungefähr 200 Gramm CO₂ je Kilowattstunde Wärme.

Graue Emissionen – lebenszyklusbasiert

Definition:
Graue beziehungsweise verkörperte Emissionen umfassen alle CO₂-Emissionen, die durch die Gewinnung von Rohstoffen, die Herstellung der Komponenten, den Transport und die Installation entstehen, bevor das System überhaupt in Betrieb genommen wird.

Zweck:
Diese Komponente ordnet die Emissionen einer Wärmepumpe in den Rahmen einer vollständigen Lebenszyklusanalyse beziehungsweise eines Life Cycle Assessment (LCA) ein. Damit wird nicht nur der Betrieb betrachtet. Eine solche Bewertung ist für Umweltproduktdeklarationen beziehungsweise Environmental Product Declarations (EPDs) erforderlich und gewinnt auch bei der öffentlichen Beschaffung zunehmend an Bedeutung.

Nutzen:
Hersteller, die ihre grauen Emissionen dokumentieren, können Transparenz nachweisen und Architekten bei der Einhaltung gebäudeweiter CO₂-Budgets unterstützen. Dazu gehören auch Grenzwerte für graue Emissionen im Rahmen von Zertifizierungen für nachhaltige Gebäude.

Beispiel:
Die grauen Emissionen einer typischen Luftwärmepumpe werden in den meisten Klimaregionen des DACH-Raums innerhalb von einer bis drei Heizperioden klimatisch amortisiert. Das bedeutet, dass die im Vergleich zu einem fossilen Heizsystem vermiedenen Betriebsemissionen die bei der Herstellung und Installation entstandenen Emissionen ausgleichen.

Vermiedene Emissionen – Verdrängungswirkung

Definition:
Vermiedene Emissionen bezeichnen die CO₂-Menge, die das von der Wärmepumpe ersetzte fossile Heizsystem andernfalls freigesetzt hätte.

Zweck:
Diese Komponente überführt das Betriebsprofil einer Wärmepumpe in einen vergleichbaren Klimanutzen. Dieser Wert ist insbesondere für Förderanträge und Gebäudezertifizierungen relevant.

Nutzen:
Berechnungen der Verdrängungswirkung liefern Gebäudeeigentümern einen konkreten und überprüfbaren Wert für geltend gemachte CO₂-Einsparungen. Dadurch können Anträge im Rahmen der BEG, KfW-naher Programme sowie österreichischer Bundes- und Landesförderungen gestärkt werden.

Beispiel:
Wird ein Ölkessel mit Emissionen von ungefähr 266 Gramm CO₂ je Kilowattstunde Wärme durch eine Wärmepumpe mit einem SCOP von 4,0 ersetzt, die mit dem österreichischen Strommix betrieben wird, sinken die vergleichbaren CO₂-Emissionen bei derselben Wärmeleistung um mehr als 80 Prozent.

Variabilität aufgrund der Netzabhängigkeit

Definition:
Die Variabilität aufgrund der Netzabhängigkeit beschreibt, wie dasselbe Wärmepumpenmodell abhängig von der CO₂-Intensität der lokalen Stromversorgung zu unterschiedlichen CO₂-Gesamtergebnissen führt.

Zweck:
Dieses Merkmal erklärt, weshalb nationale CO₂-Emissionswerte für Wärmepumpen nicht pauschal auf die gesamte DACH+-Region übertragen werden können und weshalb für eine korrekte Berichterstattung länderspezifische Werte erforderlich sind.

Nutzen:
Die Kenntnis dieser Unterschiede ermöglicht es Fachplanern, Wärmepumpen mit einer lokalen Photovoltaikanlage oder mit intelligenten, auf das Stromnetz reagierenden Regelungssystemen zu kombinieren. Dadurch können die indirekten Emissionen weiter gesenkt werden.

Beispiel:
Die Kombination einer Wärmepumpe mit PV-Eigenverbrauch und einem intelligenten Steuerungssystem wie iDM Navigator 2.0 verlagert einen Teil des Strombezugs auf die lokal erzeugte erneuerbare Energie. Dadurch sinkt der effektive, netzbezogene CO₂-Faktor des Haushalts.

Arten und Klassifikationsmodelle

CO₂-Emissionen von Wärmepumpensystemen können mithilfe von drei sich ergänzenden Modellen klassifiziert werden. Jedes Modell eignet sich für einen anderen Berichts- oder Anwendungsbereich.

Klassifizierung nach Emissionsquelle

• Direkte Emissionen aus dem GWP des Kältemittels
• Indirekte Emissionen aus der CO₂-Intensität des Stroms
• Graue Emissionen aus Herstellung und Transport

Klassifizierung nach Bilanzierungsrahmen

• Scope-1-äquivalent: Kältemittelleckagen am Standort
• Scope-2-äquivalent: eingekaufter Strom
• Scope-3-äquivalent: vorgelagerte Herstellung und nachgelagerte Entsorgung

Klassifizierung nach Kältemittelkategorie

• Natürliche Kältemittel: R290 beziehungsweise Propan mit einem GWP von ungefähr 3 sowie R744 beziehungsweise CO₂ mit einem GWP von 1
• Synthetische Kältemittel mit niedrigem oder mittlerem GWP: R32 mit einem GWP von ungefähr 675
• Ältere synthetische Kältemittel mit hohem GWP: R410A mit einem GWP von ungefähr 2.088, dessen Verwendung im Rahmen der F-Gas-Verordnung schrittweise reduziert wird

Die einzelnen Klassifikationsmodelle richten sich an unterschiedliche Zielgruppen. Technische Teams verwenden in erster Linie das quellenbezogene Modell. Nachhaltigkeits- und Compliance-Teams orientieren sich am Scope-Modell, während die Produktentwicklung die Klassifizierung nach Kältemitteln nutzt.

Anwendungsfälle

CO₂-Emissionsdaten von Wärmepumpensystemen werden in mehreren konkreten Bereichen eingesetzt:

• Gebäudezertifizierung: Die Einhaltung der Anforderungen an Niedrigstenergiegebäude beziehungsweise nZEBs im Rahmen der EPBD setzt Daten zu den betriebsbedingten CO₂-Emissionen voraus. Die reine Effizienzkennzahl reicht dafür nicht aus.
• Förder- und Finanzierungsanträge: Die deutsche BEG, österreichische Wärmepumpenförderungen auf Bundes- und Landesebene sowie kantonale Programme in der Schweiz verlangen zunehmend nachgewiesene CO₂-Einsparungen gegenüber dem ersetzten Heizsystem.
• Unternehmerische CO₂-Berichterstattung: Eigentümer gewerblicher Gebäude und Wohnungsbaugesellschaften verwenden die CO₂-Daten von Wärmepumpen für ihre Nachhaltigkeitsberichte nach Scope 1, Scope 2 und Scope 3.
• Deklaration des Produkt-CO₂-Fußabdrucks: Hersteller veröffentlichen EPDs, die sowohl graue als auch betriebsbedingte CO₂-Emissionen je Anlage ausweisen.
• Prognose der ETS-2-Kosten: Immobilieneigentümer modellieren zukünftige Heizkosten, indem sie die Belastung fossiler Brennstoffe durch die CO₂-Bepreisung im ETS 2 mit dem stromgestützten Betrieb einer Wärmepumpe vergleichen.
• Planung der Kältemittelumstellung: Installateure und Fachplaner verwenden direkte Emissionsdaten auf Grundlage des GWP, um den Austausch von Anlagen mit Kältemitteln mit hohem GWP vor den jeweiligen Fristen der F-Gas-Verordnung zu planen.

Vorteile

Eine strukturierte Erfassung der CO₂-Emissionen bietet einen messbaren Mehrwert in technischer, regulatorischer und wirtschaftlicher Hinsicht:

• Sie schafft eine überprüfbare Grundlage für Förder- und Finanzierungsanträge.
• Sie ermöglicht einen präzisen Vergleich der Klimawirkung unterschiedlicher Heiztechnologien und beschränkt sich nicht auf deren Effizienz.
• Sie unterstützt die Einhaltung der EPBD, nationaler Bauvorschriften und neuer Berichtsanforderungen aus dem ETS 2.
• Sie macht den kumulativen Vorteil der Kombination von Wärmepumpen mit erneuerbarem Strom und Kältemitteln mit niedrigem GWP sichtbar.
• Sie erhöht die Transparenz der Hersteller durch EPDs und Lebenszyklusdokumentationen.
• Sie verbessert langfristige Kostenprognosen, da das ETS 2 die relativen Kosten fossiler Heizsysteme erhöht.
• Sie unterstützt die Differenzierung von Produkten in einem Markt, in dem regulatorische Anforderungen zu einer strengeren Bewertung des Kältemittel-GWP führen.

Auswahlkriterien

Bei der Auswahl eines Wärmepumpensystems mit möglichst niedrigen CO₂-Emissionen müssen mehrere Parameter gemeinsam und nicht isoliert bewertet werden:

• GWP des Kältemittels: Systeme mit natürlichen Kältemitteln wie R290 oder mit Kältemitteln, die bereits die F-Gas-Grenzwerte nach 2027 erfüllen, sollten bevorzugt werden.
• SCOP unter realen Klimabedingungen: Eine höhere saisonale Effizienz reduziert die Strommenge, die je Wärmeeinheit benötigt wird. Dadurch sinken die indirekten Emissionen proportional.
• CO₂-Intensität des regionalen Strommixes: Dieselbe Anlage führt in unterschiedlichen Ländern zu unterschiedlichen Emissionsergebnissen. Lokale Strommixdaten sollten deshalb bei der Dimensionierung des Systems und der Festlegung der Regelungsstrategie berücksichtigt werden.
• Kompatibilität mit lokal erzeugten erneuerbaren Energien: Systeme mit Smart-Grid-Anbindung, beispielsweise einer myiDM+-Integration, ermöglichen es, den PV-Eigenverbrauch zu erhöhen und dadurch den effektiven indirekten Emissionsfaktor zu senken.
• Lebenszyklusdokumentation des Herstellers: Die Verfügbarkeit von EPDs oder vergleichbaren Lebenszyklusdaten unterstützt die Bewertung der grauen Emissionen während der Planung und Ausschreibung.
• Regulatorischer Planungshorizont: Die Auswahl von Anlagen, die bereits die Meilensteine der F-Gas-Verordnung für 2027, 2032 und 2035 erfüllen, verhindert spätere Kosten für Umrüstungen oder einen vorzeitigen Austausch.

Vergleiche

Vergleich der CO₂-Emissionen von Heizsystemen

Richtwerte je bereitgestellter Kilowattstunde Wärme

Die Werte sind als Richtgrößen zu verstehen und variieren abhängig von der nationalen CO₂-Intensität des Strommixes, der Effizienz der Wärmepumpe und der Kältemittelfüllmenge. Sie verdeutlichen die relative Größenordnung und stellen keine zertifizierten Werte dar.

Vergleich des Treibhauspotenzials von Kältemitteln

Der Unterschied bei den direkten Emissionen zwischen älteren Kältemitteln mit hohem GWP und natürlichen Kältemitteln ist der größte einzelne Hebel, um das Klimarisiko einer Wärmepumpe bei Kältemittelleckagen zu reduzieren.

iDM-Systeme, die auf dem natürlichen Kältemittel R290 basieren, beispielsweise die Baureihen AERO ALM und AERO SLM, setzen unmittelbar bei der Reduzierung der direkten Emissionen an. In Kombination mit der intelligenten Netzsteuerung Navigator 2.0 beziehungsweise myiDM+ können auch die indirekten Emissionen weiter reduziert werden, indem der Eigenverbrauch erneuerbarer Energie erhöht und der Betrieb an die Bedingungen des Stromnetzes angepasst wird. TERRA SW/AL und iPump A übertragen denselben Emissionsansatz auf erdgekoppelte Systeme und Anwendungen im industriellen Maßstab.

Die Betrachtung der CO₂-Emissionen im Umfeld von Wärmepumpen macht die tatsächliche Klimawirkung eines Heizsystems sichtbar. Dazu werden die CO₂-Intensität des Stroms, die SCOP-Effizienz, das GWP des Kältemittels, die grauen Emissionen und die durch den Ersatz fossiler Heizsysteme vermiedenen Emissionen in einem messbaren CO₂e-Rahmen zusammengeführt.

Für Gebäudeeigentümer, Planer, Hersteller und Energieberater lassen sich Wärmepumpen dadurch einfacher vergleichen, dokumentieren und im Rahmen der EPBD, des EU-ETS 2, von Förderprogrammen, Lebenszyklusanalysen und der F-Gas-Verordnung begründen.

Die emissionsärmste Wärmepumpenstrategie kombiniert eine hohe saisonale Leistungszahl, CO₂-armen Strom, eine intelligente PV- oder netzabhängige Steuerung, transparente Lebenszyklusdaten und natürliche Kältemittel wie R290. Auf diese Weise wird die Wärmepumpe von einem effizienten Heizgerät zu einer überprüfbaren Dekarbonisierungslösung für moderne Gebäude.