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Elektrowärmepumpe vs. Gaswärmepumpe - erklärt über den COP-Wert

(26.5.2006; überarbeitet am 11.7.2015) Zur Beschreibung der Effizienz von Energietechniken werden zumeist Wirkungs- oder Nutzungsgrade angegeben. Bei Wärmepumpen wird u.a. in Deutschland die Jahresarbeitszahl (JAZ) angegeben. Im angloamerikanischen Sprachraum ist dagegen der COP-Wert (= Coefficient of Performance) üblich. Um die Aussagekraft dieses Werts geht's in diesem Artikel.

Wärmepumpen und Kältemaschinen arbeiten mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, der in 4 Schritten abläuft:

  1. Verdichten des Kältemittels im Kompressor
  2. Wärmeabgabe vom Kältemittel (dabei Kondensation des Kältemittels)
  3. Entspannen des Kältemittels in der Drossel
  4. Wärmezufuhr an das Kältemittel (dabei Verdampfung des Kältemittels)

Der COP-Wert ist ein Maß für die Effizienz dieser Technik. Er gibt das Verhältnis zwischen Nutzenergie oder -leistung (z.B. Kälteleistung) - bezogen auf die eingesetzte Energiemenge (z.B. zugeführte Gas- oder Strommenge) - an und nimmt in der Regel Werte > 1 an. Er entspricht dem Wirkungs- beziehungsweise Nutzungsgrad, wie er beispielsweise auch in der Heiztechnik verwendet wird. Ein COP-Wert von 1,4 besagt somit, dass bei einem Energieeinsatz von 100 Prozent zusätzlich 40 Prozent-Punkte aus der Umgebung gewonnen werden. Umgerechnet bedeutet dieses, dass annähernd 30% der eingesetzten Energie gegenüber einer konventionellen Beheizung eingespart werden können.

Primärenergiebilanz

Der COP-Wert allein macht jedoch noch keine Aussage über den Primärenergieeinsatz oder die spezifischen CO₂-Emissionen. Er beschreibt lediglich die Effizienz des Gerätes selbst. Das ist insbesondere bei Wärmepumpen zu berücksichtigen. Beispielsweise die für den Betrieb von Elektrowärmepumpen notwendige Sekundärenergie Strom wird eventuell nur mit Verlusten aus einer Primärenergie umgewandelt. Da laut (Erdgasbranchen-naher) Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) in Deutschland durchschnittlich 64% der bei der Stromproduktion eingesetzten Primärenergie durch Abwärme, Umwandlungs- und Verteilverluste verloren gehen, ergibt sich hier ein Wirkungsgrad von nur 36 Prozent! Dies muss bei der Primärenergiebilanz einer Elektrowärmepumpe berücksichtigt werden: Bei einem angenommenen COP-Wert von 3 im Gerät ergäbe sich also ein angenommener "Primär-COP-Wert", der auch die Primärenergie berücksichtigt, von 0,36 x 3 = 1,08. (Andererseits können zwischenzeitlich Wärmepumpen auch mit eigenem PV-Strom oder explizitem Öko-Strom aus z.B. Windkraft betrieben werden - siehe z.B. Beitrag „Mit Wärmepumpe und Batterien signifikant mehr eigenen Solarstrom nutzen“ vom 26.6.2013)

Wird dagegen eine Primärenergie wie Erdgas zum Antrieb des Kompressors mit einem Gasmotor eingesetzt, so sind Förderungs-, Transport-, Umwandlungs- und Verteilverluste sowie der Energieaufwand für den Transport des Gases zu berücksichtigen. In Deutschland seien das etwa 6% - die übrigen 94% erreichen den Verbraucher. Um einen vergleichbaren "globalen COP-Wert" zu erreichen, der den Primärenergieeinsatz berücksichtigt, müsste also der COP-Wert im Gasgerät 1.08 / 0,94 = 1,15 betragen.

Der COP-Wert einer elektrischen Wärmepumpe muss also nach Darstellung der ASUE größere Werte erreichen als der einer Gaswärmepumpe. Der Faktor beträgt ...

COPWP Elektro / COPWP Gas = 3 / 1,15 = 2,61.

Der COP-Wert einer Elektrowärmepumpe müsste demnach also um den Faktor 2,61 höher sein als der einer Gaswärmepumpe, damit beide Geräte die gleiche Menge an Primärenergie verbrauchen.

Abhängigkeit des COP-Wertes von Umgebungsgrößen

Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass der COP-Wert keine konstante Größe sein muss. Er hängt oft von der Umgebungstemperatur ab. Bei der Auswahl - beispielsweise einer Wärmepumpe - ist darauf zu achten, dass insbesondere in den typischen Betriebspunkten hohe COP-Werte erreicht werden. Erreicht eine Wärmepumpe bei einer Temperatur oberhalb von 15°C einen COP-Wert von bis zu 6, so ist dieser sehr gute Wert vom Verbraucher leider nur bedingt nutzbar. Die größten Energiemengen werden benötigt, wenn niedrige Umgebungstemperaturen vorherrschen (Heizfall). Hier werden von vielen Geräten nur noch deutlich kleinere COP-Werte erreicht, die bei 50% des Maximalwertes liegen können. ()

Berücksichtigt man die Investitionen in Kraftwerke zur Stromerzeugung, so kann ein flächendeckender Einsatz von Gaswärmepumpen eine sinnvolle Alternative sein. In Japan wurden aus diesem Grund in den vergangenen Jahren (vor 2006) mehr als 600.000 motorische Gaswärmepumpen mittlerer Leistung zum Heizen (und Kühlen) installiert.

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