Wärmepumpen – der Brunnen

Während Hitzewellen in Phoenix, während einige Menschen auf Gehwegen Eier braten, ist Matt Heath, ein Servicemanager für Heizung, Lüftung und Klimaanlage (HLK) bei AC by J, an vorderster Front und hilft bei der Wartung der Klimaanlagen in den Häusern der Menschen. Heath verfügt über eine hohe Arbeitsplatzsicherheit: Laut einer aktuellen Studie besteht für die Hälfte der Einwohner von Phoenix das Risiko, in die Notaufnahme zu müssen oder Schlimmeres zu erleiden, wenn während einer zukünftigen Hitzewelle der Strom ausfällt. Die Klimaanlage ist es, die dafür sorgt, dass sich die Menschen dort während eines zunehmenden Teils des Jahres wohlfühlen – und am Leben bleiben. Die extreme Hitze tötet bereits jedes Jahr Hunderte von Bewohnern der Region Phoenix, eine Zahl, die von 2021 bis 2022 um 25 Prozent gestiegen ist.

Phoenix ist ein Vorbote des Lebens in den vielen heißen Teilen der Welt, die immer reicher werden und in denen die Menschen immer mehr Klimaanlagen verlangen. Dies wiederum verschärft die Extreme des Klimawandels aufgrund der erhöhten Nachfrage nach Stromquellen, die fossile Brennstoffe verbrauchen, sowie des Austritts von Kältemitteln, die wiederum erhebliche Treibhausgase verursachen. „Der größte Teil des Wachstums bei Klimaanlagen wird in anderen Ländern stattfinden“, sagt der Maschinenbauingenieur Vince Romanin, Mitbegründer und CEO des in San Francisco ansässigen Unternehmens Gradient Comfort, „und eine Zugangsbeschränkung ist nicht fair.“ Stattdessen versuchen er und andere, neue Klimakontrolltechnologien zu erfinden, die die Gefahren für das Klima des Planeten nicht noch weiter erhöhen.

Die Gewinner des Global Cooling Prize 2021 – beide Wärmepumpen – reduzieren die Klimaauswirkungen der Kühlung um bis zu 80 Prozent.

Ironischerweise könnte der vielversprechendste Weg zur Verbesserung von Klimaanlagen darin bestehen, sich auf die Heizung zu konzentrieren. Während Regierungen auf der ganzen Welt eine höhere Effizienz als Mittel zur Milderung der Klimaauswirkungen von Klimaanlagen in Aussicht stellen, handelt es sich bei Innovationen bei der Klimatisierung im engeren Sinne nur um schrittweise Entwicklungen. „In der HVAC-Welt sind Innovationen in der Regel klein und fortschrittlich: Es gibt kein Allheilmittel“, sagt Wade Conlan, Ingenieur bei Hanson Professional Services in Maitland, Florida und Vizepräsident von ASHRAE, einem Normenwerk für Heizungs- und Klimaanlagen -Einstellungsorganisation. Im technischen Sinne wirken sich bessere Klimaanlagen eigentlich nur auf das letzte Glied einer langen, klimaschädlichen Lieferkette aus, wohingegen der Austausch von Heizöfen in Privathaushalten größere Auswirkungen haben dürfte. Ihr Schicksal wiederum ist über ihre vielseitigen Cousins, die Wärmepumpen, an Klimaanlagen gebunden.

Es scheint, als ob die kühle Luft, die von der Klimaanlage Ihres Hauses kommt, nur von der anderen Seite des Geräts kommt. Doch um den Kompressor der Klimaanlage überhaupt zum Laufen zu bringen, musste ein weit entferntes Kraftwerk einen Stromstoß erzeugen. Wenn diese Anlage, wie 60 Prozent des US-Stromnetzes, eine CO2-emittierende Quelle nutzen würde, könnte das lokale Problem gelöst werden, aber nur auf Kosten einer globaleren Bedrohung. Bei längeren Zeiträumen entweicht das Kältemittel Ihrer Klimaanlage in die Atmosphäre, wo es ebenfalls Sonnenlicht absorbiert, möglicherweise sogar mehr als CO2, und den Planeten erwärmt, lange nachdem die Flügel des Ventilators Ihrer Klimaanlage aufgehört haben, sich zu drehen.

In diesem Jahr hat das US-Energieministerium zum ersten Mal seit 2015 die Effizienzteststandards für Klimaanlagen verschärft. Klimaanlagen sind eine ausgereifte Technologie, deren erste Patente auf das frühe 20. Jahrhundert zurückgehen und deren Nutzung in Wohngebieten 90 Jahre zurückreicht. Daher sind die Hersteller von Klimaanlagen wahrscheinlich mehr daran interessiert, mit der weltweiten Nachfrage Schritt zu halten, als an der Entwicklung kostspieliger, potenziell störender Verbesserungen im Hinblick auf die Klimaauswirkungen.

Dennoch machte die Kühlung in den Vereinigten Staaten nur 8 Prozent des Energiebedarfs von Privathaushalten aus, verglichen mit (zumindest Stand 2015) 43 Prozent beim Heizen. Mit anderen Worten: Eine schrittweise Verbesserung der Effizienz beim Heizen wird insgesamt einen viel größeren Einfluss auf den Energiebedarf und damit auf den Klimawandel haben. Und alles – etwa elektrisch betriebene Wärmepumpen –, das die Heizung von Erdgasöfen auf sauberere Energiequellen umstellen kann, hätte ebenfalls große Auswirkungen auf das Klima, da 63 Prozent der amerikanischen Haushalte ihre Wärme aus Erdgas beziehen.

Tatsächlich befassen sich beide Gewinner des Global Cooling Prize 2021, der sich mit der Verbesserung von Klimaanlagen befasst, mit der Heizung, da es sich bei beiden um Wärmepumpen handelt. Wie auf der Website des Cooling Prize festgehalten wird, reduzieren ihre preisgekrönten Wärmepumpen – hergestellt von Gree in Zhuhai, China, sowie Daikin und Nikken in Haryana, Indien bzw. Tokio – die Klimaauswirkungen der Kühlung im Vergleich zu den Auswirkungen um bis zu 80 Prozent einer herkömmlichen Klimaanlage.

Wenn die Klimaanlage klimafreundlicher sein soll, sagt Romanin von Gradient Comfort, „muss sie intelligent sein, mit dem Stromnetz kommunizieren, besseres Kältemittel verwenden und eine Wärmepumpe sein.“

Wärmepumpen bieten Möglichkeiten, alle drei Hauptquellen gebäudebedingter klimaschädlicher Emissionen anzugehen, sagt Romanin: Erdgaslecks in gasbetriebenen Öfen, Kältemittellecks in Klimaanlagen und Stromverbrauch. Alle drei, sagt er, haben zusammen einen Problem- und Lösungsraum geschaffen, der viel größer ist als alles, was er durch den Bau einer herkömmlichen Klimaanlage erreichen könnte, die um einen Bruchteil eines Prozents effizienter ist als das Vorjahresmodell.

Wärmepumpen eliminieren die erste dieser Quellen vollständig – es ist kein Erdgas erforderlich – und bieten Möglichkeiten zur Reduzierung der beiden anderen Quellen klimaschädlicher Emissionen. Wärmepumpen sind auch mit natürlichen Kältemitteln mit geringeren Klimaauswirkungen kompatibel. Sie können weniger Strom verbrauchen als herkömmliche zentrale Klimaanlagen und ihre Heizmodi können in manchen Klimazonen kostengünstiger sein als Gasöfen. Darüber hinaus bieten Wärmepumpen die Möglichkeit emissionsfreien Stroms, abhängig von der örtlichen Stromversorgung, da sie elektrisch betrieben werden.

Angesichts all dieser Vorteile scheint es schwer zu verstehen, warum nicht mehr Bauherren auf Wärmepumpen umgestiegen sind. Die institutionelle Trägheit hinter der Klimatisierung ist beträchtlich, und rechtlicher Konservatismus erklärt einige der Gründe für den langsamen Übergang: Ein Architekt wird nicht verklagt, weil er HVAC nach Industriestandard fordert, aber er könnte es tun, wenn er relativ neu auf dem Markt ist. Eine marktübliche Wärmepumpe entspricht nicht den Anforderungen eines Gebäudebetreibers. Ein weiterer Grund ist ein Problem, mit dem jeder Mieter auf der Welt konfrontiert ist: Die Person, die die Energierechnungen bezahlt, ist nicht die Person, die die Geräte auswählt und installiert. Das mag relevanter gewesen sein, als Wärmepumpen mehr kosteten als Klimaanlagen, aber zumindest einigen Schätzungen zufolge nähern sie sich jetzt im Vorfeld der Preisparität mit einer zentralen Klimaanlage an und sind günstiger in der Installation als eine vergleichbare Gasklimaanlage Ofenkombination.

„Aus klimatischen Gründen kommt es nicht oft vor, dass jemand sein HLK-System von einer Erdgasheizung auf eine Wärmepumpe umstellen möchte. Es ist hauptsächlich wirtschaftlicher Natur.“ – Matt Heath, AC von J, Phoenix, Arizona.

In einem Szenario könnte eine Wärmepumpe inklusive Installation 4.200 bis 7.600 US-Dollar kosten, verglichen mit 3.800 bis 7.500 US-Dollar für eine zentrale Klimaanlage allein. Der fairere Vergleich wäre jedoch sowohl eine zentrale Klimaanlage als auch ein Gasofen, der sich auf 5.000 bis 12.000 US-Dollar belaufen könnte. Natürlich haben diese konkurrierenden Technologien unterschiedliche Betriebskosten, die von den sich ändernden regionalen Strom- und Erdgaspreisen abhängen. In den USA kommt ein zusätzlicher wirtschaftlicher Anreiz für den Umstieg auf Wärmepumpen hinzu. Der US Inflation Reduction Act von 2022 bietet Haushalten, die bestimmte Einkommensvoraussetzungen erfüllen, Zuschüsse von bis zu 8.000 US-Dollar für die Installation von Wärmepumpen.

Heath sagt, dass die meisten Hausbesitzer, denen er bei der Installation oder dem Umbau von Wärmepumpen hilft, ihm sagen, dass sie eine Abneigung gegen die Installation einer Erdgasleitung haben oder es vorziehen, keine Verbrennungsquelle durch ihre Häuser zu führen. In Süd-Arizona, wo die meisten Menschen die Wärme nur ein paar Wochen im Jahr nutzen, ist für die Umstellung möglicherweise nicht einmal eine Subvention erforderlich. „Aus klimatischen Gründen kommt es nicht oft vor, dass jemand sein HVAC-System von einer Erdgasheizung auf eine Wärmepumpe umstellen möchte“, sagt Heath, der HVAC-Servicemanager. „Das ist vor allem aus wirtschaftlichen Gründen.“

Tatsächlich sagt Conlan, der in Florida lebt, er habe herausgefunden, dass sich eine Wärmepumpe auszahlen würde, während er in seinem Haus lebte, und er habe seit Jahrzehnten eine statt einer Klimaanlage.

In kälteren Teilen des Landes ist die Heizkomponente von Wärmepumpen wichtiger, und in den kältesten Klimazonen können Wärmepumpen nicht so viel Wärme erzeugen wie Gasöfen.

Aber einige Modelle beginnen sogar in traditionell kalten Klimazonen konkurrenzfähig zu sein, argumentieren mehrere klimafokussierte zivilgesellschaftliche Organisationen, darunter die Building Decarbonization Coalition. Regierungen sollten Hausbesitzer und Bauunternehmer dazu aufklären und ermutigen, Klimaanlagen und Öfen durch Wärmepumpen zu ersetzen, argumentierte die Koalition in einem Bericht vom Juni 2023. „Oben im Norden gibt es einen Wendepunkt, den sie erreichen wollen“, sagt Conlan.

Klimaanlagen, Gasöfen und Wärmepumpen sind nur ein Teil der Klimatisierungsgeschichte: Eine sauberere Stromproduktion, effizientere Netze und besser isolierte Gebäude sind wahrscheinlich weniger wichtige Faktoren. „Je besser Sie isolieren, desto weniger Wärme benötigen Sie überhaupt“, sagt Conlan.

Doch vorerst haben Wärmepumpen die Aufmerksamkeit von Regulierungsbehörden, großen Branchenakteuren und zivilgesellschaftlichen Gruppen auf sich gezogen. Sie genießen auch die Aufmerksamkeit von HVAC-Spezialisten wie Heath. Wärmepumpen mit variabler Drehzahl laufen tendenziell häufiger mit niedrigeren Einstellungen als Klimaanlagen mit einer Drehzahl. Heath sagt, das macht sie reif für weitere Verbesserungen. Beispielsweise könnte die HVAC-Branche in der Lage sein, die enormen Stromstöße zu eliminieren, die herkömmliche Klimaanlagen beim Einschalten benötigen, wodurch die Gesundheit des Netzes verbessert und die Möglichkeit geschaffen wird, Wärmepumpen aus Quellen wie Sonnenkollektoren oder sogar anderen Quellen zu betreiben Batteriespeicher für den Hausgebrauch. Heath sagt: „Ich denke ständig: ‚Was gibt es sonst noch?‘“