1    Einführung

Das Konzept der Wärmepumpe wurde vor über 150 Jahren erfunden. In neu errichteten Einfamilienhäusern ist die Wärmepumpe mittlerweile die populärste Form der Heizung. Wärmepumpen sind also keineswegs neu. Dennoch sind Wärmepumpen im deutschen Sprachraum erst neulich in das Interesse der breiten Öffentlichkeit gerückt.

In diesem Kapitel erkläre ich Ihnen, woher die plötzliche Euphorie für Wärmepumpen kommt. Kurz zusammengefasst bieten Wärmepumpen einen Weg, den CO₂-Ausstoß beim Heizen stark zu reduzieren. Das ist dringend notwendig, wenn das Klima unseres Planeten nicht vollkommen aus dem Gleichgewicht geraten soll.

Aus meiner Sicht ist dieses Kapitel wichtig, damit Sie die Notwendigkeit und Sinnhaftigkeit von Wärmepumpen verstehen. Falls Sie davon ohnehin schon überzeugt sind bzw. wenn Sie von der CO₂-Bilanz, der Klimaerwärmung und gesellschaftspolitischen Fragen rund um die Energiewende schon genug gelesen haben, blättern Sie einfach weiter zum nächsten Kapitel. Dort erkläre ich Ihnen dann ausführlich die Funktionsweise von Wärmepumpen in allen erdenklichen Varianten.

1.1    Wo ist das Problem?

Es ist historisch nicht eindeutig geklärt, seit wann Menschen Feuer gezielt zum Kochen und Heizen verwenden. Sicher ist, dass unsere Vorfahren bereits vor gut 30.000 Jahren in der Lage waren, bei Bedarf ein Feuer zu entzünden. Sie mussten also nicht auf einen Blitzschlag oder Vulkanausbruch warten. Seither hat die Verbrennung von Holz und anderen Stoffen eine zunehmende Bedeutung für die Entwicklung der Menschheit.

Aus chemischer Sicht ist ein Feuer eine Verbrennung, also ein Prozess, bei dem kohlenstoffreiche Stoffe – Holz, Kohle, Öl, Gas – mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren. Dabei entstehen Licht, Wärme und Kohlendioxid (CO₂). Dieses Gas ist grundsätzlich harmlos: Es ist farb- und geruchlos und ungiftig. Sie können also an einem Herbstabend rund um ein Lagerfeuer stehen, sich daran wärmen, die schöne Stimmung genießen und müssen keine Angst vor dem CO₂ haben.

Solange nur Holz verbrannt wird und die Mengen nicht zu groß sind, ist die Verbrennung ein regenerativer Prozess: Bei der Verbrennung wird zwar CO₂ an die Luft abgegeben, aber dort stört es nicht. Pflanzen nehmen beim Wachsen CO₂ auf und zerlegen es in Kohlenstoff und Sauerstoff. Bei Bäumen wird aus dem Kohlenstoff letztlich Holz. Damit liegt ein Kreislaufprozess vor (siehe Abbildung 1.1).

Abbildung 1.1     Kohlenstoffkreislauf

Dieser Kreislauf funktioniert natürlich auch ohne Lagerfeuer: Im einfachsten Fall verrotten Pflanzen am Ende ihrer Lebenszeit und geben dabei den gespeicherten Kohlenstoff teilweise als CO₂ ab. Oder die Pflanzen werden von Menschen oder Tieren als Nahrungsmittel verwendet. Dabei entsteht wiederum CO₂, das ausgeatmet wird.

Fossile Brennstoffe

Bekanntlich ist die Menschheit erfinderisch. Sie ist nicht bei der Verbrennung von Holz stehen geblieben, sondern hat erkannt, dass Kohle, Öl und Gas als Brennstoffe noch besser geeignet sind. Und an dieser Stelle endet der Kreislauf.

Kohle, Öl und Gas sind über Jahrmillionen aus Pflanzen, Algen und Kleinstlebewesen entstanden. Diese Stoffe wurden nicht vollständig zersetzt, sondern in geologischen Prozessen in die Erdkruste eingelagert. Auf diese Weise wurde der Kohlenstoff gebunden und war nicht mehr Teil des Kreislaufs – bis die industrielle Revolution begann.

Seit dem 16. Jahrhundert wird Kohle intensiv abgebaut und verbrannt, Öl und Gas sogar erst seit dem 20. Jahrhundert. In dieser kurzen Zeit wurde durch die Verbrennung von Holz, Kohle, Öl und Gas viel mehr CO₂ an die Luft abgegeben, als durch die Photosynthese der Pflanzen verarbeitet werden kann. Daher steigt seither der Anteil von CO₂ in der Atmosphäre – und das dramatisch.

In den letzten 400.000 Jahren schwankte die Konzentration von CO₂ in der Luft zwischen 200 und 300 ppm (Parts per Million, wobei der Volumenanteil gemessen wird). Für das Jahr 1750 wurde eine Konzentration von 280 ppm ermittelt. 2021 wurden 420 ppm gemessen (siehe Abbildung 1.2). Ein Großteil des Anstiegs von 1750 bis zur Gegenwart ist direkt auf die Verbrennung enormer Mengen fossiler Brennstoffe zurückzuführen. (Ein kleiner Teil, ca. 18 ppm, resultiert aus klimatischen Prozessen. Vom Anfang des 15. bis ca. Mitte des 19. Jahrhunderts gab es die sogenannte »Kleine Eiszeit«, also eine Phase kühleren Wetters.)

Abbildung 1.2     CO₂-Konzentration in der Atmosphäre während der letzten 400.000 Jahre. 300 ppm wurden erstmalig ca. 1920 überschritten. 2021 betrug der Wert 420 ppm.

Seit 1958 wird der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre auf einer Messstation auf Hawaii sowie an diversen anderen Orten gemessen. Vergangene CO₂-Konzentrationen können sehr exakt aus Messungen in Eisbohrkernen ermittelt werden.

Der Einfluss auf das Klima

Wie gesagt, CO₂ ist an sich harmlos und stört nicht bei der Atmung. Mit rund 0,04 Prozent (Volumen) oder 0,06 Prozent (Masse) ist sein Anteil in der Atmosphäre sehr klein.

Die absoluten Zahlen sind schon eindrucksvoller: 2021 wurden weltweit ca. 37 Milliarden Tonnen CO₂ aufgrund von durch Menschen ausgelösten Verbrennungsprozessen emittiert. Das sind etwa 5 Tonnen pro Mensch.

Erste Vermutungen, dass die Zusammensetzung der Atmosphäre Einfluss auf das Klima haben könnte, gab es schon im 19. Jahrhundert. Die gesamte Tragweite wurde aber erst in den vergangenen Jahrzehnten klar: Sogenannte Treibhausgase in der Atmosphäre (am wichtigsten sind Wasserdampf, CO₂ und Methan) beeinflussen selbst in relativ kleinen Konzentrationen das Klima nachhaltig.

Der Treibhauseffekt ist nicht grundsätzlich schlecht: Ohne Atmosphäre würde uns nicht nur die Luft zum Atmen fehlen, unsere Erde wäre mit einer durchschnittlichen Temperatur von –18 °C auch ziemlich kalt. Erst der Treibhauseffekt, durch den ein Teil der von der Erde abgestrahlten Wärme (Infrarotstrahlung) wieder zurück zur Erde reflektiert wird, führt zu einer durchschnittlichen Temperatur von 14 °C an der Oberfläche unseres Planeten.

Das Problem besteht darin, dass die Menschheit in nur 200 Jahren die Zusammensetzung der Atmosphäre so stark verändert hat, dass sich die mittlere Temperatur der Erde bereits jetzt um mehr als ein Grad Celsius erhöht hat. (Als Referenzzeitraum gelten die Jahre 1850 bis 1900.) Aktuelle Prognosen erwarten, dass die Erhöhung schon in wenigen Jahren weltweit 1,5 °C betragen wird. (In Deutschland waren es allerdings 2021 schon 1,6 °C.) Wie es bis zum Jahr 2100 aussieht, hängt davon ab, wie stark wir den CO₂-Ausstoß in den nächsten Jahren senken können.

Immer wieder unterschätzt wird, wie stark zwei, drei Grad Temperaturanstieg unser Klima beeinflussen und Extremwetterereignisse begünstigen. Es ist dann eben nicht im Durchschnitt um zwei Grad wärmer (damit könnten wir gut leben), sondern es ist phasenweise viel wärmer und viel trockener. Ein Indikator dafür ist die Anzahl der »heißen Tage« (Tage mit einem Temperaturmaximum über 30 °C). Diese Anzahl ist in Deutschland von durchschnittlich 8 im Jahr 2000 auf mehr als 10 im Jahr 2020 gestiegen. 2022 waren es 17!

Mit der Klimaänderung kommt es zu Dürre, Ernteausfällen und Waldbränden. Anderswo regnet es umso intensiver, es treten Überflutungen auf. Ja, derartige Ereignisse hat es auch in der Vergangenheit gegeben, aber die Häufigkeit und Intensität hat in den letzten Jahren enorm zugenommen und wird weiter steigen.

Laut einer Veröffentlichung von Nature im Mai 2023 würde eine Erderwärmung von 2,7 °C bis zum Jahr 2100 dazu führen, dass ca. ein Drittel der Weltbevölkerung in Gebieten lebt, in denen ein normales Leben ohne technische Hilfsmittel (z. B. Klimaanlagen) nahezu unmöglich ist. Der daraus resultierende Migrationsdruck würde ganze Länder destabilisieren.

Wenn in Zukunft ein lebenswertes Leben auf unserer Erde möglich sein soll, müssen wir...