Wärmepumpen: Fast zu gut um wahr zu sein

14.05.2022

Aus Wärmepumpen kommt mehr Wärmeenergie heraus als man an elektrischer Energie hineinsteckt. Klingt fast wie Pseudowissenschaft, aber die Physik erlaubt das.

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Es klingt ein bisschen nach einem Perpetuum Mobile, nach Erzeugung von Energie aus dem Nichts. Damit hat es aber nichts zu tun, auch Wärmepumpen halten sich brav an die Gesetze der Physik.

Ein bisschen Schwund ist immer. Egal ob wir einen Staubsauger verwenden, eine Lampe oder ein Elektroauto, eine Effizienz von 100 Prozent erreichen wir nie. Immer wird bloß ein Teil der Energie für das verwendet, was das Gerät eigentlich erledigen soll. Der Rest wird für unerwünschte Nebeneffekte verschwendet – etwa für die Erzeugung von Lärm oder Wärme.

Wenn man sich mit dieser Grundregel im Kopf die Werbungen für Wärmepumpen ansieht, ist man verwirrt: Von einem Wirkungsgrad über 300 Prozent ist da oft die Rede. Man füttert die Wärmepumpe mit elektrischer Energie und heraus kommt Wärmeenergie – und zwar deutlich mehr als man hineingesteckt hat. Das klingt ein bisschen nach einem Perpetuum mobile, nach Erzeugung von Energie aus dem Nichts. Damit hat es aber nichts zu tun, auch Wärmepumpen halten sich brav an die Gesetze der Physik.

Wärme verschieben statt Wärme erzeugen

Stellen wir uns vor, draußen hat es 5 Grad. Unsere Wohnung hat 17 Grad, wir hätten gerne 21. Wir können dafür nicht einfach Wärmeenergie erzeugen, aber wir können sie von draußen hereinholen: Wenn es draußen ein bisschen kälter wird, kann es dafür in der Wohnung wärmer werden. Genau das ist es, was eine Wärmepumpe macht: Die Wärmeenergie wird nicht erzeugt wie im Backrohr, sie wird bloß verschoben – von draußen nach drinnen. Nichts daran verstößt gegen das Gesetz der Energieerhaltung.

Trotzdem ist das seltsam: Normalerweise fließt Wärme vom heißeren zum kühleren Objekt. Die heiße Suppe kühlt aus, die Umgebungsluft wird dadurch wärmer. Niemals fängt die Suppe auf dem Tisch spontan zu kochen an, während sich die Umgebungsluft abkühlt. Das hat aber nicht mit dem Gesetz der Energieerhaltung zu tun, hier ist ein anderes Naturgesetz im Spiel: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der uns sagt, dass die Entropie immer zunehmen muss.

Entropie ist intuitiv etwas schwer zu fassen, man kann sich diese Regel aber einfach als Tendenz der Natur vorstellen, für gleichmäßige Verteilung zu sorgen: Wenn ich Mehl in einer Schüssel habe und kräftig niese, dann verteilt sich das Mehl in der ganzen Küche, die Entropie nimmt zu. Ich werde niemals schaffen, es in die Schüssel zurückzuniesen, denn dabei würde die Entropie abnehmen. Bei Energie ist es auch so: Sie konzentriert sich nicht freiwillig an einem Ort, sondern breitet sich eher gleichmäßig aus.

Daher geht die Umverteilung von heiß nach kalt zwar ganz von selbst, die Umverteilung von kalt nach heiß, wie wir sie bei der Wärmepumpe haben wollen, aber nicht. Man muss deswegen zusätzlich Energie aufwenden – aber eben nicht so viel, wie es der gesamten Wärmemenge entspricht, die am Ende in der warmen Wohnung sein soll, sondern bloß so viel, dass das Entropie-Gesetz nicht verletzt wird. Und das ist deutlich weniger. Die Wärmepumpe schafft das durch einen Kreislauf, in dem eine passende Flüssigkeit durch Druck- und Temperaturänderungen verdampft und dann wieder verflüssigt wird, ähnlich wie das auch in einem Kühlschrank geschieht.

Unschlagbar effizient

Wärmepumpen werden ein wichtiger Teil der Klimawende sein: Wenn wir auf fossile Brennstoffe verzichten, werden wir unsere Wohnungen oft elektrisch heizen. Und man elektrisch heizt, ist eine Wärmepumpe viel effizienter als ein simpler elektrisch betriebener Heißwasserkessel.

Das Problem ist nur: Die Effizienz von Wärmepumpen hängt davon ab, wie groß der Unterschied zwischen kalter Außen- und warmer Innentemperatur ist. Kleine Temperaturunterschiede können mit grandioser Effizienz erzeugt werden, aber je größer der Temperaturunterschied, umso ineffizienter wird der Prozess.

Und das ist natürlich schade, denn das bedeutet, dass die Wärmepumpe genau dann, wenn wir sie am dringendsten brauchen, am schlechtesten arbeitet – nämlich dann, wenn es draußen extrem kalt ist. Außerdem heizen wir heute viele Wohnungen, indem wir sehr heißes Wasser mit oft über 80 Grad durch Radiatoren pumpen – die Differenz zur Außentemperatur ist da gewaltig groß. Viel effizienter ist eine Wärmepumpe daher, wenn man sie in Kombination mit einer Fußbodenheizung betreibt, die mit vielleicht 40 Grad auskommt. Wenn man sie dann noch mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach kombiniert, kann man die Heizkosten insgesamt dramatisch senken. Und das ganz ohne gegen Naturgesetze zu verstoßen.