CO₂-Wärmepumpe: Funktion, Vorteile und Einsatzbereiche

Eine CO₂-Wärmepumpe ist eine Wärmepumpe, die das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel einsetzt. In der Kältetechnik trägt CO₂ die Bezeichnung R744 und gilt neben Propan (R290) und Ammoniak als natürliches Kältemittel. Das CO₂ zirkuliert dabei in einem hermetisch geschlossenen Kältekreislauf. Es gelangt nicht in die Umwelt, sondern durchläuft den Prozess immer wieder.

Wichtig: Damit ist nicht das Abgas aus Verbrennungsprozessen gemeint, sondern hochreines, technisches Kohlendioxid, das gezielt für Heiz- und Kühlprozesse hergestellt wird.

Das gestiegene Interesse an CO₂ als Kältemittel hat einen konkreten Grund: Die europäische F-Gas-Verordnung schreibt vor, synthetische Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial schrittweise zu ersetzen. Viele bislang verbreitete Stoffe wie R410A (GWP: 2.088) oder R32 (GWP: 675) stehen damit unter Druck. Natürliche Kältemittel wie CO₂ und Propan gewinnen als regulatorisch sichere und klimafreundliche Alternativen stetig an Bedeutung. Hersteller weltweit investieren entsprechend in die Weiterentwicklung beider Technologien.

Hier können Sie sich einen Überblick über alle gängigen Kältemittel in Wärmepumpen verschaffen.

Im Grundprinzip gleicht die CO₂-Wärmepumpe jeder anderen Kompressionswärmepumpe: Sie entzieht der Luft, dem Erdreich oder dem Wasser Wärme, hebt das Temperaturniveau mithilfe eines Verdichters an und gibt die Wärme an das Heizungssystem ab. Der entscheidende Unterschied liegt in den physikalischen Eigenschaften des Kältemittels.

CO₂ hat einen sogenannten kritischen Punkt bei 31,1 °C und 73,8 bar. Oberhalb dieser Schwelle verhält sich Kohlendioxid weder rein flüssig noch rein gasförmig, sondern im überkritischen Zustand. Genau dort betreiben die meisten CO₂-Wärmepumpen ihren Kältekreislauf. Man spricht deshalb vom transkritischen oder überkritischen Kreislauf, auch Lorentzen-Prozess genannt.

Der Unterschied zur herkömmlichen Wärmepumpe liegt in einem entscheidenden Bauteil: Statt eines klassischen Verflüssigers kommt ein Gaskühler zum Einsatz. Dieser gibt die Wärme direkt an das Heizungssystem ab und kühlt das CO₂ wieder ab, ohne dass das Kältemittel dabei kondensiert. Dadurch lässt sich die Wärme kontinuierlich und auf einem hohen Temperaturniveau abgeben.

• Im transkritischen Bereich (>31,1 °C, >73,8 bar) gibt CO₂ seine Wärme gleitend statt auf einem festen Temperaturniveau ab. Das ermöglicht besonders hohe Vorlauftemperaturen.

• Wärmepumpen mit R290 oder synthetischen Kältemitteln arbeiten dagegen im subkritischen Bereich, wo Verdampfung und Kondensation auf festen Druckniveaus stattfinden.

• Das Ergebnis: CO₂-Wärmepumpen eignen sich für Hochtemperaturheizungen, schneiden bei reiner Niedertemperatur-Raumheizung aber oft schlechter ab als R290.

Das Kältemittel R744 ist aufgrund seiner Eigenschaften attraktiv:

• Sehr niedriges Treibhauspotenzial: CO₂ hat einen GWP-Wert von 1 und ist damit regulatorisch langfristig unkritisch.

• Nicht brennbar: Das ist ein Sicherheitsvorteil gegenüber Propan, insbesondere bei bestimmten Aufstellsituationen.

• Sehr gut bei hohen Temperaturen: CO₂ eignet sich besonders für Hochtemperaturanwendungen.

• Keine Ozonschädlichkeit: Der ODP-Wert liegt bei 0.

Neben den Stärken gibt es Einschränkungen, die eine ehrliche Einschätzung erfordern:

• Sehr hoher Betriebsdruck: Ein Druck von über 73 bar und im Betrieb teils weit über 100 bar erfordern speziell gehärtete Komponenten. Rohrleitungen, Verdichter und Sicherheitsventile sind aufwendiger zu fertigen als bei Niederdruckkältemitteln.

• Höhere Anlagenkosten: Der technische Mehraufwand schlägt sich in den Investitionskosten nieder. Besonders in kleineren Leistungsklassen für Einfamilienhäuser sind CO₂-Wärmepumpen teurer als vergleichbare R290-Geräte. Während eine Wärmepumpe mit Propan bei 25.000 bis 50.000 Euro liegt, starten CO₂-Wärmepumpen bei 35.000 Euro.

• Eingeschränkte Effizienz bei Niedertemperatur-Heizung: Bei Vorlauftemperaturen unter 45 °C, also dem Bereich, in dem moderne Niedertemperatur-Heizsysteme am effizientesten arbeiten, erreicht eine CO₂-Wärmepumpe in der Regel niedrigere Jahresarbeitszahlen (JAZ) als eine R290-Wärmepumpe.

• Begrenzte Produktauswahl für den Haushaltsbereich: Für die klassische Raumheizung im Einfamilienhaus ist das Angebot an CO₂-Wärmepumpen noch überschaubar. Die Technik ist im Gewerbe und in Brauchwasserwärmepumpen weiter verbreitet.

CO₂ ist als Kältemittel besonders klimafreundlich, nicht brennbar und stark bei hohen Temperaturen. Für die klassische Raumheizung im Einfamilienhaus ist es aber meist nicht die erste Empfehlung. Der hohe Betriebsdruck, die höheren Anlagenkosten und die geringere Effizienz bei niedrigen Vorlauftemperaturen sprechen in vielen Fällen gegen CO₂. Wer einen Neubau, ein gut saniertes Haus oder eine Fußbodenheizung hat, fährt mit einer Propan-Wärmepumpe in der Regel effizienter und wirtschaftlicher. CO₂ lohnt sich vor allem dann, wenn hohe Warmwassertemperaturen oder hohe Vorlauftemperaturen dauerhaft benötigt werden.

Die CO₂-Wärmepumpe ist kein Allrounder für jede Situation, doch in bestimmten Einsatzbereichen zeigt sie eindrucksvolle Stärken.

Derzeit nutzt der private Sektor CO₂-Wärmepumpen vor allem bei hohen Ansprüchen an die Warmwasserbereitung. Sie erhitzen das Wasser effizienter auf höhere Temperaturen als herkömmliche Geräte. Damit eignen sie sich ideal für Menschen, die sehr warm baden möchten und besonderen Wert auf maximale Hygiene (Vorbeugung vor Legionellen) legen.

Mehr zur Funktionsweise regulärer Warmwasser-Wärmepumpen finden Sie in unserem Artikel.

Altbauten mit alten Radiatoren können extrem hohe Vorlauftemperaturen erfordern, bei denen Standardwärmepumpen an ihre Effizienzgrenzen stoßen. CO₂-Wärmepumpen hingegen können diese hohen Temperaturen zuverlässig liefern, ohne dass ein elektrischer Heizstab benötigt wird. Dadurch sind sie eine interessante Option für unsanierte Bestandsgebäude, in denen ein Austausch der Heizkörper oder die Installation einer Flächenheizung nicht infrage kommt.

Ein praktischer Vorab-Test hilft bei der Einschätzung: Senken Sie die Vorlauftemperatur Ihrer bestehenden Heizung versuchsweise auf 55 °C. Bleibt es im Haus warm, genügt oft auch eine Standard-Wärmepumpe mit R290. Werden die Räume dagegen selbst an milden Wintertagen deutlich kühler, sprechen technische Gründe für eine Hochtemperatur-Wärmepumpe. Hier kann eine CO₂-Wärmepumpe punkten.

Im gewerblichen Bereich, beispielsweise in Supermärkten, bei der Lebensmittelkühlung, in Großküchen oder in Rechenzentren, ist CO₂ als Kältemittel seit Jahren etabliert. Ab einer Heiz- oder Kälteleistung von etwa 100 kW rechtfertigen die Effizienzvorteile des transkritischen Kreislaufs den höheren Investitionsaufwand. Im privaten Einfamilienhaus ist dieser Einsatzbereich dagegen nicht relevant.

Für die meisten privaten Haushalte stehen zwei natürliche Kältemittel zur Auswahl: CO₂ und Propan. Beide haben einen sehr niedrigen GWP-Wert und gelten als zukunftssichere Alternativen zu synthetischen F-Gasen.

Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Unterschiede:

Doch der Unterschied liegt im Detail:

• Heizungsanlage im Neubau oder gut saniertem Bestand: Hier arbeiten Propan-Wärmepumpen mit Niedertemperatur-Heizsystemen (Fußbodenheizung, moderne Heizkörper) sehr effizient. Die JAZ liegt regelmäßig über 3,5, mit optimalen Bedingungen auch über 4. CO₂ spielt seine Stärken in diesem Temperaturbereich weniger aus.

• Warmwasserbereitung: CO₂-Brauchwasserwärmepumpen bieten eine hoch effiziente Alternative für die Warmwasserbereitung, wenn Sie das Wasser hoch erhitzen möchten. 

• Altbau mit hohem Temperaturbedarf: Wenn sehr hohe Vorlauftemperaturen gefragt sind, lohnt sich ein direkter Vergleich beider Technologien (Propan und CO₂) durch einen Fachbetrieb.

• Sicherheit: CO₂ ist nicht brennbar, R290 hingegen leicht entzündlich. In der Praxis sind beide Kältemittel durch hermetisch geschlossene Kältekreisläufe sicher. R290-Wärmepumpen sind bei der Aufstellung jedoch an spezifische Sicherheitsvorschriften gebunden.

CO₂-Wärmepumpen sind wie alle anderen Wärmepumpen in der Regel bis zu 80 Prozent förderfähig. Wichtig: Den Förderantrag müssen Sie zwingend vor der Beauftragung des Fachbetriebs stellen.

1. Angebot einholen: Lassen Sie sich zunächst ein Angebot von einem Energieeffizienzexperten oder einem Heizungsbetrieb erstellen.

2. KfW-Antrag stellen: Reichen Sie den Antrag anschließend über das Online-Portal der KfW ein.

3. Eingangsbestätigung abwarten: Warten Sie die Eingangsbestätigung der KfW ab. Erst danach dürfen die Installationsarbeiten beginnen.

4. Maßnahme umsetzen: Nach der Bestätigung kann die neue Heizung installiert beziehungsweise die geplante Maßnahme durchgeführt werden.

5. Verwendungsnachweis einreichen: Nach Abschluss der Arbeiten reichen Sie den Verwendungsnachweis bei der KfW ein.

6. Zuschuss erhalten: Nach erfolgreicher Prüfung zahlt die KfW den Zuschuss aus.