Überschüssigen Strom als Wärme speichern

Der Ausbau von Windenergie- und Photovoltaikanlagen hat eine starke Zunahme von Schwankungen im Stromnetz zur Folge. Bisher gleichen schnell reagierende Kraftwerke diese Fluktuation aus. Weil das in Zukunft nicht reichen wird, müssen unbedingt weitere Optionen geprüft und realisiert werden. Das fordern die Autoren einer Studie der Forschungsinstitute Prognos und Ecofys [1].

Die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) beauftragte Studie untersucht die Größe des nutzbaren Potenzials von Wärmepumpen zum Lastmanagement, die Struktur und Größenordnung von Kosten und Nutzen sowie mögliche Barrieren bei der Erschließung dieses Potenzials. Hintergrund ist die Notwendigkeit einer Stabilisierung, aber auch Flexibilisierung des Stromversorgungssystems. Als dringende Maßnahme fordern die Autoren der Studie die Schaffung intelligenter Netze. Mit ihrer Hilfe könnten Netzbetreiber Wärmepumpen ihrer Kunden je nach Netzauslastung zu- oder abschalten. Wärmepumpen sollten also bevorzugt dann in Betrieb gehen, wenn überschüssige Energie zur Verfügung steht, wie das häufig bei starkem Wind und reichlich Sonneneinstrahlung der Fall ist. Selbstverständlich, so heißt es weiter, dürfe sich ein solches Energiemanagement nicht nur auf den Betrieb von Wärmepumpen beschränken, sondern mithilfe moderner Kommunikationssysteme weitere Stromverbraucher und im Verteilnetz vorhandene Stromerzeuger einbinden. Zusätzlich wären Anreize zur Beeinflussung des Nutzerverhaltens zu schaffen, zum Beispiel durch das Angebot variabler Preise.
Das gezielte Zu- und Abschalten von Stromlasten, verbunden mit flexiblen Tarifen, wird schon seit Jahrzehnten praktiziert, beispielsweise bei Elektro-Nachtspeicherheizungen und Warmwasserspeichern. Deren Stelle könnten in Zukunft verstärkt Wärmepumpen einnehmen. Die Möglichkeit, sie anzusteuern, nutzen die Netzbetreiber bereits heute, in den meis­ten Fällen allerdings nur monodirektional. Das sollte sich grundlegend ändern.

Beitrag zur Flexibilisierung der Nachfrageseite
Die Autoren untersuchten bei ihrer Arbeit die Größe des nutzbaren Potenzials von Wärmepumpen für Lastmanagementaufgaben sowie die Struktur und Größenordnung von Kosten und Nutzen. Außerdem identifizierten sie mögliche Hindernisse auf dem Weg zur Erschließung des Lastmanagementpotenzials. Basis dafür waren Annahmen aus verschiedenen Energieszenarien und Simulationen von Gebäudetypen sowie Wärmepumpen- und Kraftwerkseinsätzen (Tabelle 1).
Außerdem kommen die Autoren in ihrer Studie zu dem Schluss, dass ein vom Stromangebot abhängiger Betrieb von Wärmepumpen einen Beitrag zur Flexibilisierung der Strom-Nachfrageseite darstellt und dass diese Flexibilisierung aufgrund der zukünftig steigenden Durchdringung mit Erneuerbaren Energien noch an Bedeutung gewinnen wird. „Unter den in dieser Studie getroffenen Annahmen“, so heißt es wörtlich, „führt die stromgeführte Fahrweise zu

• Brennstoffkostenersparnissen in einer Größenordnung von rund 20 bis 50 Mio. Euro/Jahr im Gesamtsystem oder bis zu 40 Euro pro Wärmepumpe in 2030;
• einer leichten Erhöhung des Stromverbrauchs der Wärmepumpen in der Größenordnung von durchschnittlich rund 10 %, der den systemweiten Effekt jedoch nicht wesentlich verringert;
• Reduktionen von CO₂-Emissionen in der Größenordnung von rund 0,2 bis 0,3 Mio. t/Jahr oder, auf die Emissionen der Wärmepumpen bezogen, eine Verringerung in der Größenordnung von rund 20 %;
• einer Reduktion der Abregelung von Erneuerbaren Energien in einer Größenordnung von 13 bis 18 %.“

Ein stromgeführter Betrieb von Wärmepumpen könnte außerdem dazu führen, bisher notwendige Kraftwerkskapazitäten zu reduzieren. Eine von den Autoren vorgenommene überschlägige Schätzung führt zu dem Ergebnis, dass sich volkswirtschaftliche Kosteneinsparungen zwischen 7,2 und 32,4 Mio. Euro pro Jahr erreichen ließen.

Wärmepumpen als Komponenten eines innovativen Energiemanagements
Was nun muss getan werden, um die Ergebnisse der Studie umzusetzen? Wie wegen des innovativen Ansatzes nicht anders zu erwarten, steht ein ganzes Bündel von Maßnahmen zur Realisierung an. Man brauche dazu auch die Anpassung von gesetzlichen Vorschriften und anderen Regelwerken, so die Autoren. Auf der technischen Seite halten sie vor allem den verstärkten Einsatz von bidirektionalen Kommunikationseinrichtungen für notwendig, auf die bisher eingesetzten monodirektionalen Rundsteuergeräte sollte man ihrer Meinung nach in Zukunft verzichten. Außerdem fordern sie das, was bei Innovationen immer angebracht ist, nämlich offene Standards zu schaffen und zu etablieren, um schnell zu einem marktgerechten Wettbewerb zu kommen. Das betreffe vor allem die für das Lastmanagement erforderliche Kommunikationstechnik. Forschungs- und Entwicklungsbedarf gebe es außerdem für vorausschauende Regelungstechniken, die beispielsweise den aktuellen Strompreis, Sonneneinstrahlung, Temperatur und Warmwassernutzung einbeziehen könnten.
Übrigens hat der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) schon frühzeitig auf die Notwendigkeit hingewiesen, Wärmepumpen in SmartGrids zu integrieren. Der Verband bietet Herstellern von netzfähigen Wärmepumpen unter gewissen Voraussetzungen die Möglichkeit, ein „SG Ready“-Label zu erwerben und werbewirksam an ihren Geräten anzubringen. Es wird nur in Deutschland vergeben und besitzt darüber hinaus keine Gültigkeit. Eine Übersicht über alle Wärmepumpenmodelle mit „SG Ready-Label“ ist in der Website des BWP zu finden [3].

Mehr Wärmepumpen – niedrigere Kosten und weniger CO₂-Emissionen
Welche Auswirkungen hätte eine Ausweitung des Wärmepumpenbestandes, wie im Szenarium B angenommen? „Bei einer weiteren Steigerung der Anzahl von Wärmepumpen ließe sich eine zusätzliche Reduzierung von Systemkosten, teuren Einspeisemanagement-Maßnahmen und CO₂-Emissionen erreichen“, so die Antwort der Autoren. Aus einem Vergleich der Größenordnung der Effekte in Szenario A und B sei jedoch ersichtlich, dass die zusätzlichen Nutzeffekte beim Einsatz weiterer Einheiten abnähmen. Für Kosteneinsparungen und für die Reduzierung von Abregelungen betrügen sie etwa noch bis zu zwei Dritteln der Nutzeffekte, die in der Referenzsituation festzustellen seien. In Bezug auf CO₂-Emissionen seien die Sättigungseffekte noch größer.
Diese Annahmen basierten auf Durchschnittswerten in den einzelnen Szenarien, wie die Autoren betonen. „Wir haben aber leider nicht alle technisch-möglichen Anordnungen simulieren können. Es sind aber sicher Konfigurationen zu erreichen, bei denen Gebäudetyp, Wärmepumpendaten sowie Wärme- und Warmwasserbedarf in Kombination mit einer speziell angepassten Regelungstechnik so optimal aufeinander abgestimmt seien, dass weitaus höhere Systemflexibilitäten erzielt werden könnten. Idealerweise sollte der Markt Anreize setzen, diese Kombinationen zu entdecken.“

Flexibilisierung der Stromnachfrage mit Elektrofahrzeugen und ­Pumpspeicherkraftwerken
Neben der Möglichkeit, eine höhere Flexibilisierung der Stromnachfrage durch den Einsatz von stromgeführten Wärmepumpen zu erreichen, gibt es noch ähnliche Alternativen, unter anderem die Nutzung von Elektrofahrzeugen und von Pumpspeicherkraftwerken. Einige wichtige Daten dieser Optionen im Vergleich zeigt die Tabelle 3. Die nutzbaren Effekte des stromgeführten Betriebs von Wärmepumpen nach Szenarium B entsprechen laut Studie in etwa der Anbindung eines norwegischen Pumpspeicherkraftwerks mit 1,4 GW Leistung an das deutsche Übertragungsnetz. „Die Effekte vergrößern sich, wenn die Vorrangregelung für Erneuerbare Energien unter Inkaufnahme von Kos­tensteigerungen beim Kraftwerksbetrieb auch langfristig forciert wird“, heißt es in der Studie. Die Anbindung eines norwegischen Speicherkraftwerkes einschließlich des Ausbaus des deutschen und des norwegischen Netzes erfordere jedoch erhebliche Investitionen.
Ähnlich wie Wärmepumpen können auch Elektrofahrzeuge zur Flexibilisierung der Stromnachfrage beitragen. Leider hat sich die Elektromobilität bislang noch keine nennenswerte Bedeutung erarbeiten können. Deshalb liegen auch noch keine Erfahrungsberichte, sondern nur Prognosen und Szenarien zum zukünftigen Ausbau und dem Nutzerverhalten vor. „Zur Beurteilung des systemtechnischen Nutzens von flexiblen Ladestrategien in Deutschland liegt erst eine Studie vor“, bedauern die Autoren. „Ihren Ergebnissen zufolge werden die Nutzen primär im Bereich der Regelleistungsbereitstellung gesehen und weniger in einer Optimierung des Kraftwerkseinsatzes und der Minimierung der Abregelung von Erneuerbaren Energien.“

Literatur:
[1] Ecofys/Prognos: Potenziale der Wärmepumpe zum Lastmanagement im Strommarkt und zur Netzintegration erneuerbarer Energien, beauftragt durch Bundesministerium für Wirtschaft & Technologie.
[2] Der Begriff Dargebot bezeichnet die zur Verfügung stehende Menge an Ressourcen. Dies betrifft neben fossilen auch regenerative
Energieträger wie Sonne und Wind.
[3] Adresse der BWP-Website:
https://www.waermepumpe.de

Autor: Wilhelm Wilming