Wärmepumpen und ihre Auswirkungen auf das Stromnetz: Neue Erkenntnisse für Netzausbau und Planung
Eine aktuelle Untersuchung des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE analysiert die künftige Belastung der Stromnetze durch Wärmepumpen sowie das Potenzial flexibler Betriebsweisen. Basierend auf umfangreichen Messdaten und Simulationen wurden erstmals verlässliche Tageslastprofile und Gleichzeitigkeitsfaktoren für Wärmepumpenkollektive ermittelt. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine realitätsnahe Einschätzung von Lastspitzen, insbesondere an kalten Tagen, und bilden eine solide Grundlage für den Netzausbau, energiewirtschaftliche Prozesse und die Auslegung zukünftiger Wärmepumpensysteme.
Herausforderungen durch den Ausbau von Wärmepumpen
Mit dem zunehmenden Einsatz von Wärmepumpen im Rahmen der Wärmewende steigen die Anforderungen an die Stromnetze erheblich. Für Netzbetreiber ist es daher essenziell, die Lastverläufe und Spitzenbelastungen präzise abschätzen zu können. In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und den Stadtwerken München wurden umfangreiche Messdaten ausgewertet und simulationsbasierte Analysen durchgeführt, um das tatsächliche Betriebsverhalten von Wärmepumpen über den Tagesverlauf sowie unter Extrembedingungen zu erfassen.
Methodischer Ansatz: Kombination von Messdaten und Simulationen
Die Studie basiert auf einem großen Datensatz realer Betriebsinformationen, ergänzt durch thermodynamische Simulationen und Optimierungen mit dem IEE-Modell EnergyPilot. Diese Verbindung aus empirischer Datenanalyse und Modellierung erhöht die Aussagekraft der Ergebnisse deutlich im Vergleich zu rein modellbasierten Verfahren.
Typische Betriebsmerkmale zeigen sich in den Tageslastprofilen durch morgendliche Leistungsspitzen sowie geringere Leistungsanforderungen in der Nacht und am Mittag. Neben der Außentemperatur beeinflussen vor allem der Wärmepumpentyp, der Gebäudetyp und die Dimensionierung das Betriebsverhalten. Häufig wird in der Praxis eine Überdimensionierung der Anlagen festgestellt.
Dr. Michael Krause, Projektleiter am Fraunhofer IEE, betont: „Die Analyse realer Betriebsdaten ermöglicht robustere Aussagen zur Netzbelastung als pauschale Annahmen. Charakteristische Lastverläufe entstehen insbesondere im Aggregat und lassen sich gut beschreiben.“
Gleichzeitigkeitsfaktoren und Flexibilitätsaspekte
Ein zentrales Ergebnis sind verlässliche Gleichzeitigkeitsfaktoren für verschiedene Wärmepumpentypen im unflexiblen Betrieb. Für Luft-Wasser-Wärmepumpen liegt dieser Faktor bei etwa 1,1, für Sole-Wasser-Systeme bei circa 0,8, jeweils normiert auf die elektrische Nennleistung im Hersteller-Betriebspunkt A-7/W55 beziehungsweise B0/W55. Für kleine Mehrfamilienhäuser ergeben sich Werte zwischen diesen Bereichen.
Zur praktischen Einordnung: Bei einer thermischen Heizlast von 10 Megawatt liegt die elektrische Leistungsaufnahme bei Luft-Wasser-Wärmepumpen bei rund 4 Megawatt, bei Sole-Wasser-Systemen bei etwa 2 Megawatt.
Die simulationsgestützten Analysen verdeutlichen, dass Flexibilität grundsätzlich zur Reduktion von Lastspitzen beiträgt und somit die Netzinfrastruktur entlasten kann. Gleichzeitig können strommarktbasierte Anreize die Gleichzeitigkeit erhöhen und dadurch die Netzbelastung verstärken. Nur lokal differenzierte Signale, wie dynamische Netzentgelte, ermöglichen eine gezielte Lastverschiebung.
Ohne Berücksichtigung netzdienlicher Effekte liegt der wirtschaftliche Nutzen der Flexibilisierung vor allem in Effizienzsteigerungen, während Einsparungen durch Strompreisoptimierung langfristig vergleichsweise gering ausfallen.
Norman Gerhardt, Abteilungsleiter Energiewirtschaft und Systemanalyse am Fraunhofer IEE, fasst zusammen: „Flexibilität besitzt großes Potenzial für die Systemintegration von Wärmepumpen. Für eine netzdienliche Integration ist jedoch die konsequente Verknüpfung von Marktmechanismen und Netzerfordernissen entscheidend.“
Beitrag zur integrierten Energiesystemplanung
Die Studie stellt eine belastbare Basis für zentrale energiewirtschaftliche Fragestellungen dar, darunter Netzausbauplanung, Bilanzierung, Stromeinkauf sowie die technische Auslegung von Wärmepumpensystemen. Die entwickelte Methodik ist auf weitere Stadt- und Netzgebiete übertragbar und kann zukünftig auch auf andere elektrische Lasten, insbesondere im Bereich Elektromobilität, ausgeweitet werden.
Damit leistet die Untersuchung einen Beitrag zu einer effizienteren und besser planbaren Weiterentwicklung des Energiesystems.
Weiterführende Informationen:
Fraunhofer IEE: Wärmepumpen im Stromnetz – Studie liefert neue Grundlagen für Netzausbau und Planung
