Wärmepumpen im Kontext von Smart Grids

Intelligente Energienetze (Smart Grids) bieten neue Möglichkeiten für elektrische Wärmepumpen

Dr. Christof Wittwer, (ISE) Dipl.-Ing. Marek Miara

In Gebäuden werden derzeit noch 40 % des deutschen Endenergiebedarfs durch Heizsysteme verbraucht. Doch der Umbau des Energiesystems ist in vollem Gange: Gebäude werden effizienter und intelligenter, der Anteil erneuerbarer Energien steigt rascher als Optimisten dachten.

Neue Fragen tauchen auf: Wie stellen wir immer kleinere Wärmemengen effizient bereit?

Und neue Möglichkeiten: Die Wärmeversorgung kann zur Speicherung von regenerativem Überschussstrom beitragen. Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) untersucht die Rolle der elektrischen Wärmepumpe in beiden Feldern.

Die elektrische Wärmepumpe stellt für den Bereich der Niedrigenergiehäuser eine interessante Versorgungsoption dar, weil man auf den Gasanschluss verzichten und mit modernen Systemen einen großen Teil der Umgebungswärme nutzen kann. Hinzu kommt, dass bei der Transformation unseres heutigen Energieerzeugungssystems der Anteil an erneuerbaren Energien stetig wächst, so dass einerseits die Primärenergieeffienz im Stromnetz steigt, anderseits steuerbare Verbraucher den fluktuierenden Charakter der erneuerbaren Energien ausgleichen können. Die „intelligente Wärmepumpe“ stellt ein wichtiges Standbein im zukünftigen Smart Grid dar. Etwa 450.000 elektrische Wärmepumpen arbeiten derzeit in Deutschland für die Raumheizung. Um die Effizienz der Systeme zu gewährleisten und auch zu verbessern, ist es notwendig, die Systeme unter ökologischen, energetischen und auch ökonomischen Gesichtspunkten bewerten zu können.

Ökologische und ökonomische Effizienz von elektrischen Wärmepumpen
Das Fraunhofer ISE aus Freiburg hat in den Jahren 2006-2010 zwei große Feldtests durchgeführt und knapp 200 Wärmepumpenanlagen wissenschaftlich untersucht (Abb.1). Das Ergebnis lautet: Wer sorgfältig plant und installiert, kann die Jahresarbeitszahl 3-4 erreichen, also die Wärmeausbeute in Bezug auf den eingesetzten Strom maximieren. Die höchste technische Effizienz wird erreicht, wenn man das Erdreich als Wärmequelle nutzen kann. Einige Erkenntnisse ergaben sich aus den Feldversuchen: Je niedriger die Heizungsvorlauftemperatur, desto effizienter arbeiten die Systeme.

Daher eignen sich Fußbodenheizungen am besten. Falls dennoch günstige Radiatorenheizelemente eingesetzt werden, ist eine sorgfältige Auslegung mit großen Heizflächen vorzusehen. Die Fachkompetenz der Installateure ist ein entscheidendes Kriterium. Bei den Untersuchungen wurden viele Installationsmängel festgestellt, zum Beispiel fehlender hydraulischer Abgleich, fehlerhafte Regelung der Speicherbeladung, falsche Temperaturspreizung sowohl bei der Wärmequelle als auch bei der Wärmesenke. Einfache und robuste Anlagen arbeiten in der Regel mit der höchsten Effizienz. Komplexe Systeme erreichen in der Praxis auf Dauer oft nicht die theoretisch möglichen Werte. Im Rahmen des neuen Projekts „WP Monitor“ vermessen die Fraunhofer-Forscher gerade rund 100 Wärmepumpen minutengenau, Details findet man auf der Webseite des Fraunhofer ISE: http://wp-monitor.ise.fraunhofer.de, unter „Auswertung und Messdaten“.

Derzeit sind Wärmepumpen und ihre Steuerung ausschließlich auf die sichere Bereitstellung der thermischen Anforderungen durch Verbraucher ausgelegt. In einem zukünftigen Netz mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien könnten sie mithelfen, Angebot und Nachfrage aufeinander abzustimmen. Die Bundesregierung plant für 2020 einen Anteil regenerativ erzeugten Stroms von rund 45 % in Deutschland. Die Herausforderung liegt einerseits in dem Ausbau der Stromnetze, anderseits in der Bewältigung der Fluktuation. Da sich die Erzeugung aus Wind und Sonne nicht einfach auf den Verbrauch anpassen lässt, müssen zunehmend Speicher und regelbare Kraftwerke für den Ausgleich sorgen. […]