Wie Wärmepumpen das Stromnetz schonen

Insgesamt entfallen derzeit 58 Prozent des deutschen Energieverbrauchs auf den Wärmesektor. Davon werden wiederum fast die Hälfte für das Beheizen von Räumen und rund 40 Prozent für heiße Industrieprozesse benötigt. Wolle man diese riesigen Mengen an Wärme künftig mit elektrischem Strom erzeugen, müsse vor allem das Stromnetz in den Städten und Gemeinden – das Niederspannungsnetz – weiter ausgebaut werden, sagt Christine Kühnel, Ingenieurin und Co-Geschäftsführerin des Berliner Reiner-Lemoine-Instituts. „Die Herausforderung bei der Raumheizung besteht unter anderem darin, dass Wärmepumpen heutzutage in der Regel im selben Augenblick anspringen, wenn es kalt wird. Da werden dann auf einen Schlag große Mengen an elektrischem Strom benötigt.“ Hinzu kämen mehr und mehr Elektroautos, die den Strombedarf in den Städten und Gemeinden ebenfalls erhöhten. Dafür sind die Stromleitungen nicht ausgelegt, stellt Kühnel fest. „Für die kommenden Jahre muss das Niederspannungsnetz daher für Wärmepumpen und Elektroautos ausgebaut werden. Nach unterschiedlichen Schätzungen dürften sich die Kosten dafür auf 2 bis 39 Milliarden Euro belaufen.“

Netzdienlichkeit als Anforderung

Um diesen Ausbau in Grenzen zu halten, sollen Wärmepumpen künftig so gesteuert werden, dass sie das Stromnetz entlasten. So schreibt die Bundesnetzagentur seit dem 1. Januar 2024 vor, neue Wärmepumpen so anzuschließen, dass sie „netzdienlich“ sind: Netzbetreiber dürfen sie bei Bedarf herunterfahren, um das Stromnetz zu stabilisieren. Um zu verhindern, dass das Stromnetz an einem kalten Tag durch den zeitgleichen Betrieb vieler Wärmepumpen überlastet wird, könnten einzelne Geräte gezielt für kurze Zeit gedrosselt werden. Die Experten vom Reiner-Lemoine-Institut haben in einer Studie ausgerechnet, was sich damit – auf einen Durchschnittshaushalt umgerechnet – erreichen ließe: Stattet man Wärmepumpen mit einem 600 Liter fassenden Wassertank aus, der die Wärme speichert und bei Bedarf abgeben kann, ließen sich die Wärmepumpen bis zu zwei Stunden lang abschalten, ohne dass es in den Häusern kalt wird.

Allerdings sind das Durchschnittswerte, betont Kühnel. Im Einzelfall hinge es von der Außentemperatur sowie der Dämmung eines Hauses ab, ob und wie lange eine Wärmepumpe abgeschaltet bleiben könne. Erschwerend kommt hinzu, dass nicht jeder Haushalt den nötigen Platz für einen 600-Liter-Tank hat. Für viele ist bei 250 bis 300 Litern Schluss. In welchem Maß der deutsche Wärmepumpenpark künftig zur Stabilität des Stromnetzes beitragen kann, lässt sich derzeit also kaum abschätzen. Dennoch hält der Energieexperte Carsten Agert, Direktor am Institut für Vernetzte Energiesysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oldenburg, die flexible Steuerung der Wärmepumpen für absolut sinnvoll. „Ein Grund dafür ist, dass sich dadurch finanzielle Vorteile für die Stromkunden ergeben“, erklärt er.

Wenn beispielsweise Windstrom in großen Mengen zur Verfügung steht und der Strompreis niedrig ist, lohnt es sich, die Wärmepumpen hochzufahren, um Geld zu sparen. Dagegen stehe bislang allerdings das Interesse der Netzbetreiber, die Leitungen zu Starkwindzeiten nicht zu überlasten. „Hier müssen für die Zukunft noch gute Kompromisse und technische Lösungen gefunden werden“, meint Agert.

Eine flexible Steuerung der Wärmepumpen sei für Stromkunden auch interessant, weil sie damit in den Genuss flexibler Stromtarife kämen. So lässt sich eine Wärmepumpe schon heute nach dem aktuellen Strompreis fahren, sodass die Kunden zu Niedrigpreiszeiten Strom verbrauchen. Das geht besonders gut, wenn man die Wärmepumpe mit einem kleinen Stromspeicher kombiniert, der sie kurzfristig versorgen kann. „Mehrere Energieversorger und Stromhändler bieten Privatkunden bereits solche flexiblen Tarife an“, berichtet Carsten Agert.

Weniger Batteriespeicher nötig

Ein flexibler Wärmepumpenpark könnte künftig dazu beitragen, den Bedarf an neuer Stromnetz-Infrastruktur zu verringern – nicht nur im Hinblick auf Stromleitungen, sondern auch beim Bau von riesigen und kostspieligen Batteriespeichern, die an sonnigen oder sehr windigen Tagen überschüssigen Solar- oder Windstrom aufnehmen sollen. „Wenn Wärmepumpen tatsächlich flächendeckend zum Einsatz kommen, könnten sie die Schwankungen im Netz ein Stück weit abfedern.“ Experten gehen davon aus, dass sich auf diese Weise der Bedarf an teuren Batteriespeichern verringern lässt.“

Doch eine flexible Fahrweise der Wärmepumpen allein wird es nicht richten. Denn nach Schätzungen des Bundeswirtschaftsministeriums wird sich der Bedarf an elektrischem Strom in Deutschland bis 2045 nahezu verdoppeln – durch die elektrifizierte Wärmeproduktion in den Haushalten und in der Industrie sowie durch die Elektroautos. Und dafür wird man das Stromnetz unbedingt ausbauen müssen. Die Frage ist nur, wie umfassend dieser Ausbau am Ende sein muss. Was die Wärme angeht, sind vor allem Großwärmepumpen wie jene in Mannheim eine Option, weil eine einzige solche Anlage eine große Zahl von Kunden versorgt.

Das Konzept: Statt in Wohngebieten Tausende kleiner Wärmepumpen in den Häusern zu installieren und damit das Niederspannungsnetz in die Knie zu zwingen, errichtet man eine einzige große Anlage, die zugleich Tausende von Haushalten bedient. Weil Großwärmepumpen mit dem Mittelspannungsnetz verknüpft sind, wird das Niederspannungsnetz vor Ort entlastet. Damit verringert sich der Aufwand für den Ausbau des Stromnetzes drastisch. Der Ausbau von Nah- und Fernwärmenetzen mit Wärmepumpenbetrieb ist daher inzwischen für viele Stadtwerke eine interessante Option.

Allerdings gibt es in Deutschland bisher nur ein paar Dutzend Großwärmepumpen. Es ist also noch einiges zu tun. Inzwischen hat das Bundeswirtschaftsministerium das Potenzial erkannt und die Fördermaßnahme „Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen“ aufgelegt, mit der in Mannheim, Berlin, Rosenheim und Stuttgart erste Großwärmepumpen aufgebaut werden, um die Technik in der Praxis zu testen. Mannheim sticht dabei heraus, weil die Wärme aus dem Fluss kommt. Mit seinen fünf Grad ist das Wasser des Rheins im Winter deutlich wärmer als die Luft. Für die Effizienz der Wärmepumpen ist das entscheidend. In den Geräten wird ein Kältemittel durch die Umgebungswärme verdampft und dann in einem Verdichter komprimiert, wodurch es sich weiter erhitzt. Je wärmer die Umgebung ist, desto wärmer ist auch das Kältemittel – und desto weniger Arbeit muss der Verdichter leisten. Die Folge: Der Stromverbrauch sinkt.

Viele Wärmepumpen entnehmen die Wärme aus der Umgebungsluft, die im Winter an manchen Tagen frostig kalt ist. Effizienter sind Erdwärmepumpen, die das Kältemittel über Schläuche im Boden aufwärmen. Die Großwärmepumpe in Mannheim nutzt – als eine der größten ihrer Art in Europa – das vergleichsweise warme Rheinwasser. Noch weiter geht der Energieexperte Holger Born von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG in Bochum. Er setzt auf Erdwärme – auf Geothermie. Über Bohrungen wird dazu warmes Wasser aus dem Erdinneren gefördert, um damit die Wärmepumpen zu betreiben. Das lohnt sich, weil der Untergrund bereits in 20 Meter Tiefe ungefähr zehn Grad Celsius warm ist. Pro 100 Meter Tiefe wird es um weitere drei Grad wärmer.

Erdwärme ohne Umweg nutzen

Natürlich lässt sich Erdwärme auch direkt, ohne den Umweg über eine Wärmepumpe nutzen. Doch sind dafür Bohrungen bis in mehr als 2.000 Meter Tiefe erforderlich, um Horizonte mit einer Temperatur von rund 60 Grad Celsius zu erreichen. Solche Bohrungen sind sehr teuer. Holger Born setzt daher auf die flache Geothermie. Diese reicht nur bis etwa 400 Meter hinab, wo Temperaturen von knapp 20 Grad Celsius herrschen – eine ideale Bedingung für den effizienten Betrieb von Wärmepumpen.

In einem aktuellen Projekt zusammen mit vier Stadtwerken entwickelt Holger Born Konzepte, um mehrere Stadtquartiere mit Geothermie und Wärmepumpe zu versorgen – darunter Wohnblöcke aus den 1950er-Jahren, unsanierte, dreigeschossige Gebäude aus der Vorkriegszeit sowie Einfamilienhaus-Siedlungen. „Unsere Potenzialabschätzungen zeigen, dass sich die Kombination von Erdwärme und Wärmepumpen über die Jahre in allen Fällen lohnt“, sagt Born. „Nur die technische Umsetzung ist jedes Mal ein wenig anders.“

Sinnvoll könne zum Beispiel eine Kombination mit Solarwärme-Kollektoren sein. Liefern die Kollektoren an sonnigen Tagen sehr heißes Wasser, kann dieses direkt in die Warmwasserleitungen der Häuser eingespeist werden. Ist die Temperatur geringer, kann die Wärme im Untergrund gespeichert werden, um sie dann im nächsten Winter zu nutzen. Holger Born und sein Team arbeiten außerdem daran, künftig das warme Wasser aus den gefluteten Bergwerksstollen im Ruhrgebiet für Wärmepumpen zu nutzen.

Während Holger Born vor allem Gebäude im Blick hat, beschäftigt sich sein Kollege Fabian Ahrendts mit der Frage, wie sich Wärmepumpen in der Industrie und für die Fernwärme etablieren lassen. Immerhin verzehren industrielle Prozesse rund 40 Prozent der deutschlandweit für das Erzeugen von Wärme benötigten Energie. Da zahlreiche Prozesse bei hohen Temperaturen jenseits von 100 oder 200 Grad Celsius ablaufen, ist es dort noch wichtiger, Wärmepumpen mit möglichst hohen Vorlauftemperaturen zu speisen. „In der Industrie fällt an vielen Punkten Abwärme an, die sich sehr gut nutzen lässt – bisher aber kaum als Rohstoff betrachtet wird“, sagt Ahrendts.

Industrielle Abwärme nutzen

Ein Beispiel dafür bietet die Lebensmittelindustrie: Dort wird Heißdampf zum Pasteurisieren genutzt. Die Abwärme der Behälter, die beim anschließenden Kühlen frei wird, ließe sich als Energie für Wärmepumpen nutzen. Viel diskutiert wird unter den Experten auch, die Abwärme von Computer- und Datenzentren zu verwenden. Doch Ahrendts gibt zu bedenken: „Industrieprozesse laufen viele Jahre oder gar Jahrzehnte lang. Aber die Servertechnik entwickelt sich schnell weiter und wird effizienter, der Bedarf an Rechenleistung verändert sich – insofern ist unklar, wie lange Datenzentren als verlässliche Wärmelieferanten zur Verfügung stehen.“ Allerdings seien für Industrieunternehmen langfristig sichere Wärmelieferanten überaus wichtig.

Die Wärmepumpe in der Industrie zu etablieren, ist noch herausfordernder als der Umbau von Gebäuden. Ein Grund ist der technische Aufwand für die Umrüstung der bestehenden Prozesse. In vielen Industrieanlagen wird Wärme durch Heißdampf zu den Anlagen transportiert. Anderswo fließt heißes Thermoöl durch die Leitungen. Die Hersteller von Kartoffelchips beheizen damit ihre Fritteusen. Meist wird bislang Erdgas als Energiequelle genutzt. „Doch jeder Industriestandort ist ein Unikat, jede Anlage ist exakt auf den Prozess zugeschnitten. Will man auf eine Wärmepumpe umstellen, muss man die Anlagen ein Stück weit neu entwerfen“, sagt Panagiotis Stathopoulos, Entwickler am DLR-Institut für CO₂-arme Industrieprozesse in Cottbus. „Das Problem ist, dass es heute wenige Firmen gibt, die Wärmepumpen für Industrieprozesse bauen. Auch fehlt es an Beratungskompetenz.“ Bei den kleineren Wärmepumpen für Wohngebäude sei das anders. Da tummelten sich etliche Hersteller. Große Wärmepumpen wie die in Mannheim wiederum werden von großen Technologiekonzernen wie Siemens gebaut. Das Mittelfeld für kleinere Industrieanwendungen wird deutlich weniger beackert. „Hier sehe ich großen Nachholbedarf“, sagt Stathopoulos: „wirtschaftlich und technisch.“

Hinzu kommt, dass der Umstieg auf Wärmepumpen für die Industrie finanziell unattraktiv ist – zum einen, weil eine Kilowattstunde Strom heute deutlich mehr kostet als eine Kilowattstunde Erdgas, zum anderen wegen der Strompreistarife. In der Industrie richtet sich die Höhe der Netzgebühren nach der Lastspitze: dem maximalen Strombedarf der Firma während eines Jahres. Daher sind Industriebetriebe bestrebt, ihre Prozesse kontinuierlich mit möglichst geringem Stromverbrauch zu fahren. Das aber ist das Gegenteil der flexiblen Fahrweise einer Wärmepumpe, die idealerweise dem Auf und Ab des Stromangebots und -preises folgt. „Wenn wir der Wärmepumpe in der Industrie zum Durchbruch verhelfen wollen, müssen die Strompreismodelle schnellstmöglich geändert werden“, meint Panagiotis Stathopoulos.

Viele Unternehmer würden gern auf Wärmepumpen umsteigen, schreckten aber noch vor den Hindernissen zurück – teils auch vor den Dimensionen. Allerdings: „Da wird häufig falsch gerechnet“, sagt Stathopoulos. So betrachte man oft den gesamten Wärmebedarf eines Betriebsgeländes. „Dann heißt es etwa, dass 70 Megawatt Wärme nötig seien, was einer riesigen Wärmepumpe entspräche. Tatsächlich aber geht es meist um viele kleine Anlagen, die man nach und nach auf Wärmepumpen umstellen könnte.“

Das Fazit des DLR-Forschers: Während die Wärmepumpe im Wohnungsmarkt inzwischen durchgestartet ist, gibt es in der Industrie noch viel zu tun. Für Panagiotis Stathopoulos beginnt es damit, in Deutschland mehr Beratungs- und Installationskompetenz für industrielle Anlagen zu entwickeln. Für Privatleute sei es selbstverständlich, einen Energieberater zu engagieren. Doch für die Industrie müsse man lange nach kompetenten Ansprechpartnern suchen.