Wärmepumpenprofilstudie: Lastprofile von Wärmepumpenkollektiven sowie Szenarien zur Marktdurchdringung von flexiblem Betrieb

Mit dem zu erwartenden Hochlauf von Wärmepumpen und Elektromobilität im Zuge der Energiewende resultiert eine zunehmende Gesamtlast im Stromnetz, die Netzbetreiber in der Netzplanung berücksichtigen müssen. Wärmepumpen zur Raumheizung werden in ihrem Betriebsverhalten und ihrer Leistungsaufnahme vor allem durch die aktuelle Außentemperatur beeinflusst, weitere Einflussgrößen sind die Außentemperatur an vorher-gehenden Tagen sowie das Nutzerverhalten. Durch Auslegung und Steuerungsparameter können bei einzelnen Wärmepumpen zudem bei gleichen Umgebungsparametern sehr unterschiedliche Betriebszustände auftreten. Für einen Pool an Wärmepumpen liegt typischerweise eine Mittelung vor, die zu charakteristischen Tagesgängen führt.
In der Studie werden ausgehend von realen Betriebsdaten durch geeignetes Clustern die relevanten Einflussfaktoren auf das Betriebsverhalten von Wärmepumpen beschrieben. Hierauf aufbauend werden mit Hilfe von dynamischen Simulationen Tageslastgänge für verschiedene, deutschlandweit typische Standorte – Hamburg, Kassel und München – für einen Pool an Wärmepumpen in Abhängigkeit der ermittelten relevanten Einflussfaktoren ermittelt.
Als zentrales Ergebnis der Betriebsdatenanalyse zeigt sich, dass ein Großteil der in Deutschland installierten Anlagen eine Dimensionierung aufweisen, die selbst an kalten Tagen keinen/kaum Heizstab benötigen und damit monovalent betrieben werden. Für kalte Tage lässt sich aus den Messdaten vermuten, dass im Mittel über alle Anlagen an Tagen mit Außentemperaturen von -12 °C die Gebäude nur ca. 60 % der Energie benötigen, die die Wärmepumpen im Tagesmittel bereitstellen könnten. Mögliche Gründe hierfür sind:
• Sehr kalte Tage sind zumeist sonnige Tage, so dass die thermischen Lasten an diesen Tagen niedriger liegen, als bei reiner Berücksichtigung der Außentemperatur zu erwarten ist.
• Alte Heizungsanlagen waren häufig überdimensioniert, beim Austausch dieser durch Wärmepumpen wird die Leistung des alten Wärmeerzeugers oft als Richtwert herangezogen.
• Die Heizlastberechnung (zur Bestimmung der zu installierenden thermischen Leistung nach DIN EN 12381) als statisches Verfahren berücksichtigt das Nutzer-verhalten insbesondere an kalten Tagen nur ungenügend. Die im Vergleich zur theoretischen Heizlast beobachteten niedrigeren Lastspitzen deuten darauf hin, dass in der Praxis an kalten Tagen weniger gelüftet und/oder die Beheizung stärker reduziert wird als in der Norm angenommen.
Hieraus lässt sich ableiten, dass die elektrische Last installierter Wärmepumpen im Mittel über viele Anlagen an kalten Tagen niedriger ist, als es sowohl hinsichtlich ihrer installierten Leistung als auch hinsichtlich der DIN-Heizlast der zu versorgenden Gebäude zu erwarten wäre. Des Weiteren kann aus dieser Überdimensionierung abgeleitet werden, dass auch der zu erwartende Heizstabeinsatz niedriger als vermutet ist.
Das reale Nutzerverhalten lässt sich insbesondere anhand der ausgewerteten Tageslastgänge erkennen. Im Tagesverlauf zeigt sich ein stark ausgeprägter Morgenpeak beginnend um ca. 6 Uhr, bedingt durch die Wiederaufheizung nach der Nachtabsenkung und morgendliches Lüften, und ein deutlich niedriger Abendpeak um ca. 19 Uhr. In den Nachtstunden sind deutlich reduzierte elektrische Lasten zu beobachten. Die ergänzenden simulationsbasierten Untersuchungen für die Standorte Hamburg, Kassel und München zeigen, dass selbst in den Morgenstunden im Pool die elektrische Gesamtlast trotz des Einsatzes von Heizstäben niedriger als die installierte elektrische Leistung der Wärmepumpen (ohne Berücksichtigung des Heizstabes) ist.
Zusammenfassend ergeben sich damit folgende Erkenntnisse aus der durchgeführten Studie:
• Hinsichtlich der Tageslastprofile konnten morgendliche Leistungsspitzen sowie niedrige Leistungsbedarfe nachts und mittags identifiziert werden
• Relevante Einflussgrößen für den Betrieb der Wärmepumpen sind neben der Außentemperatur die Dimensionierung der Wärmepumpe sowie der Gebäude-typ. Sowohl durch gewollte als auch unbeabsichtigte überwiegend monovalente Dimensionierung werden im Tagesmittel selbst an kalten Tagen bei einem größeren Kollektiv oft nur ca. 60 % der Nennleistung erreicht.