Neue Studie: Flexible Wärmepumpen reduzieren Netzausbau-Kosten

Während Nordlink seit April 2021 deutsche Windenergie mit norwegischer Wasserkraft austauscht, hakt es noch beim Ausbau der für die innerdeutsche Weiterleitung von Windstrom nach Süddeutschland notwendige Stromtrasse noch gewaltig. Erst im September wurde mit Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck der symbolische Baustart von SuedLink gefeiert, der von Wilster (Kreis Steinburg) und Brunsbüttel (Kreis Dithmarschen) aus Ökostrom nach Bayern und Baden-Württemberg liefern soll.

Die Kosten für den SuedLink sollen bei etwa 10 Milliarden Euro liegen. Fertigstellung soll 2028 sein. Aber es gibt immer wieder Probleme, die den Bau verzögern. Und jede Verzögerung kostet Geld. Denn schon jetzt reicht das bestehende Netz nicht aus, um den Strom in ganz Deutschland zu verteilen. Das wiederum sorgt für hohe Kosten, wenn der Strom nicht eingespeist werden kann und Windräder abgestellt und die Betreiber entschädigt werden müssen, während in Süddeutschland teure fossile Kraftwerke für Ersatz sorgen müssen. Sogar eine Aufteilung der Strompreiszone ist im Gespräch.

Der massive Ausbau der erneuerbaren Energien macht aber den Bau neuer Stromleitungen und Transformatoren auf allen Verteilnetzebenen sowie die Umrüstung bestehender Hochspannungs-Freileitungstrassen erforderlich. Ohne diese Ausbaumaßnahmen kann die Erzeugungsleistung der erneuerbaren Energien nicht vollständig genutzt werden. Hemmnisse wie Akzeptanz, Fachkräftemangel und lange Planungsprozesse führen aber zu Verzögerungen im Netzausbau. Wie kann die Energiesystemwende trotz dieser Hürden beschleunigt werden?

Die Kurzstudie des Reiner Lemoine Instituts „Analyse der Netzauswirkungen erhöhter Flexibilität von Wärmepumpen durch höhere Leistung und Wärmespeicherkapazität“ hat untersucht, welche Auswirkungen Flexibilitäten von Wärmepumpen in Kombination mit Wärmespeichern auf die Umstellung des Energiesystems haben. Denn bisherige Studien zu dem Thema netzdienliche Flexibilisierung von Wärmepumpen betrachten vor allem eine Flexibilisierung zur Überbrückung von Sperrzeiten über wenige Stunden und deren Auswirkungen auf einzelne Ortsnetze.

Wenig untersucht sind bisher aber die Potenziale, die eine größere Dimensionierung von Wärmepumpen und Wärmespeichern bieten können, um eine erhöhte Flexibilität für das Netz über einen längeren Zeithorizont bereitstellen zu können. Auch die Auswirkungen auf eine Vielzahl von Netzen mit diversen Charakteristiken sind derzeit kaum Gegenstand von Untersuchungen. Um diese Lücke zu schließen, wurde in der Kurzstudie daher der Nutzen einer Flexibilisierung von Wärmepumpen zur Reduktion von Netzausbaubedarfen in der Mittelspannung (MS) und Niederspannung (NS) in ganz Deutschland analysiert.

Das Ergebnis: In zwei modellierten Szenarien, in denen Luft-Wärmepumpen flexibel und netzdienlich eingesetzt werden, reduzieren sich die Netzausbaukosten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmespeicher vor allem dazu genutzt werden, die Wärmepumpen-Last aus Hochlastzeiten in den Morgen- und Abendstunden in Schwachlast-Zeiten in den Nachtstunden und Zeiten hoher EE-Einspeisung zu verlagern. Besonders zeigt sich dieser Effekt in Niederspannungsnetzen städtischer Netze. Dort liegt das größte Einsparpotenzial.

Damit Wärmepumpen und Wärmespeicher flexibel eingesetzt werden können, sind auch Investitionen nötig. Und die könnten sich lohnen, zeigt ein weiteres Ergebnis der Studie. Die Gesamtkosten von Netzausbau und Investitionen könnten so insgesamt sogar gesenkt werden.

Für die Studie haben die Wissenschaftler*innen drei Szenarien berechnet. Sie unterscheiden sich in der Flexibilität, die Wärmepumpen bereitstellen können. Im „No-flex“-Szenario können Wärmepumpen nicht flexibel betrieben werden. Das „Flex“-Szenario bietet eine mittlere Flexibilität und das „Flex+“-Szenario einen hohen Grad der Flexibilität.

Das günstigste Szenario ist den Berechnungen nach das „Flex“-Szenario mit mittlerer Flexibilität. Darin könnten die Netzausbaukosten um 3,7 Prozent (entspricht 1,33 Milliarden Euro) gesenkt werden.

Gleichzeitig zeigen die Modellierungen, dass die Wärmepumpen im „Flex“-Szenario aufgrund der Wärmespeicher kleiner dimensioniert werden können. Das würde die Kosten für Wärmepumpen und -speicher trotz zusätzlicher Investitionen in Wärmespeicher um 0,46 Prozent (0,51 Milliarden Euro) gegenüber dem „No-flex“-Szenario reduzieren.

Dadurch könnten durch den Einsatz von flexiblen Wärmepumpen mit Speichern insgesamt 1,84 Milliarden Euro eingespart werden – und die Verzögerung im Netzausbau teilweise kompensiert werden.

Die berechneten Szenarien sind in den Rahmen eines mittelfristigen Szenarios auf dem Weg zu einem vollständig erneuerbaren Energiesystem eingebettet. Die Daten sind mithilfe eines Open-Source-Tools entstanden und enthalten Angaben für die Sektoren Strom, Wärme, Mobilität und Gas.