Auf Basis umfangreicher Messdaten und Simulationen haben die Forscher:innen des Fraunhofer IEE erstmals belastbare Tageslastprofile und Gleichzeitigkeitsfaktoren für Wärmepumpenkollektive abgeleitet. Die Ergebnisse sollen eine realistischere Bewertung von Lastspitzen – insbesondere an kalten Tagen schaffen. Und sie sollen eine fundierte Grundlage für Netzausbau, energiewirtschaftliche Prozesse und die Auslegung zukünftiger Wärmepumpensysteme bieten. Denn mit dem Hochlauf von Wärmepumpen im Zuge der Wärmewende steigen die Anforderungen an die Stromnetze deutlich. Für Netzbetreiber ist daher eine verlässliche Abschätzung von Lastverläufen und Lastspitzen zentral.

Messdatenbasierter Ansatz als methodischer Mehrwert

Grundlage der Untersuchung ist ein großer Pool realer Betriebsdaten, ergänzt durch thermodynamische Simulationen und Optimierungen mit dem IEE-Modell EnergyPilot. Die Kombination aus Messdatenanalyse und Modellierung soll eine hohe Aussagekraft bieten und unterscheidet sich laut Fraunhofer IEE wesentlich von rein modellbasierten Ansätzen.

Die Ergebnisse zeigen typische Betriebscharakteristika. Tageslastprofile weisen morgendliche Leistungsspitzen sowie geringere Leistungsbedarfe nachts und mittags auf. Neben der Außentemperatur beeinflussen insbesondere der Wärmepumpen- und Gebäudetyp und die Dimensionierung das Betriebsverhalten. In der Praxis zeigt sich dabei häufig eine Überdimensionierung der Anlagen. „Unsere Analysen zeigen, dass sich aus realen Betriebsdaten deutlich robustere Aussagen über die Netzbelastung ableiten lassen als aus pauschalen Annahmen. Gerade im Aggregat entstehen charakteristische und gut beschreibbare Lastverläufe“, sagt Michael Krause, Projektleiter am Fraunhofer IEE.

Gleichzeitigkeitsfaktoren und Flexibilitätswirkungen

Ein zentrales Ergebnis der Studie sind belastbare Gleichzeitigkeitsfaktoren für unterschiedliche Wärmepumpentypen im unflexiblen Betrieb: Für Luft-Wasser-Wärmepumpen liegt die Gleichzeitigkeit im Kollektiv bei rund 1,1 – für Sole-Wasser-Systeme bei etwa 0,8 (normiert auf die elektrische Nennleistung im Hersteller-Betriebspunk A-7/W55 bzw. B0/W55). Für kleine Mehrfamilienhäuser ergeben sich Werte zwischen diesen Bereichen.

Als Orientierung für die Praxis gilt: Bei einer thermischen Heizlast von 10 Megawatt beträgt die elektrische Leistungsaufnahme für Luft-Wasser-Wärmepumpen rund 4 Megawatt und für Sole-Wasser-Systeme 2 Megawatt.

Die simulationsgestützten Analysen zeigen zudem, dass Flexibilität grundsätzlich zur Reduktion von Lastspitzen und damit zur Entlastung der Netzinfrastruktur beitragen kann. Gleichzeitig können strommarktbasierte Anreize die Gleichzeitigkeit erhöhen und somit die Netzbelastung verstärken. Erst lokal differenzierte Signale – etwa dynamische Netzentgelte – ermöglichen eine gezielte Lastverschiebung. „Flexibilität bietet großes Potenzial für die Systemintegration von Wärmepumpen. Für eine netzdienliche Integration ist es jedoch entscheidend, Marktmechanismen und Netzerfordernisse konsequent zusammenzudenken“, sagt Norman Gerhardt, Abteilungsleiter Energiewirtschaft und Systemanalyse am Fraunhofer IEE.

Beitrag zur integrierten Energiesystemplanung

Die Studie liefert eine belastbare Grundlage für zentrale energiewirtschaftliche Fragestellungen – von der Netzausbauplanung über Bilanzierung und Stromeinkauf bis hin zur technischen Auslegung von Wärmepumpensystemen. Die entwickelte Methodik ist auf andere Stadt- und Netzgebiete übertragbar und man kann sie perspektivisch auf weitere elektrische Lasten, insbesondere im Bereich der Elektromobilität, ausweiten.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und die Stadtwerke München waren ebenfalls an der Studie beteiligt.

Die „Wärmepumpenstudie, Lastprofile und Gleichzeitigkeitsfaktoren von Wärmepumpenkollektiven sowie Flexibilitätseffekte“ ist unter diesem Link zu finden.

Quelle: Fraunhofer IEE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH