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Lastspitzen vermeidenWärmepumpen können netzdienlich arbeiten

Einfamilienhaus mit Holzfassade, Außen-Wärmepumpe in gleicher Optik
Wärmepumpen sind besonders im Neubau das Heizsystem der Zukunft. (Foto: BWP)

Forscher des ZSW haben in einer realen Umgebung getestet, wie Wärmepumpen dazu beitragen können, Lastspitzen im Netz abzufedern. Sie wählten einen zentralen und einen dezentralen Ansatz – mit unterschiedlichen Ergebnissen.

27.10.2021 – Die Wärmepumpe ist auf dem Vormarsch: bei rund 53 Prozent aller Neubauten wird inzwischen eine Wärmepumpe installiert. Den größten Teil der Energie gewinnen die Geräte aus ihrer direkten Umwelt – der Luft oder dem Boden. Aber um die Temperatur auf das erforderliche Niveau anzuheben, benötigen Wärmepumpen Strom.

Für die Niederspannungsverteilnetze in Wohngebieten könnte dies zu einer Belastung werden. Denn wird es draußen kalt, liefern alle Wärmepumpen gleichzeitig – vor allem morgens und nachts – eine hohe Heizleistung. Entsprechend stark steigt der Strombedarf im Verteilnetz. In den Netzen und an den Transformatoren, die die Spannung im vorgelagerten Mittelspannungsnetz auf die Spannung im Verteilnetz umwandeln, treten dann höhere Lastspitzen auf. Das könnte sie überlasten.

Zehn Prozent weniger Last am Transformator

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat nun Algorithmen entwickelt, die auftretende Lastspitzen reduzieren. Getestet haben die Forschenden das neue Verfahren in Schweden – hier sind Wärmepumpen bereits stark verbreitet und die Winter besonders kalt. Das Ergebnis: Die Algorithmen helfen, Wärmepumpen effizient und netzdienlich zu betreiben. Die Belastung der Transformatoren im Verteilnetz verringerte sich um zehn Prozent.

Mit Algorithmen wurden die Wärmepumpen so gesteuert, dass sie nicht alle gleichzeitig ihre Heizlast erbrachten. „Die Herausforderung ist, am frühen Morgen und am Abend für alle ein warmes Haus bereitzustellen, ohne dass alle Wärmepumpen gleichzeitig anspringen – und das auch an Tagen mit minus zehn Grad Celsius Außentemperatur“, erklärt Jann Binder vom ZSW. „Dafür haben wir einen vorausschauenden Betrieb der Wärmepumpe entwickelt, der eine Prognose des Wärmebedarfs nutzt.“

Haus als Speicher

Bei einer absehbaren Netzbelastung schaltet sich die Wärmepumpe früher ein und läuft länger, dafür aber mit geringerer Leistung. Das Verfahren nutzt die Wärmekapazität des Hauses als Speichermedium und entlastet so das Netz. Die Forscherinnen und Forscher setzten dies wohldosiert ein, um den Wärmeverlust nicht wesentlich zu erhöhen und die entstehende Temperaturabweichung vom Sollwert in Grenzen zu halten.

Interessant dabei ist, dass die Forschenden zwei verschiedene Ansätze wählten – einen dezentralen und einen zentralen. Beim zentralen Ansatz erhielten die Wärmepumpen von einer Zentrale über virtuelle Energiepreise einen Anreiz zu einem verteilten Betrieb. Beim dezentralen Ansatz reagierten die Wärmepumpen ausschließlich individuell – auf lokal erfasste Temperaturschwankungen und Verringerungen der Netzspannung, ohne Verbindung zu einer Zentrale.

Leichter Effizienz-Vorteil beim zentralen Ansatz

Das Ziel die Trafolast um zehn Prozent zu verringern, erreichte der zentrale Ansatz um etwa drei Prozent effizienter, da er den Bedarf zum Vorheizen und die Gleichzeitigkeit des Wärmepumpenbetriebs passgenauer vermeiden konnte. Allerdings erfordert er mehr Berechnungen und Kommunikation zwischen allen Wärmepumpen und der Zentrale.

Die leicht geringere Effizienz des dezentralen Ansatzes wird durch einen Vorteil an anderer Stelle wettgemacht: Der Algorithmus braucht keine externe Kommunikationsanbindung für die Fernsteuerung der Wärmepumpen. Als Informationsquelle wird die lokal gemessene Netzspannung verwendet. Sinkt die Spannung unter einen Grenzwert, ist das ein Anzeichen für eine zu hohe Netzbelastung. In der Folge springt der Algorithmus an und moduliert die Wärmepumpenleistung. Gegenüber einer zentralen Steuerung von Wärmepumpen ohne aufwändige bidirektionale Kommunikation kann ein dezentraler Algorithmus die Fähigkeit des Hauses, Wärme zu speichern, individuell und wohl dosiert nutzen. Allemal besser als eine komplette Abschaltung wegen Netzengpässen. pf

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