P2H-Pot: Potentiale, Wirtschaftlichkeit und System­lösungen für Power-to-Heat

Ausgangssituation/Motivation

Um die CO2-Emissionen im Energiesektor zu senken, ist auch eine Reduktion der CO2-Emissionen in der Fernwärme-Aufbringung notwendig. Gleichzeitig wächst mit dem steigenden Anteil von fluktuierenden erneuerbaren Energien der Bedarf die Stromnachfrage zu flexibilisieren. Die Nutzung von Strom im Wärmesektor, kombiniert mit Wärmespeichern, zu Zeiten, in denen zukünftig günstiger erneuerbarer Überschussstrom verfügbar ist, (Power-to-Heat = P2H) verspricht große Potentiale, um wirtschaftlich die CO2-Emissionen in der Fernwärme zu senken und zusätzliche Flexibilität in der Stromnachfrage bereitzustellen.

Inhalte und Zielsetzungen

Das Ziel dieses Forschungsprojektes war, technische und wirtschaftliche Potentiale innovativer P2H-Systemlösungen im urbanen Raum bis 2030 und 2050 zu bestimmen und die dafür notwendigen Rahmenbedingungen zu identifizieren.

Methodische Vorgehensweise

Es wurden die österreichischen Fernwärmenetze typologisiert und einige typische Netze für die detaillierte Modellierung ausgewählt, Szenarien des Raumwärme- und Warmwasserbedarfs für Österreich mit dem Modell Invert/EE-Lab entwickelt und der sich daraus ergebende Fernwärme-Netzausbau und die Fernwärmenachfrage simuliert. Des Weiteren wurden zukünftige Änderungen in den Jahresganglinien abgeschätzt und verschiedene P2H-Systemlösungen detailliert thermodynamisch simuliert. Diese Inputs wurden dann im Energiesystem-Modell HiREPS verwendet, um die Portfolios der Fernwärmeerzeugung für die ausgewählten Netze für die Jahre 2030 und 2050 zu optimieren und so die zukünftige Rolle von P2H zu analysieren.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die simulierten Szenarien eines zukünftigen Energiesystems mit hohem Erneuerbaren Anteil und niedrigen CO2-Emissionen zeigen, dass Großwärmepumpen in der Fernwärme einen bedeutenden Marktanteil erreichen können. Der Anteil der Wärmepumpen an der Fernwärmeerzeugung liegt in den simulierten Szenarien, die von einer starken Dekarbonisierung des Energiesystems ausgehen, großteils zwischen 10 und 30 % im Jahr 2050. In den meisten Fernwärmenetzen sind Wärmepumpen auch schon im 2030 Szenario wirtschaftlich. Als Anergiequellen wurden in dieser Studie Rauchgaskondensation, Niedertemperatur-Abwärme und Geothermie betrachtet.

Wärmepumpen in Kombination mit Rauchgaskondensation erweisen sich bei größeren Biomasse-KWK- und größeren Biomasse-Heizwerken als wirtschaftliche Lösung. Auch ein hoher GuD-KWK-Anteil in der Wärmebereitstellung eines Fernwärmenetzes lässt Raum, um einen Anteil bis 35 % der Fernwärmeerzeugung 2050 mit Wärmepumpen zu erreichen. In den bisher genannten Fällen ist die Wärmeerzeugung durch Wärmepumpen meist durch die Verfügbarkeit der Anergiequellen begrenzt.

In anderen Fernwärmenetzen (Kirchdorf, Braunau, Netztyp 2 - d.h. Großstadt mit Müllverbrennungsanlage, GuD KWK, Biomasse KWK, industrieller Abwärme und weiterem Abwärmepotential) wird die Wärmeerzeugung durch Wärmepumpen limitiert durch konkurrierende Wärmeerzeuger: verfügbare direkt nutzbare Abwärmepotentiale, Geothermie oder Müllverbrennungs-KWK-Anlagen.

In Fernwärmenetzen mit Geothermieanlagen, bei denen die Geothermieleistung oder die verfügbare Temperatur aus der Geothermieanlage nicht ausreicht, sind Wärmepumpen ebenfalls eine wirtschaftliche Option. Auch wenn eine etwaige Reduktion der Besteuerung und Abgaben des Energieträgers Strom für P2H-Anlagen naturgemäß einen Effekt auf deren Wirtschaftlichkeit hat und so diese Flexibilitätsoption stärker ausgebaut werden würde, ist aus den Ergebnissen klar ersichtlich, dass andere im jeweiligen Fernwärmenetz vorhandene Gegebenheiten den Anteil der Wärmepumpen am Erzeugungsmix deutlich stärker prägen, insbesondere die verfügbare Leistung günstiger Abwärmequellen und die Konkurrenz mit direkt nutzbarer Abwärme, Geothermie und Müllverbrennungs-KWK-Anlagen. Besonders relevant sind die Steuern, Netzentgelte und Abgaben für die Marktanteile von Elektroheizkesseln in der Fernwärme. Bei den gegenwärtigen Steuersätzen und Gebühren sind Elektroheizkessel als Wärmeerzeuger in den analysierten Szenarien bis 2050 nicht wirtschaftlich. Nicht simuliert wurde dabei die Bereitstellung von Regelenergie. Hier können Elektrokessel sehr wohl wirtschaftlich sein, wie aktuelle Erfahrungen zeigen. Wärmepumpen helfen die CO2-Emissionen der Fernwärmeerzeugung zu senken und den Brennstoff- und Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Kernbaustein für eine Reduktion der CO2-Emissionen in der Fernwärme ist allerdings auch eine Steigerung der Energieeffizienz im Gebäudesektor. Wärmepumpen werden in den simulierten Szenarien im Winter großteils als Grundlast betrieben. Von April bis September tragen sie eindeutig zur Flexibilisierung der Stromnachfrage bei. Ergänzend sei vermerkt, dass laut einer aktuellen Dissertation (Rab, 2017) Wärmepumpen im Fernwärme-Erzeugungsportfolio zur Absicherung gegen langfristige Preisrisiken beitragen.