Sektorenkopplung und Netzstabilisierung Großwärmepumpen als Bindeglied der Energiewende

Die Energiewende erfordert mehr als den Ausbau erneuerbarer Energien. Mit dem wachsenden Anteil von Wind- und Solarstrom wird es immer wichtiger, Erzeugung, Verbrauch und Speicherung intelligent miteinander zu verbinden. So lassen sich die Schwankungen wetterabhängiger Energiequellen nicht nur ausgleichen, sondern gewinnbringend nutzen. Als Bindeglied zwischen Strom und Wärme übernehmen Großwärmepumpen dabei eine entscheidende Rolle.

Großwärmepumpen gelten als eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende, weil sie effizient klimaneutrale Fern- oder Prozesswärme erzeugen. Sie erreichen COP-Werte zwischen drei und fünf, das heißt aus einer Kilowattstunde Strom generieren sie das Drei- bis Fünffache an Wärme – und gleichzeitig nutzbare Kälte. Bei optimalen Bedingungen erhöht dies die Effizienz nochmal auf das Zwei- bis Vierfache. Als Wärmequellen eignen sich je nach Standort Meer- oder Flusswasser, Seen, gereinigte Abwässer, oberflächennahe Geothermie, Umgebungsluft oder industrielle Abwärme. So erschließen Großwärmepumpen bislang ungenutzte Energiepotenziale und machen sie für die Wärmeversorgung nutzbar.

Weniger bekannt ist ihre Fähigkeit zur Netzstabilisierung. An der Schnittstelle zwischen Wärme und Strom können Großwärmepumpen einen Beitrag dazu leisten, die volatile Einspeisung erneuerbarer Energien mit dem Strombedarf in Einklang zu bringen. Gerade in Zeiten des steigenden Ausbaus von Wind- und Solarenergie ist das besonders relevant, da ihre wetterabhängigen Schwankungen zunehmend nicht mit dem Verbrauch übereinstimmen. Wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht, kann es zu Engpässen im Netz kommen.

Großwärmepumpen als Netzstabilisator

Großwärmepumpen verbinden den Wärme- mit dem Stromsektor. "Selbst ohne Speicher ermöglicht ihr dynamisches Fahrverhalten nicht nur flexibel auf schwankende Strompreise zu reagieren, sondern auch Primärregelleistung bereitzustellen und so die Netzfrequenz stabil zu halten", erläutert Raymond Decorvet, Global Business Manager, Heat Pumps bei Everllence. In Verbindung mit einem thermischen Speichertank kann das System überschüssigen grünen Strom aus dem Netz aufnehmen, indem sie Wasser für die spätere Nutzung erwärmt oder kühlt.

Im dänischen Esbjerg ist das bereits heute gelebte Praxis. Im Hafen hat Everllence im November 2024 zwei Meerwasser-Wärmepumpen mit einer Gesamtheizleistung von 70 MW_th in Betrieb genommen. Die vom städtischen Energieversorger Din Forsyning betriebene Anlage liefert jährlich rund 280.000 MWh Fernwärme an rund 25.000 Haushalte. So spart sie gegenüber dem bisherigen Kohlekraftwerk CO₂-Emissionen von bis zu 120.000 t/a.

Mit einer besonders hohen Lastflexibilität wurde die Wärmepumpenanlage gezielt darauf ausgelegt, Systemdienstleistungen für das Stromnetz bereitzustellen. Grundlage dafür bilden zwei ölfreie, hermetisch gekapselte "Hofim"-Kompressoren mit Hochgeschwindigkeitsmotoren und aktiven Magnetlagern. Auf dem Everllence-Prüfstand in Zürich bewältigte ein einzelner Kompressor, der inzwischen in Esbjerg verbauten Einheiten, eine Laständerung von 7 MW_el in unter 30 s. Diese Dynamik ermöglicht es, die Anlage beliebig oft an- und auszuschalten und so an Regelenergiemärkten teilzunehmen. Der Betreiber kann damit flexibel auf Bedarfsschwankungen reagieren und die Fluktuationen im Strompreis gezielt nutzen, um zusätzliche Erlöse zu generieren.

Sektorkopplung im Großformat

In Aalborg entsteht derzeit eine noch größere Anlage mit der gleichen Technologie. Mit einer Gesamtleistung von 177 MW_th von insgesamt vier Einheiten wird die Meerwasser-Wärmepumpenanlage nach ihrer Fertigstellung jährlich rund 700.000 MWh Wärme erzeugen. Sie ersetzt das letzte Kohlekraftwerk der Stadt und soll so die CO₂-Emissionen um rund 210.000 t/a senken.

Das Beispiel zeigt ebenfalls, wie sich Strom- und Wärmesektor in einem erneuerbaren Energiesystem zunehmend verbinden lassen. Neben den vier Großwärmepumpen umfasst die Anlage vier Wärmespeicher mit einem Fassungsvermögen von insgesamt 200.000 m³ für bis zu 98 °C heißes Wasser. Ergänzt wird sie durch elektrische Boiler, die ebenfalls gezielt zur schnellen Netzstabilisierung eingesetzt werden können, wenn überschüssiger Wind- oder Solarstrom im Netz verfügbar ist.

Erneuerbare Stromüberschüsse lassen sich so flexibel in Wärme umwandeln und zeitversetzt nutzen, anstatt die Produktion zu drosseln oder den Strom zu Minustarifen abzugeben. Beide Projekte demonstrieren, dass Großwärmepumpen weit mehr sind als effiziente Wärmeerzeuger: Sie können zu einem zentralen Baustein der Sektorenkopplung werden und dazu beitragen, erneuerbare Energien besser in das Gesamtsystem zu integrieren. "Die Großprojekte in Dänemark zeigen, wie Dekarbonisierung und Systemflexibilität in einem integrierten Energiesystem zusammenwirken können", fasst Decorvet zusammen.