Wärmepumpen vs. erneuerbare Energien – ein Dilemma für Deutschlands Weg aus dem Gas

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Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern hat die Hypothese aufgestellt, dass Wärmepumpen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, eine der schnellsten Möglichkeiten sind, Deutschlands Importe von russischem Gas zu reduzieren. Um die Theorie zu testen, untersuchten sie, ob mehr Gas durch den Ersatz von Gaskesseln durch Wärmepumpen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, ersetzt werden kann. Außerdem wurde der Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien zur Reduzierung der Laststunden bestehender Gaskraftwerke untersucht.

Ihre Ergebnisse haben sie in „Replacing gas boilers with heat pumps is the fastest way to cut German gas consumption“ veröffentlicht, das kürzlich in Nature Communications Earth & Environment erschienen ist. Die Untersuchung stützt sich auf einen Vergleich der Leistungszahl (COP) von Wärmepumpen mit dem Wirkungsgrad von Gaskraftwerken. Die Leistungszahl ist definiert als die von der Wärmepumpe bewegte Wärmemenge, geteilt durch die für ihren Betrieb erforderliche elektrische Leistung. Als Referenz dienten den Wissenschaftlern die Wirkungsgrade von Gas- und Dampfturbinen, die in Deutschland den größten Teil des Stroms auf Gasbasis liefern.

„Ihr durchschnittlicher Jahreswirkungsgrad im Jahr 2020 ist das Verhältnis zwischen ihrer Stromerzeugung, die 95,0 Terawattstunden betrug, und dem verbrauchten Gas, das 171,4 Terawattstunden betrug, was 55 Prozent ergibt“, so die Wissenschaftler. „Um die Netzverluste zu berücksichtigen, senken wir diesen Wert auf 50 Prozent.“

Für industrielle Wärmepumpen, die in der Chemie-, Papier- und Verarbeitungsindustrie eingesetzt werden, wurde ein COP von 2 angenommen. Für die Raumheizung in Wohngebäuden wurde der COP einer „häufig verkauften“ Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet: die GMLW 14 PLUS des deutschen Heizungsherstellers Ochsner. Ihr COP schwankt zwischen 3,4 und 5,3 für die Erwärmung von Wasser auf 35 Grad Celsius. Für die Erwärmung von Wasser auf 50 respektive 60 Grad Celsius liegt der COP laut Datenblatt des Produkts bei 3,1 und 2,8. Die Wissenschaftler gingen von einem durchschnittlichen COP von 2,5 für Warmwasser aus.

Sie modellierten das deutsche Stromsystem anhand der stündlichen Erzeugungsdaten aller beteiligten Kraftwerke, Windparks, dezentralen Photovoltaik-Anlagen und Speicherkapazitäten im Jahr 2020 – als Referenzjahr. Um die Stromerzeugung in naher Zukunft zu modellieren, berücksichtigten sie den Zubau von Photovoltaik sowie Onshore- und Offshore-Windkraft, entsprechend den Vorgaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. Sie gingen davon aus, dass Deutschland einen ausreichenden Netzausbau vornehmen würde, um diesen politisch gewollten Zubau zu bewältigen.

Das Modell umfasst vier Szenarien: ein „Business-as-usual“-Szenario, ein „beschleunigtes“ Szenario sowie ein „schnelles“ und „sehr schnelles“ Szenario. Die Ergebnisse zeigen, dass zwischen 2022 und 2024 neue Photovoltaik- und Windkapazitäten die Laststunden von Gaskraftwerken weitgehend reduzieren.

„Unsere stündlich aufgelöste Modellierung zeigt, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass es in diesen ersten Jahren viele Stunden gibt, in denen die Sonne scheint und/oder der Wind weht, aber nicht genügend Windparks und Photovoltaik-Anlagen installiert werden, um die Netznachfrage vollständig zu decken“, so die Forscher.

In den Szenarien „schnell“ und „sehr schnell“ nehmen Wärmepumpen jedoch von 2024 bis 2030 den größten Teil des neu hinzukommenden erneuerbaren Stroms auf. Sie seien der schnellste Weg, die Gasimporte in Deutschland zu reduzieren, so die Wissenschaftler.

Das „sehr schnelle“ Szenario zeigt eine Gaseinsparung von etwa 30 Prozent bis 2025. Das entspricht 290 Terawattstunden oder 28 Milliarden Kubikmetern, wenn man bedenkt, dass Deutschland im Jahr 2020 insgesamt 971 Terawattstunden Gas importierte.

„Wenn man bedenkt, dass im Jahr 2020 etwa 50 Prozent des Gases aus Russland importiert wurde, kann das sehr schnelle Szenario bis 2025 etwa 60 Prozent dieses Gases einsparen“, so die Autoren. Die Szenarien „schnell“, „beschleunigt“ und „Fahrplan für Installateure“ erzielen bis 2025 Gaseinsparungen von insgesamt etwa 22, 18 und 15 Prozent. „Die hier für Deutschland entwickelten Szenarien müssen entsprechend an die Gegebenheiten in anderen Ländern angepasst werden, bieten aber klare, greifbare Wege, um die Preisvolatilität und die Versorgungsrisiken von fossilem Gas zu reduzieren“, so die Wissenschaftler abschließend.

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