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Welche Vorteile bieten Grosswärmepumpen – und wo liegen ihre Grenzen? In diesem Artikel wird erklärt, wie Grosswärmepumpen funktionieren und welche Rolle sie im zukünftigen grünen Energiesystem spielen.
Auch wenn sich Ausbaugeschwindigkeit und regulatorische Rahmenbedingungen von Land zu Land unterscheiden, ist die zugrunde liegende Logik dieselbe: Wärmeerzeugung mithilfe von Elektrizität sorgt für Flexibilität, ermöglicht die Dekarbonisierung und stärkt die Kopplung der Strom- und Wärmesektoren. Wie Grosswärmepumpen funktionieren, welche Vorteile sie bieten und wo ihre Grenzen liegen, wird im Folgenden erläutert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf ihrer Rolle in modernen, kohlenstoffarmen Fernwärmesystemen.
In den letzten Jahren haben sich elektrische Grosswärmepumpen und Elektrokessel in der dänischen Fernwärmeversorgung von Nischentechnologien zu etablierten Standardlösungen entwickelt. In nur einem einzigen Jahr wurden mehrere hundert Megawatt elektrizitätsbasierte Wärmeerzeugungskapazität installiert.
In Zukunft wird ein zunehmender Anteil der Fernwärme mithilfe von Grosswärmepumpen und Elektrokesseln erzeugt. Diese Entwicklung bietet Verbraucherinnen und Verbrauchern, Versorgungsunternehmen und dem gesamten Energiesystem eindeutige Vorteile. Gleichzeitig stellen diese Technologien keine Universallösungen dar – ganz im Gegenteil. Zu bestimmten Zeiten sind andere Wärmequellen weiterhin besser geeignet, wenn das Ziel eine kostengünstige, kohlenstoffarme und sichere Wärmeversorgung ist.
Der Wärmebedarf in Fernwärmesystemen wird in der Regel in Grund-, Mittel- und Spitzenlast unterteilt (Fig. 1).
Die Anlage in Sønder (Sdr.) Felding (Jütland) zum Beispiel verfügt über eine 2,5-MW-Wärmepumpe, einen 10-MW-Elektrokessel und 3000 m3 Speicherkapazität, benötigt aber an den kältesten Tagen nur bis zu 5 MW. Dies könnte wie eine Überinvestition um einen Faktor von 2,5 erscheinen, aber das ist nicht der Fall. Ein Elektrokessel ist ebenso wie der Speicher sehr kostengünstig, und die Wärmepumpe kann auf unterschiedlichen Laststufen betrieben werden. Das Fernwärmeunternehmen in Sdr. Felding ist nun in der Lage, Leistungen für das Stromnetz anzubieten und damit viele Einnahmen zu erzielen – auch dann, wenn kein unmittelbarer Wärmebedarf besteht. Diese Einnahmen führen zu sehr geringen Betriebskosten und gleichen die Summen, die auf den ersten Blick als beträchtliche Überinvestitionen erscheinen, mehr als aus.
Wärmepumpen sind technisch komplex, ihre Installation verursacht entsprechend hohe Kosten. Allerdings können sie kostengünstig betrieben werden, da sie Niedertemperaturenergie aus Luft, Meerwasser, Grundwasser, Industrieabwärme oder anderen Quellen nutzen können, die oft kostenlos zur Verfügung stehen. Als Input ist Strom erforderlich, der über die Zeit preislichen Schwankungen unterliegen kann (Fig. 2).
Aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen und der geringen Betriebskosten müssen Wärmepumpen eine hohe Betriebsstundenzahl erreichen, damit sie sich wirtschaftlich rechnen. Daher sind sie gut geeignet für Grundlast- und in manchen Systemen auch für Mittellastkraftwerke. Für die Spitzenlast sind jedoch andere Technologien kostengünstiger.
Zu Spitzenlasten kommt es nur in begrenzten Zeiträumen, sodass eine Investition in Wärmepumpen für diese wenigen Stunden oder Tage die Gesamtinvestitionskosten unnötig in die Höhe treiben würde. Aus diesem Grund ist es selten machbar oder wirtschaftlich, den gesamten Bedarf eines Fernwärmesystems ausschliesslich mit Wärmepumpen zu decken.
Grosswärmepumpen werden elektrisch betrieben und bestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten, die oft viel Platz benötigen. Dazu gehören ein Verdichter und ein System zur Extraktion der Wärme aus der ausgewählten Quelle.
Der Verdichter kann als «Herz» des Systems angesehen werden. Er ähnelt einem grossen Motor und ist für die Wärmeerzeugung zuständig. Der Verdichter wird elektrisch angetrieben und verwendet, um die Temperatur der Wärmequelle zu erhöhen.
Wärmepumpen zeichnen sich durch hohe Effizienz aus. Der typische Leistungskoeffizient (COP) von 4 bedeutet, dass für jede verbrauchte Elektrizitätseinheit vier Wärmeeinheiten von der Wärmepumpe erzeugt werden.
Viele Fernwärmeunternehmen betreiben mehrere verschiedene Erzeugungsanlagen. Wie beschrieben, erfordern einige hohe Investitionen, können aber kostengünstig betrieben werden. Andere Anlagen benötigen nur geringe Investitionen, verursachen aber hohe Betriebskosten. Durch den Einsatz verschiedener Erzeugungstechnologien werden Fernwärmeunternehmen widerstandsfähiger gegenüber den schwankenden Preisen fossiler Brennstoffe. Gleichzeitig können sie je nach Zeitpunkt verschiedene Quellen einsetzen und damit die Wärmeerzeugungskosten senken, wie etwa in der dänischen Stadt Billund.
Ein typisches Fernwärmeunternehmen verfügt daher als Teil der Wärmeerzeugung möglicherweise über eine Grosswärmepumpe, einen Elektrokessel, Solarthermie, Biomasse und andere Technologien. Sofern kostenlose Überschusswärme verfügbar ist, sollte diese als erste genutzt werden. Bei tiefen Strompreisen wird die Wärme von Wärmepumpen oder Elektrokesseln erzeugt, vorhandene Überschusswärme wird grundsätzlich immer genutzt. Fernwärmeunternehmen wechseln stündlich zwischen den einzelnen Erzeugungsanlagen, je nachdem, welche Lösung jeweils am kostengünstigsten und gleichzeitig am umweltfreundlichsten ist.
Diese Situation unterscheidet sich stark von der eines Privathaushalts, dem ausschliesslich ein Pelletkessel, ein Erdgaskessel oder eine kleine Wärmepumpe zur Verfügung steht. In diesen Fällen ist der Haushalt viel stärker von dem Preis einer einzigen Brennstoffquelle abhängig – also beispielsweise von Holzpellets, Erdgas oder Strom.
Die zunehmende Anzahl der Grosswärmepumpen und Elektrokessel in Fernwärmenetzen wirkt sich ebenfalls auf das allgemeine Energiesystem und den Investitionsbedarf in die Energieinfrastruktur aus – und zwar positiv: Da Wärmepumpen und Elektrokessel in Kombination mit Wärmespeichern flexibel betrieben werden können, werden sie genutzt, um das Elektrizitätssystem auszugleichen.
Wenn der Wind weht und die Sonne scheint, ist die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien hoch und die Strompreise sind im Allgemeinen niedrig. In solchen Zeiten können Grosswärmepumpen und Elektrokessel günstigen grünen Strom zur Wärmeerzeugung nutzen. Dies ist unabhängig davon möglich, ob ein unmittelbarer Wärmebedarf besteht, da die erzeugte Wärme in grossen Tanks gespeichert werden kann (Pufferspeicher und Akkumulatoren). Aus diesem Grund erhöhen viele Fernwärmeunternehmen derzeit ihre Speicherkapazitäten.
Da Fernwärmenetze Energie speichern können, kann der Sektor den Stromverbrauch reduzieren oder vollständig herunterfahren, wenn die Stromnachfrage und somit auch die Preise sehr hoch sind, und stattdessen auf gespeicherte Wärme zurückgreifen.
Elektrokessel sind nicht nur auf Stundenbasis relevant. Das Stromnetz wird ständig durch die schwankende Erzeugung erneuerbarer Energien aus Wind und Sonne beeinflusst. Daher muss in jeder Sekunde ein Gleichgewicht aufrechterhalten werden.
Dabei spielen Elektrokessel eine zentrale Rolle, da sie sehr schnell auf Veränderungen im Stromsystem reagieren können, indem sie je nach Bedarf an- und abgeschaltet werden. Der Ausgleich des Stromsystems ist für die nationale Versorgungssicherheit im Elektrizitätssektor von wesentlicher Bedeutung. Daher sind Elektrokessel nicht nur für das örtliche Fernwärmenetz, sondern auch für das nationale Stromnetz von Bedeutung.
Aufgrund der erwarteten Elektrifizierung der Fernwärme werden sich Fernwärmeunternehmen künftig zu den grössten Stromverbrauchern Dänemarks entwickeln – neben Rechenzentren und Power-to-X-Anlagen. Mit der Zeit werden Fernwärmeunternehmen nicht mehr Netto-Stromerzeuger durch Kraft-Wärme-Kopplung sein, sondern durch Elektrokessel und Wärmepumpen zu Netto-Verbrauchern von Strom werden. Die Gesamtkapazität von elektrischen Lösungen im Rahmen von Fernwärme wird sich fast verdreifachen.
Im Jahr 2025 erwartete die Dänische Energieagentur, dass bis 2030 Wärmepumpen mit einer Elektrizitätskapazität von insgesamt etwa 1000 MW installiert sein werden. Im Jahr 2050 wird diese Zahl bei 1500 MW liegen. Dies entspricht einer Heizkapazität von 3400 MW im Jahr 2030 und von 5100 MW im Jahr 2050. Gleichzeitig erwartet die Agentur, dass Elektrokessel mit einer Elektrizitätskapazität von insgesamt rund 3500 MW im Jahr 2030 und von mehr als 5000 MW im Jahr 2050 installiert sein werden.
Das Original dieses Artikels, Large-Scale Heat Pumps: The ABC of Electrified District Heating, erschien in der Ausgabe 1/2026 von HOT/COOL, dem internationalen Fachmagazin für Fernwärme und -kälte, das vom dänischen Fernwärmeverband DBDH herausgegeben wird: https://dbdh.org/large-scale-heat-pumps-the-abc-of-electrified-district-heating/
Weitere Informationen zur Anlage in Sdr. Felding bietet ein Podcast: https://rss.com/podcasts/dbdh/2 035 551/
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