Wie Wärmepumpen das Stromnetz entlasten können 

Die Elektrifizierung des Wärmesektors ist Teil des Zielbildes für eine klimaneutrale Schweiz 2050 des Bundes. Wärmepumpen werden darum künftig einen deutlich grösseren Anteil am Stromverbrauch ausmachen. 

Daten-Quelle: Bundesamt für Energie BFE Energieperspektiven 2050+

Für Energieversorger, Netzbetreiber und Gemeinden stellt sich damit eine zentrale Frage: Wie lassen sich steigende Netzlasten effizient ins Stromsystem integrieren?

Wärmepumpen als flexible Last im Stromnetz 

Die Antwort liegt in der Flexibilität. Wärmepumpen benötigen Strom, um Gebäude zu beheizen. Gleichzeitig speichern Gebäude Wärme in ihrer Bausubstanz – etwa in Wänden oder Böden. Diese sogenannte thermische Trägheit erlaubt es, die Wärmeerzeugung (und damit den Stromverbrauch) kurzfristig zu verschieben, ohne dass sich die Raumtemperatur merklich oder für die Bewohnenden verändert. Konkret bedeutet das: Der Strombedarf respektive Strombezug von Wärmepumpen kann gezielt reduziert oder erhöht werden, um das Stromnetz zu entlasten.

Eine aktuelle Studie der Hochschule Luzern – Technik & Architektur am Kompetenzzentrum Thermische Energiespeicher zeigt, wie gross dieses Potenzial ist und welche Steuerungsstrategien sich besonders eignen. 

Validiertes Modell liefert realistische Entscheidungsgrundlagen 

Die Forschenden um Dr. Curtis Meister und Prof. Dr. Philipp Schütz entwickelten ein sogenanntes Bottom-up-Modell, das Gebäude und Wärmepumpen einzeln modelliert und daraus das Verhalten ganzer Gemeinden simuliert. Grundlage sind überwiegend öffentlich verfügbare Daten zu Gebäuden, ergänzt durch Wetterdaten und typische Nutzungsprofile von Wärmepumpen. Das heisst, das entwickelte Verfahren schätzt Flexibiltätspotenziale, ohne vertrauliche Daten zu nutzen. 

Wichtig: Das Modell wurde mit realen Messdaten von 15 Gebäuden und 243 Wärmepumpen überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell typische Betriebszyklen und Temperaturverläufe realistisch abbildet. 

Drei Steuerungsstrategien im Vergleich 

Im Zentrum der Analyse stehen drei Ansätze zur flexiblen Steuerung von Wärmepumpen: 

• Blocking: Die Wärmepumpe wird für eine bestimmte Zeit komplett ausgeschaltet, um kurzfristig Strom zu sparen. 
• Setpoint-Anpassung: Die Solltemperatur im Raum wird leicht abgesenkt oder erhöht, sodass die Wärmepumpe weniger oder mehr arbeitet. 
• Selektive Steuerung: Nur ausgewählte Gebäude werden gesteuert, etwa solche mit hoher thermischer Speicherkapazität. 

Diese Strategien unterscheiden sich deutlich in ihrer Wirkung auf Netzlast, Komfort und Betrieb: 

• Blocking erzielt zwar kurzfristig die grösste Lastreduktion. Nach dem Ende der Abschaltung kommt es jedoch zu deutlichen Nachholeffekten – sogenannten Rebound-Spitzen – wenn viele Wärmepumpen gleichzeitig wieder anspringen. Zudem kann der Komfort für die Bewohnenden bei längeren Eingriffen leiden. 
• Die Setpoint-Anpassung zeigt sich deutlich robuster. Bereits eine Reduktion der Raumtemperatur um 1 °C ermöglicht sehr hohe Lastreduktionen über mehrere Stunden, stabile Raumtemperaturen innerhalb der Komfortgrenzen und deutlich geringere Rebound-Effekte.
• Durch Selektive Steuerung lassen sich grosse Teile der Last reduzieren – bei gleichzeitig hohem  Komfort. Dieser Ansatz ist besonders interessant für Verteilnetzbetreiber mit begrenzten Steuerungsmöglichkeiten und Gemeinden mit heterogenem Gebäudebestand.

«Unsere Studie zeigt, dass bereits kleine Eingriffe in die Temperatursteuerung grosse systemische Effekte erzielen können», sagt der Hauptautor der Studie Curtis Meister. «Für Netzbetreiber ist das eine gute Nachricht.» 

Das sollten Energieversorger wissen, wenn sie mit Wärmepumpen ihr Stromnetz entlasten wollen 

Die Ergebnisse der Studie liefern folgende Ansatzpunkte für die Praxis: 

• Wärmepumpen können aktiv zur Netzstabilität beitragen. Kurzfristige Lastreduktionen sind in der Breite möglich, weil Gebäude Wärme speichern. Über Zeitfenster von zwei Stunden und mehr lassen sich hohe Reduktionen erzielen, ohne Komfortverletzungen.
• Das Potenzial zur Lastsenkung (Abwärtsflexibilität) ist deutlich grösser als zur Lasterhöhung (Aufwärtsflexibilität). Wärmepumpen eignen sich daher primär zur Peak-Shaving-Anwendung, weniger zur gezielten Lastaufnahme.
• Bei kalten Temperaturen ist das absolute Flexibilitätspotenzial am höchsten. Zusätzliche Spielräume für Lastreduktionen entstehen mittags, wenn der Heizbedarf durch solare Gewinne sinkt. 
• Einfache Steuerungsstrategien sind wirksam. Kleine Anpassungen der Solltemperatur (±1 °C) erreichen grosse Lastreduktionen bei stabilen Innenraumtemperaturen und geringeren Rebound-Spitzen als komplettes Abschalten.
• Besonders geeignet sind grosse Gebäude mit hoher Heizlast und/oder Gebäude mit hoher thermischer Masse. Diese können Wärme länger speichern und reagieren langsamer auf Temperaturänderungen. Dadurch lassen sich Lasten über mehrere Stunden verschieben. Das Baujahr spielt eher keine Rolle.

Diese Potenziale können insbesondere erschlossen werden, wenn Gebäude, Wärmepumpen und Steuerungssysteme stärker vernetzt sind. «Mit dem Ausbau von Wärmepumpen wächst auch der Handlungsdruck im Stromsystem», sagt Philipp Schütz. «Wir konnten zeigen: Wärmepumpen sind nicht nur eine Herausforderung, sondern auch Teil der Lösung.»