Passipedia DE

Benutzer-Werkzeuge

Webseiten-Werkzeuge

Sie befinden sich hier: Passipedia - Die Passivhaus-Wissensdatenbank » Grundlagen » Energiewirtschaft und Ökologie » Zunahme der elektrischen Last im Netz durch eine systematische Wärmepumpen-Strategie
grundlagen:energiewirtschaft_und_oekologie:zunahme_elektrische_last_durch_waermepumpen

Unterschiede

Hier werden die Unterschiede zwischen zwei Versionen angezeigt.

Link zu dieser Vergleichsansicht

Beide Seiten der vorigen RevisionVorhergehende Überarbeitung
Nächste Überarbeitung		Vorhergehende Überarbeitung
grundlagen:energiewirtschaft_und_oekologie:zunahme_elektrische_last_durch_waermepumpen [2024/02/16 18:24] – [7. Jahresenergiebedarf für Heizung und Warmwasser] wfeistgrundlagen:energiewirtschaft_und_oekologie:zunahme_elektrische_last_durch_waermepumpen [2024/05/16 10:32] (aktuell) – [2. Ermittlung der 7-Tages Wärmelast] yaling.hsiao@passiv.de
Zeile 2: Zeile 2:
 Autor: Wolfgang Feist im Januar 2024\\ \\  Autor: Wolfgang Feist im Januar 2024\\ \\ 
  
 +Hinweis: Diese Informationen sind auch in einer Video-Aufnahme verfügbar: [[https://vimeo.com/passivehouse/review/917030115/8866c03ff3:300|"Last der Wärmepumpen im deutschen Stromnetz"]].
 =====1. Einführung und Problemstellung===== =====1. Einführung und Problemstellung=====
 Für die Energiewende in Deutschland besteht unter Fachexperten weitgehende Einigkeit, dass die Wärmeversorgung für Raumwärme und Warmwasser auf Dauer nicht länger über fossile Brennstoffe gedeckt werden darf. Auf welche Wärmeerzeuger stattdessen zurückgegriffen werden soll wird jedoch noch immer heftig diskutiert. Die in der Diskussion stehenden Alternativen umfassen den Umstieg auf Nah- und Fernwärme, die Substitution von Erdöl und Erdgas auf der Primärenergieseite durch erneuerbar erzeugte Energieträger (z.B. Wasserstoff) und der vermehrte Einsatz von Biomasse. Bei etwas genauerer Betrachtung stellt sich allerdings heraus, dass keiner dieser bisher erwähnten Ansätze innerhalb von etwa 2 Jahrzehnten einen über seinen heutigen Anteil hinausgehenden zusätzlichen Beitrag von mehr als 10% des bisherigen Verbrauchs wird bereitstellen können – dies ist nicht Gegenstand dieses Artikels, aber leicht nachvollziehbar. Es bleibt der Übergang zu einer elektrischen Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser((Strategie: "Just electrify everything")); das ist eine für individuelle Gebäude seit Jahrzehnten eingeführte Technologie, die in den letzten Jahren durch die Weiterentwicklung bei den Wärmepumpen große Fortschritte gemacht hat. Eine Überschlagsrechnung zeigt indes (auch auf der Basis der in diesem Beitrag dokumentierten Zahlen), dass eine direktelektrische Wärmeerzeugung hierfür nicht in Frage kommt (zu hohe Betriebskosten aber auch sehr viel zu hohe Gesamtlast im Stromnetz). Es werden daher vor allem Wärmepumpen sein müssen, die den Hauptteil der Wärmebereitstellung in Gebäuden werden leisten müssen; wir schätzen deren Anteil auf Dauer bei etwa 70% ein. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, welche zusätzliche elektrische Last im Netz durch den Betrieb dieser Anzahl von Wärmepumpen auftritt und wie diese sinnvoll möglichst durch erneuerbare Energie gedeckt werden kann. Beides wird in diesem Beitrag anhand publizierter Lastverläufe für Strom und Erdgas behandelt und quantifiziert.\\ \\  Für die Energiewende in Deutschland besteht unter Fachexperten weitgehende Einigkeit, dass die Wärmeversorgung für Raumwärme und Warmwasser auf Dauer nicht länger über fossile Brennstoffe gedeckt werden darf. Auf welche Wärmeerzeuger stattdessen zurückgegriffen werden soll wird jedoch noch immer heftig diskutiert. Die in der Diskussion stehenden Alternativen umfassen den Umstieg auf Nah- und Fernwärme, die Substitution von Erdöl und Erdgas auf der Primärenergieseite durch erneuerbar erzeugte Energieträger (z.B. Wasserstoff) und der vermehrte Einsatz von Biomasse. Bei etwas genauerer Betrachtung stellt sich allerdings heraus, dass keiner dieser bisher erwähnten Ansätze innerhalb von etwa 2 Jahrzehnten einen über seinen heutigen Anteil hinausgehenden zusätzlichen Beitrag von mehr als 10% des bisherigen Verbrauchs wird bereitstellen können – dies ist nicht Gegenstand dieses Artikels, aber leicht nachvollziehbar. Es bleibt der Übergang zu einer elektrischen Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser((Strategie: "Just electrify everything")); das ist eine für individuelle Gebäude seit Jahrzehnten eingeführte Technologie, die in den letzten Jahren durch die Weiterentwicklung bei den Wärmepumpen große Fortschritte gemacht hat. Eine Überschlagsrechnung zeigt indes (auch auf der Basis der in diesem Beitrag dokumentierten Zahlen), dass eine direktelektrische Wärmeerzeugung hierfür nicht in Frage kommt (zu hohe Betriebskosten aber auch sehr viel zu hohe Gesamtlast im Stromnetz). Es werden daher vor allem Wärmepumpen sein müssen, die den Hauptteil der Wärmebereitstellung in Gebäuden werden leisten müssen; wir schätzen deren Anteil auf Dauer bei etwa 70% ein. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, welche zusätzliche elektrische Last im Netz durch den Betrieb dieser Anzahl von Wärmepumpen auftritt und wie diese sinnvoll möglichst durch erneuerbare Energie gedeckt werden kann. Beides wird in diesem Beitrag anhand publizierter Lastverläufe für Strom und Erdgas behandelt und quantifiziert.\\ \\ 
-=====2. Ermittlung der 7-Tages Wärmelast===== +===== 2. Ermittlung der 7-Tages Wärmelast =====
-Der höchste 7-Tages-Durchschnittswert des Gasbezugs der Haushalts- und Gewerbekunden betrug bisher 3085 GWh/Tag, aufgetreten in der 6.Woche des Jahres 2018 (Endenergie). Das ist kein Ausreißer, es gibt weitere Wochenmittelwerte in vergleichbarer Höhe in den vergangenen 6 Jahren (Abb. 1).\\ \\   +
  
-{{ :grundlagen:energiewirtschaft_und_oekologie:p_gas_last2018_2023_hh_gewerbe_abb1a_mit_mittel.png |}}\\   +Der höchste 7-Tages-Durchschnittswert des Gasbezugs der Haushalts- und Gewerbekunden betrug bisher 3085 GWh/Tag, aufgetreten in der 6.Woche des Jahres 2018 (Endenergie). Das ist kein Ausreißer, es gibt weitere Wochenmittelwerte in vergleichbarer Höhe in den vergangenen 6 Jahren (Abb. 1).\\ 
-<sub>**//Abb. 1 Wöchentliche Verbrauchswerte an Erdgas der Haushalts-und Gewerbekunden (Grafik zitiert aus ‚Bundesnetzagentur aktuelle Gasversorgung' [BNetz 2024] am 14.01.2024 ausgewertet)// **</sub>\\ \\   +{{  .:p_gas_last2018_2023_hh_gewerbe_abb1a_mit_mittel.png  }}\\ 
-Der mittlere Endenergie-Leistungsbezug dieser Sektoren aus Erdgas lag demnach bei 128,54 GW. In den angegebenen Sektoren wird Erdgas nahezu ausschließlich für Heizung und Warmwasserbereitung verwendet. Gasherde, die von etwa 6% der Haushalte in Deutschland verwendet werden, verbrauchen mit rund 3,3 GWh/Tag nur rund 0,1% davon; der Gasverbrauch im Sektor Industriekunden enthält demgegenüber ebenfalls einen nennenswerten Anteil an Heizenergieanwendungen((vgl. dazu die Werte in Abb.5 im Anhang)), wie aus dem Jahresgang dieses Sektors erkennbar ist; dieser liegt in der Höchstlastwoche in einem Bereich von mindestens weiteren 500 GWh/Tag. Diese beiden Korrekturen (Herde und Industriesektor) nehmen wir in die hier folgende Betrachtung nicht auf, so dass durch unsere Berechnungen der Gasverbrauch für Heizung und Warmwasserbereitung insgesamt noch etwas unterschätzt wird.\\ \\  +<sub>**//Abb. 1 Wöchentliche Verbrauchswerte an Erdgas der Haushalts-und Gewerbekunden (Grafik zitiert aus ‚Bundesnetzagentur aktuelle Gasversorgung' [BNetz 2024] am 14.01.2024 ausgewertet)// ** </sub> \\ 
-Nach der Publikation ‚Energiedaten‘ [Energiedaten] teilte sich der Energiebedarf für Raumwärme und Warmwasserbereitung im Jahr 2018 wie in Tabelle 1 auf die Endenergieträger auf. Dabei stellt Erdgas einen Anteil von //f<sub>Gas</sub>// = 48,9%. In den Jahren 2019 bis 2021 blieb diese Aufteilung nahezu unverändert. Es kann davon ausgegangen werden, dass zu Zeiten hoher Wärmelast diese Aufteilung auch für eine 7-tägige Zeitperiode hinreichend genau gültig bleibt ((Vor allem zu Zeiten geringer Wärmelast könnte sich die Aufteilung unterscheiden, vor allem wenn im Sommer nur noch Trinkwarmwasser erwärmt werden muss. Da die zugehörigen Energiemengen aber im Vergleich zu denen des Gesamtjahres gering sind, ändert dies am Anteilfaktor für die bedeutenderen Phasen mit hoher Wärmelast nur sehr wenig; wie gering der Gasbezug für die Warmwasserbereitung ist, ist auch in Abb. 1 an den Werten für die Wochen im Sommer ablesbar)).\\ \\ +\\ 
 +Der mittlere Endenergie-Leistungsbezug dieser Sektoren aus Erdgas lag demnach bei 128,54 GW. In den angegebenen Sektoren wird Erdgas nahezu ausschließlich für Heizung und Warmwasserbereitung verwendet. Gasherde, die von etwa 6% der Haushalte in Deutschland verwendet werden, verbrauchen mit rund 3,3 GWh/Tag nur rund 0,1% davon; der Gasverbrauch im Sektor Industriekunden enthält demgegenüber ebenfalls einen nennenswerten Anteil an Heizenergieanwendungen((vgl. dazu die Werte in Abb.5 im Anhang)) , wie aus dem Jahresgang dieses Sektors erkennbar ist; dieser liegt in der Höchstlastwoche in einem Bereich von mindestens weiteren 500 GWh/Tag. Diese beiden Korrekturen (Herde und Industriesektor) nehmen wir in die hier folgende Betrachtung nicht auf, so dass durch unsere Berechnungen der Gasverbrauch für Heizung und Warmwasserbereitung insgesamt noch etwas unterschätzt wird.\\ 
 +\\ 
 +Nach der Publikation ‚Energiedaten‘ [Energiedaten] teilte sich der Energiebedarf für Raumwärme und Warmwasserbereitung im Jahr 2018 wie in Tabelle 1 auf die Endenergieträger auf. Dabei stellt Erdgas einen Anteil von //f<sub>Gas</sub> // = 48,9%. In den Jahren 2019 bis 2021 blieb diese Aufteilung nahezu unverändert. Es kann davon ausgegangen werden, dass zu Zeiten hoher Wärmelast diese Aufteilung auch für eine 7-tägige Zeitperiode hinreichend genau gültig bleibt ((Vor allem zu Zeiten geringer Wärmelast könnte sich die Aufteilung unterscheiden, vor allem wenn im Sommer nur noch Trinkwarmwasser erwärmt werden muss. Da die zugehörigen Energiemengen aber im Vergleich zu denen des Gesamtjahres gering sind, ändert dies am Anteilfaktor für die bedeutenderen Phasen mit hoher Wärmelast nur sehr wenig; wie gering der Gasbezug für die Warmwasserbereitung ist, ist auch in Abb. 1 an den Werten für die Wochen im Sommer ablesbar)) .\\ 
 +\\ 
 +<sub>**//Tabelle 1 Raumwärme und Warmwasser in DE im Jahr 2018; Aufteilung auf die Endenergieträger (Quelle: [Energiedaten], Systematik der AGEB)// ** </sub> \\ 
 +|Öl | 20,8%| 
 +|Gas|  48,9%| 
 +|Strom|  4,9%| 
 +|Fernwärme|  7,9%| 
 +|Kohle|  1,1%| 
 +|Erneuerbare|  16.2%| 
 +|Sonstige|  0.1%|
  
-<sub>**//Tabelle 1 Raumwärme und Warmwasser in DE im Jahr 2018; Aufteilung auf die Endenergieträger (Quelle: [Energiedaten], Systematik der AGEB)//**</sub> \\  +Erdgaskessel im Bestand in Deutschland weisen jahresmittlere Kesselwirkungsgrade für Heizung und WW-Bereitung im Winter von rund $\eta_K$ = 89,2% auf (eigene Berechnung auf Basis [Wolff 2004])((Achtung: Hier handelt es sich nicht um den Gesamtwirkungsgrad bei diesen Anwendungen, sondern allein um den Verlust durch die Wärmeerzeuger selbst (Standby, Abstrahl- und Abgasverluste). Nicht enthalten in diesem Wirkungsgrad sind die Verluste von Speicherung und Wärmeverteilung; diese sind nicht unerheblich, sie bleiben jedoch bei einer Umstellung auf Wärmepumpen in ähnlicher Höhe erhalten bzw. steigen geringfügig an, da in einigen Fällen zusätzliche Speicher erforderlich werden. In [Wolff 2004] wurde für Erdgaskessel im Bestand in Deutschland ein mittlerer Jahresnutzungsgrad bzgl. Brennwert von 86,6% im Heizfall gemessen. In diesem Bereich liegen auch Messungen des PHI. Neuere Kessel sind etwas besser, wir verwenden einen Wert von $%%\%%eta_K$ = 89,2%.)) . Die in Form von warmem Heizwasser für Raumheizung und Warmwasserbereitung an die Gebäudewärmeverteilungen gelieferte Leistung beträgt damit mindestens\\ 
-|Öl |  20,8%|  +\\ 
-|Gas |  48,9%|  +$\displaystyle {P_{H \& W} = \frac {P_{Gas}\cdot \eta_K } { f_{Gas} }\;\;\;\;\; }$\\ 
-|Strom |  4,9%|   +\\ 
-|Fernwärme |  7,9%|  +Setzen wir hier die Werte für den Gasbezug in Woche 6 des Jahres 2018, den Gasanteil dieser Versorgung und den angegebenen Kesselwirkungsgrad ein, so ergibt sich die((konservativ abgeschätzte))  höchste 7-Tages-Mittelleistung an Wärmeleistungsbedarf $P_{H \& W;7}$ für Heizung und Warmwasserbereitung in Deutschland zu mindestens\\ 
-|Kohle |  1,1%|  +\\ 
-|Erneuerbare |  16.2%|   +$P_{H \& W;7}$ = 128,54 GW $\cdot$ 0,892 / 0,489 = 234,4 GW.\\
-|Sonstige |  0.1%|\\ \\ \\ +
  
-Erdgaskessel im Bestand in Deutschland weisen jahresmittlere Kesselwirkungsgrade für Heizung und WW-Bereitung im Winter von rund $\eta_K$ = 89,2% auf (eigene Berechnung auf Basis [Wolff 2004])((Achtung: Hier handelt es sich nicht um den Gesamtwirkungsgrad bei diesen Anwendungen, sondern allein um den Verlust durch die Wärmeerzeuger selbst (Standby, Abstrahl- und Abgasverluste). Nicht enthalten in diesem Wirkungsgrad sind die Verluste von Speicherung und Wärmeverteilung; diese sind nicht unerheblich, sie bleiben jedoch bei einer Umstellung auf Wärmepumpen in ähnlicher Höhe erhalten bzw. steigen geringfügig an, da in einigen Fällen zusätzliche Speicher erforderlich werden. In [Wolff 2004] wurde für Erdgaskessel im Bestand in Deutschland ein mittlerer Jahresnutzungsgrad bzgl. Brennwert von 86,6% im Heizfall gemessen. In diesem Bereich liegen auch Messungen des PHI. Neuere Kessel sind etwas besser, wir verwenden einen Wert von $\eta_K$ = 89,2%.)). Die in Form von warmem Heizwasser für Raumheizung und Warmwasserbereitung an die Gebäudewärmeverteilungen gelieferte Leistung beträgt damit mindestens\\ \\  
-$\displaystyle {P_{H \& W} = \frac {P_{Gas}\cdot \eta_K } { f_{Gas} }\;\;\;\;\; }$\\ \\  
-Setzen wir hier die Werte für den Gasbezug in Woche 6 des Jahres 2018, den Gasanteil dieser Versorgung und den angegebenen Kesselwirkungsgrad ein, so ergibt sich die((konservativ abgeschätzte)) höchste 7-Tages-Mittelleistung an Wärmeleistungsbedarf $P_{H \& W;7}$ für Heizung und Warmwasserbereitung in Deutschland zu mindestens\\ \\  
-$P_{H \& W;7}$ = 128,54 GW $\cdot$ 0,892 / 0,489 = 234,4 GW. \\ \\  
  
 =====3. Zugehörige elektrische Last im Netz===== =====3. Zugehörige elektrische Last im Netz=====
Zeile 55: Zeile 62:
 Für die häufigeren Zeiträume mit Wärmepumpenlasten, die nicht in der Flaute liegen, soll der Strombedarf der Wärmepumpen möglichst direkt aus erneuerbarer Erzeugung kommen - dafür ist vor allem Windkraft geeignet, da in der Kernheizperiode (KHP: 23.Nov. bis 15. März) das Energie-Angebot aus PV so gering ist, dass es von anderen Anwendungen vollständig absorbiert wird. Es bedarf somit dafür der Installation zusätzlicher Windkraftanlagen. Es zeigt sich dabei, dass deren mittlere verfügbare Leistung im Winter um größenordnungsmäßig den Betrag $P_{el;HP;KHP}$ erhöht werden sollte. Das ist die mittlere elektrische Leistung, die in der Kernheizperiode von den Wärmepumpen gezogen wird. Diese ergibt sich aus dem in Abb. 1 als Mittelwert (grün) gekennzeichneten bisherigen mittleren Gasbedarf (ziemlich genau 2000 GWh/Tag oder 83,3 GW<sub>Gas</sub>) für die Anwendung Heizung und Warmwasser, wieder dividiert durch den Gasanteil und die mittlere Arbeitszahl sowie multipliziert mit dem Wirkungsgrad der Gaskessel. Gibt es weniger als diese Leistung von rund 36 GW<sub>el</sub>, dann müssen die oben eingeführten Peaker-Kraftwerke einen immer höheren Beitrag auch an der regulären Jahresarbeit für die Wärmepumpenstromversorgung leisten; das wiederum führt zu einem höheren Bedarf an dem dafür verwendeten Brennstoff, dessen Produktion mit bedeutenden zusätzlichen Verlusten verbunden ist((Größenordnungsmäßig: Es fallen dabei der Umwandlungsverlust "Power to Gas" PtG ($\eta_{PtG}$ unter 80%) und der Verlust bei der Rückverstromung (im Mittel $\eta_{peak}$ unter 50%) an.)). Eine genauere Optimierung der hierfür benötigten Leistung erlaubt das PEr-Verfahren, vgl. [PEr 2013]. Da die mittlere //Winter//verfügbarkeit der Windkraft in Deutschland etwa 36% beträgt((eigene Auswertung aus Daten in [E-Charts 2024])), ergibt sich ein Zusatzbedarf an Windkraftanlagen ausschließlich für die Wärmepumpen mit einer installierten Nennleistung  $P_{Wind}$  von\\ \\  Für die häufigeren Zeiträume mit Wärmepumpenlasten, die nicht in der Flaute liegen, soll der Strombedarf der Wärmepumpen möglichst direkt aus erneuerbarer Erzeugung kommen - dafür ist vor allem Windkraft geeignet, da in der Kernheizperiode (KHP: 23.Nov. bis 15. März) das Energie-Angebot aus PV so gering ist, dass es von anderen Anwendungen vollständig absorbiert wird. Es bedarf somit dafür der Installation zusätzlicher Windkraftanlagen. Es zeigt sich dabei, dass deren mittlere verfügbare Leistung im Winter um größenordnungsmäßig den Betrag $P_{el;HP;KHP}$ erhöht werden sollte. Das ist die mittlere elektrische Leistung, die in der Kernheizperiode von den Wärmepumpen gezogen wird. Diese ergibt sich aus dem in Abb. 1 als Mittelwert (grün) gekennzeichneten bisherigen mittleren Gasbedarf (ziemlich genau 2000 GWh/Tag oder 83,3 GW<sub>Gas</sub>) für die Anwendung Heizung und Warmwasser, wieder dividiert durch den Gasanteil und die mittlere Arbeitszahl sowie multipliziert mit dem Wirkungsgrad der Gaskessel. Gibt es weniger als diese Leistung von rund 36 GW<sub>el</sub>, dann müssen die oben eingeführten Peaker-Kraftwerke einen immer höheren Beitrag auch an der regulären Jahresarbeit für die Wärmepumpenstromversorgung leisten; das wiederum führt zu einem höheren Bedarf an dem dafür verwendeten Brennstoff, dessen Produktion mit bedeutenden zusätzlichen Verlusten verbunden ist((Größenordnungsmäßig: Es fallen dabei der Umwandlungsverlust "Power to Gas" PtG ($\eta_{PtG}$ unter 80%) und der Verlust bei der Rückverstromung (im Mittel $\eta_{peak}$ unter 50%) an.)). Eine genauere Optimierung der hierfür benötigten Leistung erlaubt das PEr-Verfahren, vgl. [PEr 2013]. Da die mittlere //Winter//verfügbarkeit der Windkraft in Deutschland etwa 36% beträgt((eigene Auswertung aus Daten in [E-Charts 2024])), ergibt sich ein Zusatzbedarf an Windkraftanlagen ausschließlich für die Wärmepumpen mit einer installierten Nennleistung  $P_{Wind}$  von\\ \\ 
 $P_{Wind} = P_{el;HP;KHP}$ / 0,36 = 36 GW$_{el}$ / 0,36 = 100 GW<sub>Inst</sub>.\\ \\  $P_{Wind} = P_{el;HP;KHP}$ / 0,36 = 36 GW$_{el}$ / 0,36 = 100 GW<sub>Inst</sub>.\\ \\ 
-Das ist das 1,45-fache der Ende 2023 insgesamt in Deutschland installierten Windkraftleistung((Onshore und Offshore; 69 GW gemäß [ISE 2024])). Diese Leistung kommt durch die Umstellung auf Wärmepumpen zu der für alle übrigen Anwendungen erforderlichen Ausbauleistung dazu. Wird der Ausbau über 25 Jahre gestreckt, so müssen zusätzlich jeweils rund 4 GW<sub>Inst</sub> Windkraftleistung in jedem Jahr installiert werden. Es besteht dann eine Überschussproduktion dieser Anlagen in Zeiten mit geringerem Wärmebedarf - diese würde nach dem PEr-Konzept für die Erzeugung von speicherfähiger Energie genutzt werden (z.B. in Form von Wasserstoff oder E-Methan). Der genaue Bedarf für diesen Zweig des künftigen Energiesystems kann durch die PEr-Methode ([Grove-Smith 2016], [PEr 2013]) ermittelt werden, daraus ergeben sich unter den hier gegebenen Randbedingungen ziemlich genau die gleichen Werte für den Installationsbedarf wie in der hier näherungswiese vorgestellten Betrachtung.\\ \\ +Das ist das 1,45-fache der Ende 2023 insgesamt in Deutschland installierten Windkraftleistung((Onshore und Offshore; 69 GW gemäß [ISE 2024])). Diese Leistung kommt durch die Umstellung auf Wärmepumpen zu der für alle übrigen Anwendungen erforderlichen Ausbauleistung dazu. Wird der Ausbau über 25 Jahre gestreckt, so müssen zusätzlich jeweils rund 4 GW<sub>Inst</sub> Windkraftleistung in jedem Jahr installiert werden. Es besteht dann eine Überschussproduktion dieser Anlagen in Zeiten mit geringerem Wärmebedarf - diese würde nach dem PEr-Konzept für die Erzeugung von speicherfähiger Energie genutzt werden (z.B. in Form von Wasserstoff oder E-Methan). Der genaue Bedarf für diesen Zweig des künftigen Energiesystems kann durch die PEr-Methode ([Grove-Smith 2016], [PEr 2013]) ermittelt werden, daraus ergeben sich unter den hier gegebenen Randbedingungen noch etwas höhere Werte für den Installationsbedarf zusätzlicher erneuerbarer Stromerzeuger wie in der hier näherungswiese vorgestellten Betrachtung.\\ \\ 
  
 =====6.Variante: Reduzierter Raumwärmebedarf===== =====6.Variante: Reduzierter Raumwärmebedarf=====
  
-Durch die konsequente Anwendung energieeffizienter Bauteilsanierung zu allen bestehenden Anlässen, z.B. einem ohnehin-Fensteraustausch, lässt sich der Heizwärmebedarf der Gebäude innerhalb des Umstellungszeitraumes von 25 Jahren um gut 50% senken [Bastian 2022]. Damit reduziert sich dann der Leistungsbedarf auch in den Heizungs-Höchstlastzeiten um gut 50%, d.h. auf nur noch rund 27,4 GW. Die Arbeitszahlen der Wärmepumpen für die Erzeugung dieser Wärme steigen durch das dabei ebenfalls abgesenkte Temperaturniveau der Heizwärmeübergabe um mindestens 15%, wodurch sich die elektrische Last nochmals auf rund 23,8 GW reduziert. Die Auskühl-Zeitkonstanten der Gebäude nehmen durch den geringeren Wärmeverlust ebenfalls zu, auch sinken die Temperaturen bei evtl. niedrigeren Heizleistungen weniger schnell und auf ein weniger tiefes Niveau ab: Diese zuletzt genannten Potentiale bringen wir aber hier quantitativ nicht zum Ansatz. Sowohl die erforderliche Backup-Leistung $P_{peak}$ als auch die zusätzlich für die Wärmepumpen zu installierende Windkraftleistung halten sich dann in einem realisierbaren Rahmen: $P_{peak}$ = 24 GW<sub>el</sub>; $P_{Wind}$ = 44 GW<sub>Inst</sub> bzw. jährliche Zusatzinstallation von rund 1,75 GW<sub>Inst</sub>/a. Auch dieser zusätzliche Installationsbedarf ist immer noch ein ehrgeiziges Ziel, er kommt zum bisher geplanten Ausbaubedarf hinzu; diese Werte erscheinen aber mit etwas Anstrengung erreichbar((An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Ausbaugeschwindigkeiten alternativer Kraftwerkskonzepte zur Windkraft keinesfalls einfacher erreichbar erscheinen. Weitere Effizienzverbesserungen an den Gebäuden sind möglich und auch technisch umsetzbar, allerdings würde das eine klare Entscheidung zur Umsetzung und das Auflegen entsprechender Programme (z.B. bzgl. Ausbildung im Handwerk) verlangen. )).\\ \\ +Durch die konsequente Anwendung energieeffizienter Bauteilsanierung zu allen bestehenden Anlässen, z.B. einem ohnehin-Fensteraustausch, lässt sich der Heizwärmebedarf der Gebäude innerhalb des Umstellungszeitraumes von 25 Jahren im Mittel um gut 50% senken [Bastian 2022]((Dazu müssen allerdings die Modernisierungen in den ausgeführten Fällen jeweils nahe am ökonomischen Optimum der energetischen Qualität liegen. Dadurch sind die Einsparungen in Fällen, in denen die Maßnahmen möglich sind und tatsächlich ausgeführt werden, im einzelnen Gebäude häufig deutlich **höher als 50%**: [Bastian 2022] zeigt, dass in den untersuchten Objekten mit optimierter Qualität die Einsparungen bei über 75% liegen. Das kompensiert für andere Objekte, die in der Zeitperiode noch nicht modernisiert werden und auch solche, deren Modernisierung durch besondere Bedingungen nicht alle technisch verfügbaren Potentiale erschließen lassen (z.B. wg. Auflagen der Denkmalpflege). Die genannten Einschränkungen bestehen real, höchstmögliche Qualität im Einzelfall ist daher wichtige Voraussetzung für eine hohe Wirksamkeit im Mittelwert über den gesamten Gebäudebestand.)). Damit reduziert sich dann der Leistungsbedarf auch in den Heizungs-Höchstlastzeiten um gut 50%, d.h. auf nur noch rund 27,4 GW. Die Arbeitszahlen der Wärmepumpen für die Erzeugung dieser Wärme steigen durch das dabei ebenfalls abgesenkte Temperaturniveau der Heizwärmeübergabe um mindestens 15%, wodurch sich die elektrische Last nochmals auf rund 23,8 GW reduziert. Die Auskühl-Zeitkonstanten der Gebäude nehmen durch den geringeren Wärmeverlust ebenfalls zu, auch sinken die Temperaturen bei evtl. niedrigeren Heizleistungen weniger schnell und auf ein weniger tiefes Niveau ab: Diese zuletzt genannten Potentiale bringen wir aber hier quantitativ nicht zum Ansatz. Sowohl die erforderliche Backup-Leistung $P_{peak}$ als auch die zusätzlich für die Wärmepumpen zu installierende Windkraftleistung halten sich dann in einem realisierbaren Rahmen: $P_{peak}$ = 24 GW<sub>el</sub>; $P_{Wind}$ = 44 GW<sub>Inst</sub> bzw. jährliche Zusatzinstallation von rund 1,75 GW<sub>Inst</sub>/a. Auch dieser zusätzliche Installationsbedarf ist immer noch ein ehrgeiziges Ziel, er kommt zum bisher geplanten Ausbaubedarf hinzu; diese Werte erscheinen aber mit etwas Anstrengung erreichbar((An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Ausbaugeschwindigkeiten alternativer Kraftwerkskonzepte zur Windkraft keinesfalls einfacher erreichbar erscheinen. Weitere Effizienzverbesserungen an den Gebäuden sind möglich und auch technisch umsetzbar, allerdings würde das eine klare Entscheidung zur Umsetzung und das Auflegen entsprechender Programme (z.B. bzgl. Ausbildung im Handwerk) verlangen. )).\\ \\ 
  
  
Zeile 69: Zeile 76:
 An anderer Stelle hatten wir beriets den gesamten Endenergieaufwand für die Anwendungen Raumheizung und Warmwasserbereitung bestimmt (siehe [[/grundlagen/analyse_zum_energieverbrauch_in_deutschland|Aufteilung des Endenergieverbrauchs in Deutschland]]). Im Jahr 2019 ergab sich dabei ein Endenergiebedarf für die Raumheizung von 26,6% und für Warmwasser von 5,3%, entsprechend An anderer Stelle hatten wir beriets den gesamten Endenergieaufwand für die Anwendungen Raumheizung und Warmwasserbereitung bestimmt (siehe [[/grundlagen/analyse_zum_energieverbrauch_in_deutschland|Aufteilung des Endenergieverbrauchs in Deutschland]]). Im Jahr 2019 ergab sich dabei ein Endenergiebedarf für die Raumheizung von 26,6% und für Warmwasser von 5,3%, entsprechend
 ^Jahreswerte ^ TWh/a ^ Anteil ^ ^Jahreswerte ^ TWh/a ^ Anteil ^
-|Endenergie 2019 insgesamt  | 2492,6  |  100%  |+|Endenergie 2019 insgesamt  |  2492,6  |  100%  |
 |davon Endenergie für Raumwärme |  662,7  |  26,6%  | |davon Endenergie für Raumwärme |  662,7  |  26,6%  |
-|sowie Endenergie für Warmwasser |  131,11  |  5,3%  | +|sowie Endenergie für Warmwasser |  131,1  |  5,3%  | 
-| <sub>Quelle dieser daten: [Energiedaten] </sub>+|  <sub>Quelle dieser Daten: [Energiedaten] </sub>  ||| \\ \\  
 +Insgesamt rund 32% des Endenergieverbrauchs in Deutschland dient der Erzeugung von Raumwärme und Warmwasser, dieser Anteil ist höher als jeder andere in der Energiebilanz, gefolgt vom Verkehr((mit rund 30%)). Diese Aufteilung der Jahresverbrauchswerte ist konsistent mit der Aufteilung des Leistungsbedarfs, die wir in den Abschnitten 1 bis 5 ermittelt haben. Wir weisen darauf hier noch einmal gesondert hin, weil in einigen Statistiken, die nicht die Energieanwendung im Fokus haben, sondern die Bereitstellung von Energieträgern, ein abweichender Eindruck erweckt wird, welcher die Raumheizung als weit weniger bedeutend erscheinen lässt: Das hat seine Ursache darin, dass z.B. die CO<sub>2</sub>-Emissionen Kraftwerken und Heizwerken zugeordnet werden, ohne dass der Anwendungszweck des dort erzeugten Stroms oder der dort erzeugten Wärme betrachtet wird. Der Verursacher für den Betrieb eines Kraftwerks oder Heizwerks ist jedoch der Strom- und Wärmebedarf der Gebäude, die daraus jeweils versorgt werden. Dies richtig einzuordnen ist bedeutend, weil nur so der Umstellungsaufwand des Energiesystems korrekt eingeschätzt werden kann.\\ \\  
 + 
 +Für eine realistisch umsetzbare Wärmewende (= Umstellung von Heizung und Warmwasserbereitung auf erneuerbare Energie) ergeben sich aus der hier dargelegten Analyse folgende Voraussetzungen\\  
 +  * Die weitgehende Umstellung auf elektrische Energie als Endenergiequelle für die Heizsysteme ist alternativlos. Die Basis dafür sind Wärmepumpen - direktelektrische Systeme haben einen weit zu hohen Leistungsbedarf. 
 +  * Der sich dadurch einstellende zusätzliche mittlere Leistungsbedarf im Stromnetz im Winter ist allerdings bedeutend. Daraus ergeben sich zwei weitere unverzichtbare Bestandteile für ein Gelingen dieser Umstellung 
 +    - Insbesondere die Windenergieerzeugung muss in deutlich höherem Umfang als bisher geplant hochgefahren werden. 
 +    - Der Wärmeleistungsbedarf der bestehenden Gebäude muss spürbar reduziert werden (mindestens um rund 50% im Durchschnitt). 
 +  
 +Die angegebene Voraussetzungen sind innerhalb eines Zeitraums von rund 20 bis 30 Jahren realistisch umsetzbar - am Ende dieses Zeitraums liegt der CO<sub>2</sub>-Ausstoß für die Raumheizung dann in der Größenordnung von Null. Die Umsetzung setzt allerdings voraus, dass alle sich jeweils bietenden Gelegenheiten der Umstellung auf Wärmepumpen (z.B. eine Ohnehin-Kesselerneuerung) und alle Anlässe zur Verbesserung des Wärmeschutzes (z.B. Neueindeckung des Daches, Auswechseln von Fenstern) genutzt werden, um die jeweils betroffenen Systeme und Komponenten mit Energieeffizienz nach dem Stand der Technik nachzurüsten. 
  
 =====Quellen===== =====Quellen=====
grundlagen/energiewirtschaft_und_oekologie/zunahme_elektrische_last_durch_waermepumpen.1708104264.txt.gz · Zuletzt geändert: 2024/02/16 18:24 von wfeist