Die Sektorenkopplung gilt heute als Schlüsselkonzept für den Weg in eine klimaneutrale Zukunft. Das Ziel ist dabei, die klimaneutrale Elektrizität aus dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien auch außerhalb der Stromnetze nutzbar zu machen und so die Emissionen anderer Sektoren zu senken. Insbesondere die Wärme- und Kälteerzeugung birgt diesbezüglich ein großes Potenzial: Mehr als 50 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs und 40 Prozent der CO2-Emissionen entfallen auf Wärme und Kälte, deren Erzeugung noch mehrheitlich auf fossilen Brennstoffen basiert. Während der Energiesektor seine Emissionen kontinuierlich senkt, ist beim Wärme- und Kältesektor noch keine Trendwende erkennbar. Mit Blick auf die Klimaziele bis 2050, die sowohl von der EU als auch von Deutschland erreicht werden müssen, besteht in diesem Bereich daher ein dringender Aufholbedarf.
Wärmepumpen zur Dekarbonisierung
Vor allem der Gebäudesektor ist emissionsintensiv – 30 Prozent des deutschen CO2-Ausstoßes entsteht hier. Um gegenzusteuern, hat die Bundesregierung ein ambitioniertes Ziel festgesetzt: Der Gebäudebereich in Deutschland soll seine CO2-Emissionen von 119 Millionen auf 72 Millionen Tonnen bis ins Jahr 2030 reduzieren. Eine wichtige Technologie im Rahmen einer erfolgreichen Dekarbonisierung der Wärmeversorgung stellen Wärmepumpen dar. Diese sind effizient, denn sie nutzen die Umgebungswärme in Luft, Wasser oder Erde zur Gewinnung von Heizenergie. Zudem erzeugen sie im Verbund mit erneuerbarem Strom keine Emissionen, wodurch die Wärmeversorgung vollständig klimaneutral ist.
Diese Vorteile sind offensichtlich nicht unbemerkt geblieben: Gemäß den Absatzzahlen des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) und des Bundesverbands der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) sind die Installationen von Wärmepumpen in 2020 in Deutschland rasant angestiegen. Demnach wurden letztes Jahr insgesamt 120.000 Heizungswärmepumpen neu installiert – das sind 49 Prozent mehr als im Vorjahr. Beinahe ein Viertel davon ersetzen alte fossile Heizsysteme. In anderen europäischen Ländern verbreitet sich die Wärmepumpentechnologie sogar noch schneller: Vor allem in den skandinavischen Ländern sind sie sehr beliebt, wo der Strom bereits jetzt mehrheitlich durch klimafreundliche erneuerbare Wind- und Wasserkraft erzeugt wird.
Viel Potenzial in der Industrie
Der Einsatz von Wärmepumpen bleibt jedoch noch weitgehend auf den privaten Sektor beschränkt. Das Potenzial der Technologie in der Großanwendung, etwa zur Dekarboniserung von Fernwärmenetzen oder zur Versorgung industrieller Prozesse mit Wärme und Kälte, bleibt bislang unausgeschöpft. Das betont auch Thomas Nowak, Generalsekretär der European Heatpump Association (EHPA): „Mit der Wärmepumpentechnologie bieten wir eine Lösung, deren maximales Potenzial weithin noch nicht erkannt wird.“ Fakt ist, dass die Anwendungsmöglichkeiten für die Technologie bestehen. Gemäß einer kürzlich veröffentlichten Studie von Agora Energiewende können 40 Prozent des heutigen industriellen Erdgasverbrauchs in der EU auf Wärmeanwendungen im Temperaturbereich von unter 100°C zurückgeführt werden, was in den Einsatzbereich von Wärmepumpen fällt. Die gute Nachricht ist, dass innovative Wärmepumpenlösungen für Großanwendungen bereits existieren und einsatzbereit sind.
Modulare Sektorenkopplung
MAN Energy Solutions hat vor drei Jahren gemeinsam mit ABB das Energiemanagement-System MAN ETES (Electro-Thermal Energy Storage) vorgestellt. Die modulare Sektorenkopplungsanlage eignet sich besonders gut für Anwendungen mit erheblichem Wärme- oder Kälteverbrauch. Die Technologie arbeitet nach dem Wärmepumpen-Prinzip, ähnlich einem herkömmlichen Kühlschrank: Ein Kältemittel, in diesem Fall CO2, wird mittels Druckerhöhung (Komprimierung) erhitzt und anschließend wieder abgekühlt (Expansion). Dazu nutzt das System erneuerbare Energie. Die freigesetzte Wärme und Kälte kann in isolierten Reservoirs gespeichert werden und dann parallel zum Ladeprozess bedarfs- und margenabhängig an die Nutzer abgegeben werden. Einzigartig an ETES ist vor allem, dass der elektrothermische Prozess es erlaubt, die gespeicherte Wärme und Kälte auch wieder in Strom zurück zu wandeln. Der COP („Coefficient of Performance“) des Gesamtsystems ist >6 und liegt damit im Bereich konventioneller Wärmepumpen.
Raymond C. Decorvet, Senior Account Executive, MAN ETES Business Development, bei MAN Energy Solutions, hebt die wichtigste Technologieeigenschaft hervor: „ETES kann als Energiespeicher und Wärmepumpe zugleich eingesetzt werden und diese Nutzungsvielfalt und Flexibilität bietet derzeit kein anderes System im Markt. Unsere Technologie arbeitet als ganzheitliches Energiemanagement-System, in dem Strom, Wärme und Kälte Teil derselben Lösung sind und schlägt so die Sektorenbrücke zwischen Strom- und Wärmeversorgungsmarkt. Mit diesem Ansatz überwinden wir das „Strom-rein, Strom-raus“-Prinzip und brechen das bestehende Silo-Denken der Branche auf. Diese Vernetzung der verschiedenen Sektoren ist eine Grundvoraussetzung, um ohne Umwege den großen Durchbruch auf dem Weg zur Dekarbonisierung zu erreichen.“
ETES verlässt das theoretische Terrain
Eine Wärmepumpenvariante der Technologielösung ohne Rückverstromungsfunktion, namens ETES Heat Pump System, wird in rund zwei Jahren in der dänischen Hafenstadt Esbjerg den Betrieb aufnehmen. Die neue ETES Heat Pump-Fernwärmeanlage mit einer Gesamtheizleistung von 50 MW wird die rund 100.000 Einwohner von Esbjerg mit rund 235.000 MWh Wärme versorgen. Zusammen mit anderen Technologien wird ETES somit das bestehende Kohlekraftwerk ersetzen, welches heute etwa die Hälfte der Fernwärme für die Stadt bereitstellt und bis April 2023 stillgelegt werden muss.
Die Lage am Hafen von Esbjerg erlaubt den Einsatz von erneuerbarem Strom aus nahen Windkraftanlagen sowie die Verwendung von Meerwasser als Wärmequelle zur Gewinnung von Heizenergie. Dies wird die Wirtschaftlichkeit der Wärmeproduktion vorteilhaft beeinflussen und den Bedarf fossiler Kraftwerke weiter reduzieren. Zudem ermöglicht die Betriebsflexibilität der Wärmepumpenlösung sehr kurzfristige elektrische Ausgleichsleistungen zu erbringen und somit das Netzgleichgewicht aufrecht zu halten. Der Bürgermeister von Esbjerg, Jesper Frost Rasmussen, erklärt die Anschaffung der umweltfreundlichen Technologie wie folgt: „Esbjerg durchläuft in diesen Jahren einen großen Wandel und ist auf dem Weg zu einer weltweit führenden Position als grüne Stadt. Wir verfolgen das ehrgeizige Ziel, bis 2030 kohlenstoffneutral zu werden. Die neue Wärmepumpenlösung wird ein wichtiges Element sein, um dies zu erreichen.“
Größte CO2-basierte Wärmepumpe
Beim Esbjerg-Projekt wird es sich um die weltweit größte auf CO2 basierende Wärmepumpen-Anlage handeln, die je gebaut wurde. Die Nutzung von toxikologisch und umweltverträglichem CO2 als Kältemittel des gesamten Systemkreislaufs ist ein Alleinstellungsmerkmal des ETES Heat Pump Systems. Andere große Wärmepumpen im heutigen Markt setzen synthetische Kältemittel ein, welche im Vergleich eine signifikant schlechtere Umweltbilanz aufweisen.
Die gesamtheitliche Energiemanagement-Version von MAN ETES mit Speicher- und Rückverstromungsmöglichkeit ist hinsichtlich der Anwendungsgebiete sehr flexibel. Im Bereich der produzierenden Industrie sind speziell Wärme- und Kälteanwendungen im Temperaturbereich von 0°C bis etwa 150°C interessant. Deshalb sind die Technologieeigenschaften von ETES insbesondere für urbane Regionen mit einer großen industriellen Basis hochrelevant.
Durch den hohen Energiebedarf eines starken Industriesektors und den geplanten Ausstieg aus der Kohleverstromung gehört Nordrhein-Westfalen dazu. Das Bundesland unterstützt mit einer Fördersumme von 200.000 Euro den von der RWTH Aachen koordinierten Forschungsverbund, der anhand einer Evaluationsstudie die Implementierung der MAN ETES Technologie in NRW prüft. Die Studie soll die notwendigen Voraussetzungen für den Bau einer Forschungsanlage im Raum Aachen untersuchen. Dazu sollen die Anforderungen der Verbraucher, die energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen sowie der Flächenbedarf ermittelt werden. Geplant ist ein elektrothermischer Stromspeicher mit einer Leistung von bis zu 7 MW.
