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Heizen oder Einspeisen: Wärmepumpe mit künstlicher Intelligenz

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Wärmepumpensysteme bieten ein großes Potenzial für das Lastmanagement in intelligenten Stromnetzen. In einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt arbeiten der Energiekonzern E.ON und der österreichische Wärmepumpenhersteller NEURA an einem neuen Regelsystem zur besseren Nutzung von dezentral erzeugtem Solarstrom. Bereits in der kommenden Heizsaison sind erste Feldtests in Bayern vorgesehen.

Wärmepumpen Hintergrund / Gastbeitrag von Dr. Hannes Jakob. 2011 wurden rund 122.000 GWh Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt. Dies entsprach 20 Prozent des gesamten Stromverbrauchs Deutschlands. Bis 2020 soll sich dieser Anteil nach Vorgaben der Bundesregierung auf mindestens 35 Prozent erhöhen. Mehr als die Hälfte davon machen die stark volatilen Energiequellen Wind und Photovoltaik aus. Der steigende Anteil regenerativen Stroms führt jedoch auch zu immer größeren Lastschwankungen im Stromnetz. Wenn der Wandel hin zu einer regenerativen Energieversorgung gelingen soll, ist es notwendig, die Netze an die neuen Herausforderungen anzupassen.

Stromnetze sind komplexe Systeme, in denen immer in etwa die Energiemenge bereit stehen muss, die gerade verbraucht wird. Ist zu wenig Strom da, drohen Ausfälle. Bei zu viel Energie im Netz kann es zu Schäden durch Überlastung kommen. Mehr als 1.000 Megawatt hat man an einem hellen Wochenendtag schon mal zuviel im Netz. Dann fehlen die Verbraucher, während hunderttausende PV-Anlagen auf Hochtouren laufen.

Neues Nutzerverhalten erfordert intelligente Netze

Die naheliegendste Lösung bei zuviel Energie im Netz wäre natürlich ein physikalischer Netzausbau. Dieser ist aber kostspielig, für die Netzbetreiber und in weiterer Folge auch für die Verbraucher. Darüber hinaus nimmt der Bau zusätzlicher Stromleitungen durch langwierige Genehmigungsverfahren auch immer mehr Zeit in Anspruch. Zeit, die man im Hinblick auf die ambitionierten Ziele nicht hat. Von den 1.834 Kilometern Leitung, die vom deutschen Gesetzgeber als vordringlich erklärt wurden, waren Ende 2011 nur 214 Kilometer tatsächlich gebaut.

Zur Bewältigung des Paradigmenwechsels von der verbrauchsorientierten Erzeugung zum teilweise erzeugungsabhängigen Verbrauch bedarf es intelligenter Netze. Diese sogenannten „smart grids“ müssen in der Lage sein, bidirektional zu arbeiten, da sich das Nutzerverhalten der Stromkunden hin zum „Prosument“ – Stromproduzent und -konsument – entwickelt hat.

Damit dieses System funktionieren kann, braucht es auf der anderen Seite allerdings auch schalt- und steuerbare Verbraucher, mit denen der Energieversorger über die smart grids „kommunizieren“ kann. So können Leistungsspitzen in der dezentralen Stromerzeugung, die durch hohe Erzeugungsleistungen bei Wind und Photovoltaik auftreten können, geglättet und eine energie- und kosteneffiziente Harmonisierung hergestellt werden.

Wärmepumpe mit „künstlicher Intelligenz“

Gerade im Hinblick auf dieses aktive Lastmanagement in intelligenten Stromnetzen hat die Wärmepumpe großes Potenzial, da sie in der Lage ist, elektrische Energie in Wärme und Kälte umzuwandeln und auf diese Weise zu speichern. Diesem Potenzial ist der Energieversorger E.ON in Kooperation mit dem österreichischen Wärmepumpenhersteller NEURA jetzt auf der Spur. In einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt arbeiten die Kooperationspartner an einem neuen System zur besseren Nutzung von dezentral erzeugtem Solarstrom. Dazu hat der Wärmepumpenpionier aus Österreich eine Steuerung mit „künstlicher Intelligenz“ entwickelt.

Das Regelsystem entscheidet selbstständig, ob der aktuell erzeugte Solarstrom in die Wärmepumpe fließt oder in das öffentliche Netz eingespeist wird. Diese Entscheidungen basieren auf Lastprofilprognosen und exakten 24-Stunden-Wetterdaten, die der Energieversorger zur Verfügung stellt. Die Algorithmen, die die verschiedenen Informationsströme verarbeiten können, sind selbstoptimierend. Der Nutzer kann, muss aber nicht in die komplexen Entscheidungen zur Optimierung des Eigenverbrauchs eingreifen.

Erste praktische Erfahrungen werden derzeit mit einer Pilot-Anlage am Firmensitz im oberösterreichischen Regau gesammelt. Feldtests, mit denen die zugrundeliegenden Berechnungsmodelle optimiert werden können, laufen bereits. Für diese Tests wurden 20 Haushalte in Bayern mit den entsprechenden Systemen ausgestattet. Der Süden Deutschlands ist als Testregion besonders geeignet, weil hier die PV-Dichte überdurchschnittlich hoch ist. Der Solarstrom-Anteil liegt hier bei etwa acht Prozent.

Bis 2020 über 1,2 Millionen Wärmepumpen in Deutschland

Aber nicht nur der weit fortgeschrittene technologische Entwicklungsstand hat das Interesse der Energieversorger geweckt. Vor allem das Marktpotenzial, das der Wärmepumpe in Deutschland prognostiziert wird, bietet effektive und vergleichsweise schnell umsetzbare Möglichkeiten im Netzlastmanagement auf Endverbraucherebene. Der Feldbestand in Deutschland von rd. 500.000 Heizungswärmepumpen hat sich in den vergangenen fünf Jahren mehr als verdoppelt. Bis 2020 wird nach konservativer Schätzung eine weitere Steigerung auf 1,2 Millionen Einheiten erwartet. So zeigt die Branchenstatistik des Bundesverband Wärmepumpe (BWP) nach zwei verhaltenen Jahren für 2011 wieder einen deutlichen Anstieg der Absatzzahlen. Mit rd. 57.000 Stück wurden im Vergleich zum Vorjahr 11,8 Prozent mehr Heizungswärmepumpen verkauft.

Das klare Bekenntnis der Verbraucher an eine regenerative Energieversorgung und vor allem die Kostenvorteile gegenüber anderen Heizformen werden als Hauptgründe für die positiven Marktprognosen genannt (siehe Kasten: Kosten-Vergleich).

Über den Autor dieses Gastbeitrages: Dr. Hannes Jakob ist promovierter Physiker und CEO der NEURA AG. Darüber hinaus ist er auch Geschäftsführer der NEURA – Deutschland GmbH in Mainz.

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