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Technische und soziale Herausforderungen bei der netzdienlichen und ökonomischen Optimierung von Wärmepumpensystemen

Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie in der Wärmewende. Außerdem können sie als elektrische Stromverbraucher, die Wärme z. B. für Haushalte und Industrie liefern, einen wichtigen Beitrag zur Sektorenkopplung leisten. Die ökonomische Optimierung von Wärmepumpen ist der wichtigste Faktor für den Markterfolg. Sie ist aber relativ komplex, da die Arbeitszahl stark von Umgebungsbedingungen abhängt.

Stromerzeugungsüberschüsse durch hohe erneuerbare Produktion werden häufiger, was deren Nutzbarkeit limitiert. Wärmepumpen können durch Nutzung dieser Überschüsse system- und netzdienlich agieren und so über den Lebenszyklus wirtschaftlicher betrieben werden.

Zeitabhängige Stromtarife werden derzeit selten genutzt, und speziell im Bereich über 50 kW wurde noch kaum erforscht, wie sich dynamische Strompreise auswirken und wie Wärmepumpen darauf optimiert werden können.

Zeitlich schwankende Strompreise bewirken, dass Wärmepumpen mit optimierter Arbeitszahl nicht automatisch die ökonomisch optimale Lösung sind. Relevante Einflussfaktoren sind unter anderem:

• Dimensionierung
• Regelstrategie
• Wärmequelle

Technische Einschränkungen (On-Off Zeiten, Taktung, Rampen)

• Interaktion: Wärmebedarfsprofil – Erzeugungsprofil – Speichermassen

Nutzungsseitige Anforderungen (Komfort et cetera)

• Tarifmodell

Hauptprojektziel ist es, aus diversen Perspektiven wie

• THG-Emissionen,
• Energieerzeugung aus Erneuerbaren im Stromsystem (Energiesystemmodell),
• Lastverlagerungspotenzial,
• Speicherbedarf im Stromsystem (Energiesystemmodell beziehungsweise Vergleich mit Pumpspeichern und Batterien),
• Jahresarbeitszahl,
• Langlebigkeit des Wärmepumpensystems und
• nutzungsseitige Anforderungen (Komfort, Prozesssicherheit et cetera)

zu untersuchen, inwieweit die ökonomisch optimierte Dimensionierung von Wärmepumpensystemen über den Lebenszyklus bei zeitlich variablen Strompreisen (Spot- und Regelenergiemärkte) erstrebenswert ist.

Dazu werden generische Fallstudien so gewählt, dass ein breites Spektrum in folgendem Rahmen abgedeckt wird:

Benötigte Wärmeleistung über 50 kW

• Gewerbliche Betreiber
• Drei Typen von Gebäuden beziehungsweise Nutzungen: z. B. große Wohnhausanlage, Nichtwohngebäude (Gewerbe, Schule, Museum, Hotel), Industrie-Prozesswärme
• Diverse Wärmequellen (Luft, Geothermie, Abwärme), Abgabesysteme (Luft, Radiatoren, Fußboden, Bauteilaktivierung) und gegebenenfalls Speicheranlagen (Wasser- und Erdsondenspeicher); bis zu acht relevante Kombinationen werden mit Stakeholdern gewählt und danach simuliert sowie optimiert.

Dabei sind unter anderem folgende Fragen zu klären:

• Welche Wärmepumpenauslegung ist je nach Stromtarifmodell ökonomisch optimal?
• Welche Stromtarifmodelle können die Teilnahme an kurzfristigen Märkten (Regelreserve, Intradayhandel, Ausgleichsenergieminimierung) erleichtern?
• Welche Regelstrategie ist zu wählen, um zeitabhängige Stromtarife bestmöglich zu nutzen?
• Wieviel Effizienzverlust ergibt sich bei einer auf zeitabhängige Stromtarife hin ökonomisch optimierten Betriebsweise? 

Hinsichtlich Energiemärkte werden mindestens drei “Use Cases” entwickelt und in eine Regelstrategie überführt. Das Wärmepumpensystem jeder Fallstudie wird für jeden Use Case optimiert.

Weiters werden rechtliche, finanzielle und informationsbezogene Defizite im Rahmen von Interviews mit Marktakteuren sowie einer Analyse bestehender Erkenntnisse analysiert und Lösungen erarbeitet.

Das Projekt legt die Basis für eine an realen Projekten durchgeführte Umsetzung einer systemdienlich betriebenen Wärmepumpenanlage samt Monitoring.

Auftraggeber:in / Fördergeber:in	FFG im Auftrag von BMIMI und BMWET
Projektleitung	Franziska Zimmer
Projektteam	Petra Lackner Konstantin Kulterer Franz Zach
Projektpartner:innen	AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektdauer	Mai 2025 bis April 2026