WPOpt4Grid

Update des Projektes

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

Das Projekt untersucht, inwieweit die ökonomisch optimierte Dimensionierung von Wärmepumpensystemen bei zeitlich variablen Strompreisen aus ökologischer und betrieblicher Sicht sowie hinsichtlich des Stromnetzes über den Lebenszyklus erstrebenswert ist.

Im Rahmen des Projekts WPOpt4Grid wurden konkrete Fallstudien ausgewählt und detailliert analysiert, um den flexiblen und netzdienlichen Einsatz von Großwärmepumpen unter realistischen technischen Randbedingungen zu untersuchen.

Gewählte Fallstudien und technische Eckdaten

Für WPOpt4Grid wurden sieben Fallstudien definiert, die ein breites Spektrum an Gebäudetypen, Leistungsgrößen und Anforderungen abdecken. Untersucht werden sowohl generische Modellgebäude als auch reale Bestandsobjekte:

Fallstudien auf einen Blick

Fallstudie	Gebäudetyp	Verwendete Wärmepumpen-technik	Wärme-pumpen-leistung (th)	Abgabesystem (Temperatur-niveau)	Besonderheiten
FS01	Mehrgeschoßiger Wohnbau (Generic)	Luft Wasser WP oder Sole /Geothermie WP	~ 60 kW	Niedertemperatur Heizkörper (45/38 °C)	Sensitivitätsanalyse (WP Größe, Speicher, Raumtemperatur)
FS02	Produktionsstätte/Nichtwohngebäude	Brunnen WP, Luft WP, Booster WP, Hochtemperatur WP	> 300 kW	Prozess WT, Lüftungsheizregister (bis > 60 °C)	Prozesswärme, mehrere Temperaturniveaus
FS03	Mehrgeschoßiger Wohnbau	Sole Wasser WP + Booster WP	~ 130–170 kW	FBH/BTA (35–28 °C), Teilbereiche Hochtemperatur (65–50 °C)	Kombination Raumwärme & Sondernutzungen
FS04	Bildungseinrichtung	Sole Wasser WP + BWW WP (+ Kältemaschine)	~ 280 kW (+ Kälte)	Heizkörper & Lüftung (40–45 °C)	Zusätzliche Kälteerzeugung
FS05	Bürogebäude	Brunnen Wasser WP	~ 50 kW	Fußbodenheizung (45/35 °C)	Ausgeprägte Tageslastprofile
FS06	Öffentliches Gebäude (Generic)	Geothermie WP	~ 110 kW	Fußbodenheizung (40/30 °C)	Typmodell für kommunale Gebäude
FS07	Verkaufsstätte (Generic)	Brunnen Wasser WP	~ 75–110 kW	Fan Coils (55/45 °C)	Hohe Gleichzeitigkeit, lange Öffnungszeiten

Untersuchte Use Cases

Zur strukturierten Bewertung unterschiedlicher Betriebsstrategien werden in WPOpt4Grid vier zentrale Use Cases untersucht. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Tarifmodell, Steuerungslogik und Flexibilitätsoptionen:

Use Case UC00 – Fixer Stromtarif (Referenz):

Der Referenzfall bildet einen konventionellen Wärmepumpenbetrieb mit fixem Stromtarif und konstantem Netzentgelt ab. Die Wärmepumpe arbeitet auf Basis der Heizkurve ohne gezielte zeitliche Optimierung. UC00 dient als Vergleichsbasis für alle weiteren Use Cases.

Use Case UC01 – Eigenverbrauchsoptimierung von Photovoltaik‑Strom:

In diesem Use Case wird der Betrieb der Wärmepumpe an die lokale PV‑Erzeugung angepasst. Überschüssiger PV‑Strom wird genutzt, um thermische Speicher zu laden beziehungsweise die Gebäudemasse vorzuwärmen. Ziel ist ein möglichst hoher Eigenverbrauch bei gleichzeitig stabilem Anlagenbetrieb.

Use Case UC02 – Dynamischer Strompreis:

Hier wird ein dynamischer Stromtarif mit stündlich variierenden Preisen angenommen. Die Wärmepumpe reagiert auf Preissignale und verschiebt die Wärmeerzeugung in Stunden mit niedrigen Strompreisen. Analysiert werden Kostenreduktionen, Lastverschiebungspotenziale sowie Auswirkungen auf Effizienz und Komfort.

Use Case UC03 – Unterbrechbarer Tarif:

Dieser Use Case untersucht zeitlich begrenzte Sperrzeiten für den Betrieb der Wärmepumpe, etwa während kritischer Netzlastsituationen. Mittels gezielten Vor- und Nachladens der thermischen Speicher wird die Wärmeversorgung während der Sperrzeiten sichergestellt. Bewertet werden Komfort, Betriebskosten und Systemflexibilität.

Ziel des Projekt‑Updates

Mit der Analyse dieser Fallstudien und Use Cases liefert WPOpt4Grid konkrete, praxisnahe Erkenntnisse zum technischen und betrieblichen Verhalten von Großwärmepumpen unter variablen Marktbedingungen. Die Ergebnisse bilden eine fundierte Grundlage für

• die Weiterentwicklung dynamischer Stromtarife,
• die Ausgestaltung netzdienlicher Betriebsstrategien
• sowie energie- und klimapolitische Entscheidungen im Bereich Wärme und Strom.

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