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Wärmeanwendungen bis 200 Grad sind für über drei Viertel des deutschen Erdgasverbrauchs und über ein Viertel der Treibhausgasemissionen verantwortlich.
Aktuell dominieren fossile Energien die Wärmeversorgung in industriellen Prozessen, Gebäuden und Wärmenetzen. Für die Erreichung der Klimaziele und zur Senkung des Erdgasverbrauchs ist es daher entscheidend, die Versorgung auf klimaneutrale Lösungen auf Basis Erneuerbarer Energien umzustellen.
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Die gesamte deutsche Wärmenachfrage bis 200 Grad lässt sich technisch vollständig durch Wärmepumpen decken.
Großwärmepumpen können hierbei erhebliche Potenziale in Geothermie, Gewässern und Abwärme heben. Bis 2045 können Großwärmepumpen 70 Prozent der Fernwärmeversorgung sicherstellen und somit einen Großteil des Erdgases ersetzen.
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Großwärmepumpen sind eine bewährte Technologie, die in Deutschland über ein erhebliches Marktpotenzial verfügt.
Jedoch waren 2023 erst 60 Megawatt Leistung installiert. Komplexe Planungs- und Genehmigungsverfahren bremsen den Markthochlauf. Zudem begünstigen das bestehende Fördersystem über das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) sowie die höhere Abgabenlast auf Strom gegenüber Erdgas bisher gasbasierte Wärmelösungen – diese Fehlanreize gilt es zu beheben.
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Ein schneller Hochlauf von Großwärmepumpen erfordert einen klug ineinandergreifenden Instrumentenmix.
Übergeordnet ist ein klares Zielbild erforderlich, kombiniert mit transformationskonformen Energiepreisen und reformierten Netzentgelten. Hersteller sollten die hierdurch entstehende Planungssicherheit nutzen, um Innovationen voranzutreiben und Herstellungskosten zu senken. Eine reformierte Förderkulisse und Maßnahmen zur Beschleunigung von Großwärmepumpenprojekten in Wärmenetzen können dann die Nachfrage ankurbeln.
- Format
- Studie
- Date
- 1. Juni 2023
Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland
Strategien für den Markthochlauf in Wärmenetzen und Industrie
Einleitung
Die vorliegende Studie zu Großwärmepumpen gibt einen Gesamtüberblick über das Potenzial und den Marktstatus von Großwärmepumpen sowie ihren Einsatz in Wärmenetzen und beschäftigt sich mit den für ihren Einsatz erforderlichen politischen Handlungsprioritäten.
Der Roll-out von Großwärmepumpen erfordert einen Dreiklang aus strategischer Zielsetzung und Anreizen von öffentlicher Seite, technologischer Innovation durch Hersteller und beschleunigter Umsetzung durch Fernwärmeunternehmen und Industrie. Dies erfordert eine lösungsorientierte Partnerschaft von Unternehmen und öffentlicher Hand. Vor diesem Hintergrunde liegt es nahe, sich für den Markthochlauf von Großwärmpumpen die Idee der Mission Economy der italienisch-amerikanischen Ökonomin Marianna Mazzucato für die deutsche Klimatransformation nutzbar zu machen.
Dieser neue Ansatz für die Lösung großer gesellschaftlicher Aufgaben zeichnet sich durch eine aktive Partnerschaft zwischen privatem und öffentlichem Sektor aus: Der Staat definiert grobe Anforderungen und zu lösende Probleme, ohne dabei kleinteilige Vorgaben zu machen, und stellt für die Privatwirtschaft Investitionssicherheit her. Im Gegenzug binden sich private Akteure an Zielvorgaben wie zum Beispiel Kostensenkungen oder attraktive Angebote für Kundinnen und Kunden. Zudem übernimmt der Staat unternehmerische Risiken, partizipiert aber auch an den Erlösen.
Mit unserer Studie wollen wir einen Beitrag leisten, die erheblichen Potenziale von Großwärmepumpen und Wärmenetzen für die Umsetzung der Wärmewende zu heben.
Kernergebnisse
Bibliographische Daten
- Autor:innen
- Fabian Ahrendts, Björn Drechsler, Julian Hendricks, Jan Küpper, Susanne Lang, Tim Peil, Daniel Scholz, Dr. Elena Timofeeva, Dr.-Ing. Matthias Utri, Lisa Weidinger (alle Fraunhofer IEG); Anna Kraus, Uta Weiß, Simon Müller (alle Agora Energiewende).
- Publikationsnummer
- 293/03-S-2023/DE
- Versionsnummer
- 1.1
- Veröffentlichungsdatum
-
1. Juni 2023
- Seitenzahl
- 139
- Zitiervorschlag
- Agora Energiewende, Fraunhofer IEG (2023): Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland. Strategien für den Markthochlauf in Wärmenetzen und Industrie.
- Projekt
- Diese Publikation wurde erstellt im Rahmen des Projektes Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland.
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Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland
Strategien für den Markthochlauf in Wärmenetzen und Industrie
Grafiken aus dieser Publikation
Endenergieverbrauch nach Anwendungszwecken in Deutschland 2021 (links) Energieträger zur Bereitstellung (rechts)
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Gegenüberstellung des möglichen Wärmeangebots durch Wärmepumpen und der Wärmebedarfe bis 200 °C in Deutschland (exklusive Umgebungsluft)
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Das durchschnittliche Fernwärmenetz einer deutschen Stadt im Jahr 2045 im Vergleich zum Jahr 2020*
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Maximale Vorlauftemperatur und Heizleistung verfügbarer Großwärmepumpen
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Potenziale und Handlungsprioritäten für klimaneutrale Wärme bis 200 °C
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Anteil des Wärmesektors am Endenergiebedarf in Deutschland 2021
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Anzahl und Trassenlänge der rund 3.800 Wärmenetze nach Temperaturniveaus
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Anzahl und thermische Leistung von KWK-Anlagen größer 500 kW sowie von KWK-Anlagen und Heizwerke in Wärmenetzen
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Bestehende und geplante Großwärmepumpenprojekte in Deutschland
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Wärmequellen und Einzelleistungen bestehender und geplanter Großwärmepumpen.in Deutschland*
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Länder Europas mit den größten Anteilen von Großwärmepumpen an der Wärmeerzeugung im Fernwärmesektor (Datenstand: 2020/2021)
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Verhältnis von Strom- zu Gaspreisen in ausgewählten Ländern
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Eckdaten der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien im Jahr 2030 – Vergleich verschiedener Studien über Energiesysteme
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Entwicklung des Endenergieverbrauchs im Gebäudesektor
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Entwicklung der Fernwärmeerzeugung (Fernwärmeabsatz zzgl. Leitungsverluste) in den T45-Szenarien
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Entwicklung des Technologie- und Energieträgermix zur Fernwärmeerzeugung in den T45-Szenarien
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Entwicklung der installierten thermischen Leistung in der Fernwärme
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Betrieb des Strom- und Fernwärmesektors in einer Winterwoche im Jahr 2045
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Betrieb des Strom- und Fernwärmesektors in einer Sommerwoche im Jahr 2045
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Entwicklung der Wärmespeicherkapazität in der Fernwärme
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Anteil der Großwärmepumpe an der Wärmeerzeugung in Abhängigkeit von der Residuallast
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Geordneter Fernwärmelastgang* im Jahr 2045
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Ökonomischer und ökologischer Mindestvorteil des flexiblen Betriebs einer Großwärmepumpe
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Roll-Out von Großwärmepumpen in zwei ineinander übergehenden Phasen
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Verteilung des jährlichen Großwärmepumpenzubaus von 4,0 bis 4,9 GW auf die verschiedenen Leistungsklassen orientiert am heutigen KWK-Anlagenbestand
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Das durchschnittliche Fernwärmenetz einer deutschen Stadt im Jahr 2045 im Vergleich zum Jahr 2020*
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Theoretisch mögliche COPs von Wärmepumpen bei der Verwendung verschiedener Wärmequellen bei einem Wärmepumpen-Gütegrad von 50 Prozent und unterschiedlichen Temperaturen des Wärmenetzes
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Gegenüberstellung des möglichen Wärmeangebots durch Wärmepumpen und der Wärmebedarfe bis 200 °C in Deutschland (exklusive Umgebungsluft)
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Schematische Darstellung einer Großwärmepumpe
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Exemplarischer Einfluss unterschiedlicher Verschaltungsvarianten auf die Kosten der Kreislaufkomponenten und den COP bei konstanten Randbedingungen
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Heizleistung, Temperaturhub und Flexibilität in Abhängigkeit von der Verdichtertechnologie
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Leistungszahlen (COPs) für unterschiedliche Kältemittel eines einstufigen Kreislaufs
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Maximale Vorlauftemperatur und Heizleistung verfügbarer Großwärmepumpen
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COP und Temperaturhub für am Markt vertretene Modelle von Großwärmepumpen mit unterschiedlichen Quellen- und Senkentemperaturen
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Wirtschaftliche Einflussfaktoren für Großwärmepumpenprojekte
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Einfluss der Wärmequelle und der übrigen Anlagenkomponenten auf die Investitionskosten von Großwärmepumpenprojekten
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Spezifische Wärmegestehungskosten im Jahr 2030 für unterschiedliche Wärmequellen unter Variation der Vollbenutzungsstunden und der Strombezugskosten jeweils für Anlagen mit 1 MW und 10 MW Heizleistung bei einer Senkentemperatur von 100 °C
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Überblick zu den Fördermodulen der BEW
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Leistungsphasen eines Großwärmepumpenprojekts mit Angabe der wichtigsten Aufgaben und ungefähren Zeitdauer in Monaten
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Möglichkeiten zur Beschleunigung der Planung, Genehmigung und Realisierung von Großwärmepumpenprojekten
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Betrieb des Strom- und Fernwärmesektors in einer Winterwoche im Szenario T45-Strom
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Betrieb des Strom- und Fernwärmesektors in einer Winterwoche im Szenario T45-H₂
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Betrieb des Strom- und Fernwärmesektors in einer Sommerwoche im Szenario T45-Strom
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Betrieb des Strom- und Fernwärmesektors in einer Sommerwoche im Szenario T45-H₂
Abbildung 39 von Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland auf Seite 126
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Ökonomischer und ökologischer Mindestvorteil eines flexiblen Betriebs der Großwärmepumpe im Szenario T45-H2
Abbildung 41 von Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland auf Seite 128
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Übersicht über am Markt erhältliche Großwärmepumpen (TRL = 9)
Abbildung 42 von Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland auf Seite 129
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Übersicht über am Markt erhältliche Großwärmepumpen (TRL = 9)
Abbildung 42 von Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland auf Seite 130
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Übersicht über neu- oder weiterentwickelte Großwärmepumpen (TRL < 9) nach IEA HPT Annex 58
Abbildung 43 von Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland auf Seite 131
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Zusammensetzung der Wärmegestehungskosten* für unterschiedliche Wärmequellen Abbildung 44 unter Variation der Vollbenutzungsstunden
Abbildung 44 von Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland auf Seite 133
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Spezifische Wärmegestehungskosten im Jahr 2030 für unterschiedliche Wärmequellen unter Variation der Vollbenutzungsstunden und der Strombezugskosten jeweils für Anlagen mit 1 MW und 10 MW Heizleistung bei einer Senkentemperatur von 80 °C
Abbildung 45 von Roll-out von Großwärmepumpen in Deutschland auf Seite 134
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