Der Einsatz elektrischer Warmwasserbereiter zur Speicherung erneuerbarer Energie könnte die Arbeit von 2 Millionen Heimbatterien übernehmen

Forschungsdirektor – Strategische Energiekooperationen, University of Technology Sydney

David Roche arbeitet für das Institute for Sustainable Futures, das für diese Arbeit Fördermittel von der Australian Renewable Energy Agency (ARENA) erhielt.

Die University of Technology Sydney stellt als Gründungspartner von The Conversation AU finanzielle Mittel bereit.

Alle Partner anzeigen

Australiens Energiewende ist in vollem Gange. Etwa drei Millionen Haushalte verfügen über Solaranlagen auf dem Dach, und der Verkauf mittelgroßer Elektroautos boomt. Aber haben wir bei unserer Arbeit an vollständig elektrischen Haushalten, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, eine Schlüsseltechnologie übersehen: den bescheidenen elektrischen Warmwasserbereiter?

Etwa die Hälfte der australischen Haushalte nutzt elektrische Warmwasserbereiter, während der Rest Gas verwendet. Was ist das Tolle an elektrischen Warmwasserbereitern?

Elektrische Warmwasserbereiter bieten eine kostengünstige Möglichkeit, große Energiemengen in Form von Warmwasser zu speichern. Eine Heizung mit einem 300-Liter-Tank kann etwa so viel Energie speichern wie eine Tesla Powerwall der zweiten Generation – und das zu einem Bruchteil der Kosten.

Unsere Forschung am UTS Institute for Sustainable Futures hat ergeben, dass Australier mit elektrischen Warmwasserbereitern im Haushalt so viel Energie speichern könnten wie über 2 Millionen Heimbatterien dieser Art. Dies könnte letztendlich über 6 Milliarden australische Dollar pro Jahr bei unseren Energierechnungen einsparen und uns gleichzeitig einem Netto-CO2-Ausstoß von Null nähern.

Unser heute veröffentlichter und von der Australian Renewable Energy Agency (ARENA) finanzierter Bericht empfiehlt, dass wir dringend Maßnahmen brauchen, um Gaswarmwasserbereiter schnell durch „intelligente“ elektrische Warmwasserbereiter zu ersetzen, um die Emissionen bis 2030 zu halbieren und bis 2050 Netto-Null zu erreichen. Intelligente Heizungen können als Reaktion auf Änderungen des Stromangebots und der Stromnachfrage im gesamten Netz ein- und ausgeschaltet werden.

Dies bedeutet, dass diese Heizgeräte überschüssige erneuerbare Energie außerhalb der Spitzenzeiten, insbesondere aus Solarenergie, aufsaugen können, und uns so dabei helfen, zwei Hauptprobleme gleichzeitig zu lösen. Sie können dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und schließlich ganz zu beseitigen. Und sie können unser Stromnetz stabiler machen, indem sie eine flexible Nachfrage bereitstellen, die dazu beiträgt, das schwankende Angebot aus erneuerbaren Quellen auszugleichen.

Es gibt drei Haupttypen von elektrischen Warmwasserbereitern. Eine herkömmliche „Widerstands“-Heizung nutzt Strom, um Wasser direkt zu erhitzen. Solarwarmwasserbereiter nutzen Sonnenlicht und Strom, sind jedoch mit dem Aufkommen neuer „Wärmepumpen“-Einheiten weniger beliebt geworden. Diese sammeln Wärme aus der Luft und „pumpen“ sie ins Wasser. Eine Wärmepumpe verbraucht drei- bis viermal weniger Strom als eine Widerstandsheizung.

Im Jahr 2010 verursachte ein elektrischer Warmwasserbereiter mit Widerstand typischerweise etwa viermal mehr Emissionen als sein Gegenstück mit Gas. Die Emissionen der Wärmepumpe waren ungefähr die gleichen wie bei Gas. Das liegt daran, dass elektrische Warmwasserbereiter viel Strom verbrauchen und der Großteil davon aus der Verbrennung von Kohle stammt.

Da wir immer mehr Strom aus erneuerbaren Energien erzeugen, ändert sich dieses Bild dramatisch. Australiens Energiemarktbetreiber AEMO veröffentlicht regelmäßig aktualisierte Wege in eine Zukunft mit sauberer Energie. Im wahrscheinlichsten Ergebnis, dem „Step-Change-Szenario“, wird Gas bis 2030 zur treibhausintensivsten Option zur Warmwasserbereitung werden.

Bis 2040, wenn der Übergang zu einem erneuerbaren Stromsystem weitgehend abgeschlossen ist, werden die Emissionen von Widerstands- und Wärmepumpen-Warmwasserbereitern viel niedriger sein als bei ihren Gas-Pendants.

Warmwasserbereiter können eine Lebensdauer von 15 Jahren oder länger haben. Der Bestand an Heizgeräten in unseren Häusern für die nächsten zwei Jahrzehnte hängt also davon ab, was wir heute installieren. Der Ersatz von Gasheizungen durch Elektroheizungen sollte daher eine unmittelbare Priorität unserer Energiewende sein.

Im Rahmen unserer Arbeit haben wir eine Reihe von Szenarien untersucht, jedes mit einem anderen Mix an Warmwasserbereitungstechnologien. Eine davon war ein „Business-as-usual“-Grundsatz, bei dem Gaswarmwasserbereiter nach wie vor vorherrschend sind. In alternativen Szenarien wird der Gasausstieg in den nächsten 10 bis 20 Jahren erfolgen.

Wir haben festgestellt, dass der Ersatz von Gas durch elektrische Warmwasserbereitung uns nicht nur dabei helfen würde, schneller Netto-Null-Emissionen zu erreichen, sondern auch Geld sparen würde.

Gas ist teuer und wird kaum billiger zu bekommen sein. Reichlich vorhandene erneuerbare Energien bieten einen Überschuss an billigem Strom, den Warmwasserbereiter auffangen können. Wenn wir diese Chance nutzen, könnten wir bis 2040 jährlich über 6 Milliarden US-Dollar an Energiekosten einsparen.

Solar- und Windenergie sind heute die günstigsten Technologien zur Stromerzeugung, die wir je hatten. Um jedoch ein stabiles Stromsystem aufrechtzuerhalten, müssen wir die Nachfrage mit dem schwankenden Angebot aus erneuerbaren Quellen in Einklang bringen. Batterien bieten eine Teillösung, sind aber immer noch relativ teuer.

Elektrische Warmwasserbereiter bieten eine wesentlich kostengünstigere Möglichkeit, große Energiemengen zu speichern und die vom Netz benötigte Nachfrageflexibilität bereitzustellen.

Unsere Untersuchungen ergaben, dass ein Szenario, das die Nachfrageflexibilität durch den Einsatz intelligenter elektrischer Warmwasserbereiter betont, im Vergleich zum Business-as-usual-Basisszenario zusätzliche 30 GWh an täglicher flexibler Nachfragekapazität bereitstellen könnte. Das entspricht über 2 Millionen Heimbatterien im gesamten National Electricity Market, der Ost- und Südaustralien mit Strom versorgt.

Seit den 1950er-Jahren haben australische Stromversorger aufgrund der „Warmwasserbereitung außerhalb der Spitzenzeiten“ die Warmwasserbereiter in Haushalten tagsüber aus- und nachts eingeschaltet, um Nachfrage und Angebot besser aufeinander abzustimmen. Im Gegenzug erhielten die Kunden stark reduzierte Preise.

In den letzten Jahrzehnten haben wir uns von der elektrischen Warmwasserbereitung außerhalb der Hauptverkehrszeit entfernt, da die Anreize nachließen und immer mehr Haushalte an Erdgas angeschlossen waren.

Welche Technologie sollten wir bei der Elektrifizierung unseres Warmwassers nutzen: Widerstand oder Wärmepumpe? Die Antwort ist beides.

Unsere Forschung untersuchte den Kompromiss zwischen hochflexiblen Widerstandswarmwasserbereitern und hocheffizienten, aber weniger flexiblen Wärmepumpen.

Wärmepumpen verbrauchen weniger Strom und sind im Betrieb kostengünstiger. Bei hohen Strompreisen oder begrenztem Stromfluss ist der Einsatz von Wärmepumpen sinnvoll. Sie sind jedoch mit höheren Vorabkosten verbunden und eignen sich nicht für alle Häuser. In vielen Wohnungen fehlt beispielsweise der Zugang zu geeigneten Außenflächen.

Und weil sie weniger Strom verbrauchen, bieten Wärmepumpen eine weniger flexible Nachfrage. Da erneuerbare Energien, insbesondere Solarenergie, unser Stromnetz zunehmend mit Strom versorgen, ist die Fähigkeit von elektrischen Widerstandsheizungen, überschüssige erneuerbare Energie außerhalb der Spitzenzeiten aufzusaugen, ein großer Vorteil.

Mit den richtigen politischen Maßnahmen und Marktreformen werden wir alle von einem System profitieren, das Kunden erneut mit günstigem Strom außerhalb der Spitzenzeiten belohnt, im Gegenzug dafür, dass die Netzbetreiber unsere Warmwasserbereiter bei Bedarf aus- und wieder einschalten können.