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Die Batterie ist der Boss

Wie ein speichergeführtes BHKW die Netzeinspeisung minimiert

Ein Schritt auf dem Weg zur Energiewende ist das vermehrte Erzeugen dezentraler Energie. Die Hochschule Landshut untersucht, wie sich unterschiedliche Systeme wie Blockheizkraftwerke, PV-Anlagen und Speicher intelligent koppeln lassen, so dass das Gesamtsystem möglichst wirtschaftlich ist. Mit der richtigen Betriebsstrategie lässt sich die Stromeinspeisung ins Netz erheblich reduzieren. Die Energieautarkie steigt und die Netze werden entlastet.

Immer mehr Unternehmen und Haushalte erzeugen ihren eigenen Strom. Private Haushalte setzen dabei meist auf eine PV-Anlage, in Mehrfamilienhäusern und im Gewerbe kommt oft ein Blockheizkraftwerk (BHKW) dazu, um gleichzeitig Strom und Wärme zu generieren, auch wenn die Sonne nicht scheint. BHKW sind meist wärmegeführt, das heißt, sie sind entsprechend des Wärmebedarfs ausgelegt und dann in Betrieb, wenn Wärme benötigt wird. Eine weitere Komponente, die solche hybriden Energiesysteme zunehmend ergänzt, sind Batteriespeicher.

Bei der konventionellen wärmegeführten Betriebsweise von BHWK konkurrieren die Komponenten jedoch mitunter. Arbeitet das BHKW während der Heizperiode aufgrund des höheren Wärmebedarfs zum Beispiel länger am Stück, ist der elektrische Speicher schnell vollgeladen. Die KWK-Anlage speist ihre überschüssige Leistung dann ins Stromnetz ein. Erzeugt bei Sonnenschein auch die PV-Anlage gleichzeitig Strom, fließt noch mehr Strom ins Netz, was weder im Sinne des Netz- noch des Anlagenbetreibers ist.

 

Die Hochschule Landshut errichtete einen Prüfstand mit BHKW, Gasbrennwert-Heiztherme, einem elektrischen und einem thermischen Speicher sowie einer Frischwasserstation. (Foto: Hochschule Landshut)

Eigenstromverbrauch durch neue BHKW-Betriebsweise steigern

Doch wie lassen sich die einzelnen Komponenten intelligent koppeln und steuern, so dass das Gesamtsystem möglichst effizient arbeitet und der Eigenstromverbrauch maximiert wird? Dieser komplexen Frage geht die Hochschule Landshut im Verbundprojekt EKOSTORE auf den Grund. Der Name steht für „Hybride, dezentrale Eigenenergieversorgung durch die Systemkombination von Batteriespeicher, Photovoltaik und (Mikro/Mini-)Blockheizkraftwerk“. Die Grundidee des Projekts, das noch bis August läuft, ist, die beiden relativ häufig auftretenden Systeme aus PV-Anlage mit elektrischem Speicher einerseits und BHKW mit thermischem Speicher und Spitzenlastkessel andererseits zusammen als ein System arbeiten zu lassen. Dabei ist der Betrieb des BHKWs nicht wie üblich auf den Wärmebedarf, sondern auf den Ladezustand des elektrischen Speichers ausgerichtet. Dafür wurden Simulationsmodelle und Betriebsstrategien entwickelt und an einem dafür aufgebauten Prüfstand getestet. Außerdem sollte untersucht werden, welche Anforderungen sich daraus an die Speichertechnologie ergeben. Die Prüfstandanlage besteht aus folgenden Komponenten:

  • Mikro-BHKW mit 4 kWel und 12 kWth Nennleistung
  • PV-Anlage: Leistungsprofil wird für Tests simuliert, am Standort ist aber auch eine PV-Anlage installiert
  • elektrischer Speicher (Li-ion) mit 12 kWh Nennenergie (C/5)
  • thermischer Speicher mit 960 l Speicherinhalt
  • Gasbrennwert-Heiztherme mit 23,8 kW Nennwärmeleistung als Spitzenlasterzeuger
  • Frischwasserstation mit 60 kW thermischer Nennleistung
  • Um thermische Lastprofile von Mehrfamilienhäusern simulieren zu können, wurden Lüfter und Wärmepumpen als Rückkühleinheiten genutzt.
     

 

Ein Energiemanagementsystem erfasst alle Daten des Systems und steuert die einzelnen Komponenten.

 

Ladezustand des elektrischen Speichers als maßgebliche Größe

Ein Energiemanagementsystem erfasst als Schnittstelle zwischen den Komponenten nicht nur den Zustand des Batteriespeichers, sondern auch den thermischen Ladungszustand des Wärmespeichers. Wann das BHKW arbeitet, wird aber über das elektrische Energiesystem definiert. Das BHKW startet immer dann einen Betriebszyklus, wenn ein definierter minimaler Ladezustand (state of charge = SOC) des elektrischen Speichers erreicht und der thermische Speicher nicht zu heiß ist. So können thermische und elektrische Leistung in die Speicher geladen werden. Das BHKW bricht den aktuellen Betriebszyklus ab, wenn der thermische Speicher zu heiß ist oder der elektrische Speicher einen definierten maximalen SOC erreichet hat und das BHKW mindestens eine festgelegte Zeit gelaufen ist. Zusätzlich nutzt das Energiemanagementsystem eine Lastprognose sowie eine Erzeugungsprognose für die PV-Leistung und passt die Maximal- und Minimalwerte des Batteriespeichers immer wieder an die Gegebenheiten an. Sind hohe PV-Erträge oder ein hoher Strombedarf prognostiziert, kann dadurch entsprechende Speicherkapazität zum Laden bzw. Entladen vorgehalten werden. Auf diese Weise lässt sich das Einspeisen von Strom ins Netz zu einem großen Teil vermeiden.

 

 

Der Betrieb des BHKW ist in erster Linie auf den Ladezustand des Speichers ausgerichtet. Unterschreitet dieser ein Minium startet das BHKW – vorausgesetzt, der thermische Speicher kann die Wärme aufnehmen. Das Minium oder Maximum richtet sich dabei nach der Prognose von elektrischer Last und Erzeugung.

 

BHKW speist 99 % weniger Strom ins Netz ein

Im untersuchten Szenario eines 8-Familienhauses brachte die speichergeführte Betriebsweise des BHKWs im Vergleich zu einem Energiesystem mit wärmegeführtem BHKW zahlreiche Vorteile: Das speichergeführte BHKW speiste 99 % weniger Strom ins Netz ein als ein wärmegeführtes, auch der Strom der PV-Anlage konnte stärker selbst genutzt werden, so dass die Netzeinspeisung um 55 % sank. Durch den vermehrten Eigenverbrauch des Stroms konnte das Haus seinen Autarkiegrad von 74,5 % auf 82,5 % steigern. Der Strombezug reduzierte sich um 1.643 kWh, was etwa 260 € im Jahr entspricht, wenn man davon ausgeht, dass der Strom ca. 28 ct/kWh kostet und zugleich die Einspeisevergütung von ca. 12 ct/kWh entfällt. Der Batteriespeicher konnte besser genutzt werden als bei der konventionellen BHKW-Regelung, weil sich seine Vollzyklenzahl erhöhte, gleichzeitig nahm die Laufzeit des BHKWs ab.

Generell zeigt sich, dass die speichergeführte Strategie den elektrischen Autarkiegrad – bei gleichen Systemkomponenten – immer erhöht und dadurch die Wirtschaftlichkeit des Systems verbessert. Niederspannungsnetze werden dadurch entlastet. Zudem erzielen KWK-Anlagenbetreiber bzw. -planer eine bessere Wirtschaftlichkeit und erhalten ein Auslegungstool für die Anlagendimensionierung. Steigende Strompreise und sinkende Einspeisevergütungen könnten die Strategie, Energiesysteme mit elektrischen Speichern zu koppeln, in Zukunft noch attraktiver machen.

 

Mit einem speichergeführten BHKW könnte ein 8-Familienhaus seine elektrische Autarkie im Vergleich zu einem wärmegeführten BHKW deutlich steigern.

 

Weiterer Forschungsbedarf

Um die Möglichkeiten der dezentralen Energieerzeugung zu verbessern, forscht die Hochschule Landshut auf diesem Gebiet weiter. In einem neuen EU-Interreg Projekt mit dem Namen FSTORE untersucht sie zum Beispiel Hybridsysteme mit Redox-Flow-Speichern. Zudem wird in dem Projekt der Verbund mehrerer dezentraler Systeme erforscht sowie die Integration eines zentralen Quartierspeichers. Grundsätzlich ist die Vielzahl an Schnittstellen und Kommunikationsprotokollen am Markt noch eine große Herausforderung, die das standardisierte, sichere Ansprechen von Komponenten verschiedener Hersteller bislang erschweren. Grundsätzlich lässt sich ein BHKW aber auch ohne smarte Steuerung so betreiben, dass der elektrische Speicher möglichst effizient genutzt wird. Dafür müssen die typischen Betriebsintervalle einer speichergeführten Strategie von Hand eingegeben werden. An dieser Variante arbeiten die Forscher noch bis zum Ende des Projektes EKOSTORE. (SP)