mg_2012_01_Schwerpunkt

Schwerpunkt

Ein virtuelles Kraftwerk ist die Verbindung von dezentralen Energieerzeugungsanlagen, Speichern und steuerbaren Energieverbrauchern mit einer Kommunikationszentrale.

Wasserkraft

GuD Kraftwerk

Photovoltaik

Haushalt

Haushalt

Mikro-BHKW

BHKW

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medium gas 1 | 2012

Dezentrale Energiesysteme

Windkraft

Biogasanlage

Mikro-BHKW sorgen für eine effiziente Wärme- und Stromversorgung

Keine Technik der Welt wird die Sonne immer und überall scheinen lassen, Regen vom Himmel prasseln lassen oder für Wind sorgen, wenn er gerade nicht weht. Regenerative Energien werden damit im Tages- und Jahresverlauf immer starken Schwankungen unterliegen. Weil sie aber zukünftig einen noch wichtigeren Beitrag zur Energieversorgung leisten werden, braucht es im Umkehrschluss eine Technik, die eben jene Schwankungen ausgleicht und Energie hochflexibel und kontinuierlich zur Verfügung stellt.

Speicher

Der Technik-„Königsweg“ könnte die Vernetzung von vielen kleinen, dezentralen Energieerzeugungsanlagen, Speichern und steuerbaren Energieverbrauchern zu einem virtuellen Kraftwerk sein.

Kommunikationszentrale

Foto: Hendrik Schwartz - Fotolia.com

Kleine und große Kraftwerke werden in dieser „virtuellen Welt“ eine besondere Rolle spielen, denn BHKW sind technisch erprobt, sehr schnell an- und abschaltbar und verbinden effizient die Wärme- mit der Stromerzeugung. Und: sie funktionieren mit Erdgas und Bioerdgas, sind damit immer und überall verfügbar. medium gas wirft einen Blick hinter die virtuelle Welt und geht der Frage nach, was die vernetzten Kraftwerke heute schon in der Lage sind zu leisten.

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Schwerpunkt

Bestandsaufnahme

Ganz real am virtuellen Kraftwerk

Foto: Andreas Teich

In Deutschland sprießen virtuelle Kraftwerksprojekte zwar noch nicht wie Pilze aus dem Boden, dennoch beschäftigen sich zahlreiche Unternehmen mit der Frage, wie die dezentrale Energieversorgung mit solchen Vernetzungen Gestalt annehmen kann.

Text Martin Hainbucher, freier Redakteur Unna am Ostrand des Ruhrgebietes gilt heute zu Recht als ein Energiewende-Pionier: Vor mehr als einem Jahrzehnt, da tauchten gerade die ersten Windräder auf, wurde hier der Gedanke geboren, mehrere Kleinkraftwerke zentral zu steuern. Das erste virtuelle Kraftwerk war ein Versuch, um bei einer erwarteten (aber nicht realisierten) Flut von Brennstoffzellen ein effizientes Regelungsmanagement aufzubauen. „Wir wussten, dass die damals bereits diskutierte dezentrale Energieerzeugung virtuelle Kraftwerke als Grundlast-Basis haben müsste und dass man die Verfügbarkeit solcher Kapazitäten nicht einfach dem Zufall überlassen müsste“, erinnert sich Dietmar Biermann, Hauptabteilungsleiter Energiemanagement der Stadtwerke Unna.

Schon seit 2004 werden Blockheizkraftwerke der Stadt nicht mehr einzeln betrieben. „Wir fahren heute zwei BHKW mit je drei Modulen und einer elektrischen Leistung von 4,8 MW zentral“, berichtet Biermann. „Am Anfang wurden wir damit fast überall belächelt, inzwischen wird das Thema Smart Grid der Netze viel diskutiert“, sagt Biermann. Der Aufwand für die Steuerung rechnet sich, zumal die Anlagen nicht nur nach dem Strompreis geführt werden, sondern auch hinsichtlich des Gaspreises. Ein eigener Gasspeicher macht das möglich. Die Chance, auch Mikro-BHKW einzubeziehen, sehen die Stadtwerke jedoch erst, wenn deren Zahl bei einigen Hundert liegt. „Der technische, 20

auch der organisatorische Aufwand ist sehr hoch, der Nutzen pro Anlage aber mit wenigen Kilowatt begrenzt“, so der Techniker. „Ein virtuelles Kraftwerk ist nicht nur etwas, was sich auf den Festplatten von Computern befindet“, scherzt Lars Lorenz, der als Projektleiter bei Vattenfall Europe seit 2010 damit beschäftigt ist, einen ganzen Schwarm an gasbetriebenen Blockheizkraftwerken, Wärmespeichern und Energieverbrauchern zusammenzukoppeln. Die Idee ist ebenso einfach wie faszinierend, weil sie zumindest einen Teil des Problems mit dem unsteten Anfall von Wind- und Sonnenstrom lösen könnte: Stehen die Windräder still, werden in Köpenick, Neukölln und Wannsee oder auch in Hamburg-Schnelsen per Mausklick BHKW angeworfen. „Wir haben dabei Geräte verschiedener Hersteller und Größenklassen von fünf bis 600 kW“, berichtet Lorenz. Der dezen­tral eingespeiste Strom entlastet dann das Netz und gleicht das knappe Angebot mit aus. Zugleich liefern die Kraftmaschinen Wärme, die sich speichern lässt und mittlerweile gut 100.000 Wohnungen beliefert. Ist hingegen reichlich Sonnen- oder Windstrom im Netz, können von der gleichen Warte aus zusätzliche Verbraucher wie etwa Wärmepumpen oder im Sommer Kälteanlagen zugeschaltet werden. Alles läuft über ein ausgeklügeltes elektronisches System: Das virtuelle Kraftwerk kennt den Zustand der Wärmespeicher, die Prognosen der Wetterfrösche und den Bedarf der Stromkunden ebenso wie die Netzkapazitäten.

Der Rest ist Programmierung.

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Schaltzentrale des Virtuellen Kraftwerkes von Vattenfall in Berlin

Inzwischen sprießen virtuelle Projekte überall aus dem Boden Wie hoch die Branche das Potenzial der virtuellen Kraftwerke als Netzpuffer einschätzt, zeigen die immer neuen Projekte und Studien. Siemens und RWE wollen 2012 bereits 20 MW am Netz haben, der Energieversorger Lichtblick will private Kleinkraftwerke in Privathäusern zusammenschalten und auch VNG beteiligt sich an einem auf drei Jahre ausgelegten Projekt mit Mikro-BHKW, das an der TU Dresden und der TU Bergakademie Freiberg stattfindet.

Die Energiebranche hat guten Grund, den Ausbau virtueller Kraftwerke weiter voranzutreiben. Zum einen, weil Strom nicht mehr nur zentral in großen Kraftwerken produziert und ins Netz eingespeist wird, sondern auch Stadtwerke, Industrie und Gewerbetreibende Strom über Blockheizkraftwerke erzeugen.

Sogar Hausbesitzer haben in zunehmender Zahl ein privates Kleinstkraftwerk im Keller stehen, mit dem sie Strom ins Netz einspeisen können. Für eine stabile Stromplanung müssen diese Einspeisungen koordiniert werden. Zum anderen, soll der Zuwachs bei den erneuerbaren Energien laut Bundesumweltministerium weiter beschleunigt werden: Bei der Photovoltaik werden bis 2030 installierte Leistungen von 60 Gigawatt, bei der Windkraft von 65 Gigawatt in Deutschland prognostiziert.

Das wäre mehr, als die heutigen konventionellen Kraftwerke leisten, die allerdings überwiegend grundlastfähig sind. Bei Wind- und Sonnenstrom hingegen, hat das Fraunhofer-Institut

für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) errechnet, steigen die so genannten Gradienten steil an: Die Kennlinie, die im Tagesgang die in das Netz abgegebene Leistung zeigt, ist von wilden Zacken geprägt. Bei Flaute und Dunkelheit kommt so gut wie nichts ins Netz, zu anderen Zeiten wird der Bedarf an Strom deutlich überstiegen.

In Deutschland laufen derzeit zahlreiche Versuche mit virtuellen Kraftwerken im Mikro-KWK-Bereich und mit großen Anlagen.

Bei Kleinanlagen mit elektrischen Leistungen von unter 2 kW – sie stehen überwiegend in privat genutzten Häusern – ist derzeit noch unklar, wie groß die Bereitschaft der Eigentümer zu einer Art „Fremdbestimmung“ über ihr „Zuhausekraftwerk“ ist. Versuche mit zahlreichen größeren Anlagen sind dagegen wesentlich unproblematischer. Sehr zuversichtlich etwa äußert sich RWE über ein gemeinsam mit Siemens betriebenes Projekt, bei dem nicht nur große BHKW mit insgesamt sechs Megawatt, sondern auch noch Wasserkraftwerke, Windanlagen und Photovoltaik an verschiedenen Standorten im Sauerland zentral aus Dortmund gesteuert werden. Das Hirn der Anlage ist das Energiemanagement-System DEMS von der Siemens AG. Es reagiert auf die Prognosen für Wind- und Sonnenstrom und der Strom wird über die Energiebörse EEX in Leipzig vermarktet.

Wenn 2012 erfolgreich verlaufen sollte, will RWE das virtuelle Kraftwerk rasch mit neuen Modulen ausbauen. Rund 200 MW seien nach RWE-Angaben in wenigen Jahren erreichbar.

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Schwerpunkt

Zubaupotenzial für kleine BHKW bis 50 kWel (kumuliert)

500 MW

400 MW 300 MW

100 MW

2012

2014

2016

2018

2020

Foto: Dirk Brzoska

200 MW

Quelle: ASUE

Schaltkreis eines virtuellen Kraftwerkes

Stadtwerke koppeln ihre Gaskraftwerke profitabel Cord Müller, Geschäftsführer der Stadtwerke Aalen, ist ebenfalls ein Verfechter der virtuellen Idee. „Wir betreiben ein solches Kraftwerk mit zunächst zwei BHKW, werden aber aufgrund der guten Erfahrungen weitere Anlagen aufschalten, sobald die wirtschaftlichen Hemmnisse beseitigt sind“, sagt Müller. Problematisch ist insbesondere die Stromsteuerdurchführungsverordnung, die den Einsatz von Kraftwärme-Anlagen derzeit wenig rentabel macht und auch den dringend erforderlichen Neubau von großen GuD-Kraftwerken vielerorts blockiert.

In Aalen wird knallhart gerechnet. Das Signal zum Anfahren der beiden BHKW kommt von einem Schaltpult, wo auch der Stromhandel angesiedelt ist – der Preis an der Strombörse EEX in Leipzig muss nur hoch genug sein, dann sind die Aggregate minutenschnell mit voller Leistung am Netz und erzeugen Strom, Wärme – und Geld für die Kasse der Stadtwerke. „Wenn wir unser Kraftwerk wie geplant erweitern können, werden wir die Anlagen je nach Wirtschaftlichkeit einzeln ansteuern. Die ganz kleinen rechnen sich erst bei etwa zehn Cent pro Kilowattstunde, sehr große schaffen es auch schon bei vier bis fünf Cent“, sagt Müller.

Je komplexer ein System, desto schwieriger ist dessen Steuerung, das weiß auch der Stadtwerkschef, der auch von den Erfahrungen der inzwischen rund 20 anderen Betreiber virtueller Kraftwerke profitiert. „Wünschenswert ist natürlich ein sehr breites Netz dezentraler Anlagen“, sagt er. Doch das individuelle Verbrau-

cherverhalten ist ebenso schwierig zu planen, wie Wetterprognosen verlässlich sind. „Wir haben uns daher zu einer Steuerung entschieden, die den Ist-Betriebszustand jeder Anlage erfasst, insbesondere die freie Wärmespeicherkapazität“, erklärt Müller.

Dort, wo Wärme nur in geringem Maße abgerufen wird, schaltet die Zentrale das BHKW möglichst frühzeitig ab, um später, wenn Strom teuer verkauft werden kann, auch diese Kapazitäten wieder frei zu haben. Freilich hat dieses System im Sommer längere Vorlaufzeiten als im Winter, wo die Heizungen große Wärmemengen verlangen. Aber auch die Netzstabilität, so Müller, beeinflusst die Fahrweise. Ist regional die Last gering, müssen die BHKW vom Netz – unabhängig vom Strompreis an der Börse.

Großzügig dimensionierte Wärmespeicher, die moderate Mehrkosten bei der Investition erfordern, können das System der virtuellen Kraftwerke ebenso rentabler machen wie auch zusätzliche Wärmeverbraucher im Sommer. Sobald sich gewerbliche Nutzer oder Klimaanlagen mit einbinden lassen, schließt sich das „Sommerloch“ leichter, der „Flaschenhals Wärmeabsatz“ wird geweitet.

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Die Vernetzung aller Erzeuger ist technisch lösbar Virtuellen Kraftwerken gehört die Zukunft, dessen ist sich Dr. Kurt Rohrig, stellvertretender Direktor des Fraunhofer Institutes IWES in Kassel, ganz sicher. Auch wenn ihre Entwicklung teilweise noch in den Kinderschuhen steckt, misst Rohrig ihnen eine künftig ganz

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SchleswigHolstein

e-Telligence EWE AG Schwarmstrom Lichtblick MiniVersum Senertec EnVersum

MecklenburgVorpommern

Hamburg Bremen Niedersachsen

Virtuelles Kraftwerk Vattenfall

Berlin SachsenAnhalt

Brandenburg

RegModHarz E.ON

NordrheinWestfalen

ProViPP RWE Virtuelles Kraftwerk SW Unna E-DeMa RWE

Energiepark Clausthal TU Clausthal

Smart Watts STAWAG

Sachsen Thüringen

Regionales Virtuelles Kraftwerk VNG, TU Dresden, TU Bergakademie Freiberg

Hessen

VK Rheinland-Pfalz FH Bingen/TSB Regelenergiepool MVV Modellstadt Mannheim MVV

RheinlandPfalz

Virtuelles Kraftwerk Mainova

Saarland

VPP Stadtwerke Aalen EVF-Stromerzeugung Filstal

MeRegio EnBW Bayern BadenWürttemberg

AlpEnergy Allgäuer Überlandwerk Quelle: BDEW

Virtuelle Kraftwerks-Projekte in Deutschland

entscheidende Rolle bei dem Umbau des Energienetzes zu. Um das Netz zu stabilisieren, dürfen die Einzelanlagen nicht ungeregelt voneinander betrieben werden. „Wir simulieren auf unseren Rechnern verschiedene Ausbauszenarien, um die notwendige Netzintegration der Erneuerbaren möglich zu machen“, sagt Rohrig. Um flächendeckend eine gesicherte Versorgung jenseits von Kohle und Kernkraft zu ermöglichen, gehe es nicht ohne Vernetzung der anderen Erzeuger. So wird jetzt mit dem auf drei Jahre ausgelegten Forschungsprojekt „Kombikraftwerk 2“ untersucht, wie sich ein virtuelles Kraftwerk auch dann sicher fahren lässt, wenn Sonnen-, Biogas und Windenergie direkt in die Steuerung mit einbezogen wird. „Technisch ist das lösbar, bisher fehlt es aber noch an weiteren ökonomischen Anreizen, auch wenn inzwischen Marktprämien gezahlt werden“, meint der Wissenschaftler mit Blick auf ein ganzheitliches Stromkonzept. Letztlich puffern die virtuellen Kraftwerke die Spitzen von Angebot und Nachfrage, sind eine Form der Kurzzeit-Energiespeicher. Ergänzend benötigt werden

außerdem Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher oder Batterien für den Tagesbereich und langanhaltende Energiespeicher, die auf elektrochemischem Weg synthetisches Erdgas aus überschüssigem Strom erzeugen.

Stichwort Blockheizkraftwerk Die in der Regel mit Erdgas und Bioerdgas betriebenen Blockheizkraftwerke gibt es heute für den kommerziellen Einsatz im Bereich Einfamilienhäuser (bis 2 kW elektrische Leistung), in Mehrfamilienhäusern (bis 10 kW) und für die Versorgung von Wärme-Inseln und gewerblichen Objekten. In letzterem Fall können elektrische Leistungswerte von bis zu einem Megawatt erreicht werden. Im weiteren Sinne gehören auch industrielle Kraftwerke mit (Fern-) Wärmeauskopplung, etwa die Gasund Dampfturbinen-Kraftwerke, in die Klasse der Blockheizkraftwerke.

BHKW erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von teilweise 90 Prozent.

Bis zum Jahr 2020 soll nach dem Fahrplan der Bundesregierung der Anteil der Kraft-Wärmekopplung mindestens 25 Prozent an der Stromwirtschaft erreichen.

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Schwerpunkt

Forschung

Die Zukunft beginnt im Labor Im Dreiergespann untersuchen die TU Dresden (TUD), die TU Bergakademie Freiberg und VNG die Vernetzung von Erdgas-Mikro-BHKW. medium gas stellt das kürzlich gestartete Forschungsprojekt vor und wirft einen Blick hinter die Kulissen des Dresdner Techniklabors.

Text André Deichsel, freier Redakteur | Fotos Dirk Brzoska Eng geht es zu im Forschungslabor des Dresdner Instituts für Energietechnik. Kein Wunder, wenn Kabel und Rohre den Raum durchziehen, etliche Mikro-BHKW aufgebaut sind, dazu meterhohe Wärmespeicher und zusätzlich noch Computer und Monitore angeschlossen wurden. Platz zum Arbeiten haben die Wissenschaftler des Institutes trotzdem. Ihr Auftrag: Wie kann die dezentrale Energieversorgung realisiert werden und wie kann sie mithelfen, um die Volatilität der erneuerbaren Energien auszugleichen?

Virtuell im Labor Was im Keller des Merkel-Baus der TU Dresden als Forschungslabor aufgebaut wurde, ist Teil des Projektes „Regionales Virtuelles Kraftwerk“, das die TU Dresden, die TU Bergakademie Freiberg und die Leipziger VNG im vergangenen Jahr gemeinsam initiiert haben. Die Experten wollen in den kommenden drei Jahren untersuchen, wie erdgasbetriebene Mikro-BHKW vernetzt werden können. Projektleiter Dr. Joachim Seifert konkretisiert: „Wir interessieren uns vor allem für die Auswirkungen auf das regionale Stromnetz bei individueller Stromeinspeisung durch die Privathaushalte.“ Dr. Seifert ist der Bereichsleiter für Gebäudeenergietechnik an der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung an der TUD und somit ein ausgewiesener KWK-Experte.

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Wissenschaftler vom Institut für Energietechnik (TU Dresden).

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Das Herzstück und die Schaltzentrale des „Regionalen Virtuellen Kraftwerks“ steht im Keller des sogenannten Merkel-Baus der TU Dresden – benannt nach dem Physiker Leopold Carl Friedrich Merkel. Im Bild: Dr. Jörg Hartan (VNG Gasspeicher GmbH) (2. v. l.) mit dem Forscherteam aus Dresden und Freiberg.

Mikro-BHKW als Erzeugungsreserve Das Projekt basiert auf der Idee, viele kleine Mikro-BHKW in den heimischen Kellern zu einem größeren Kraftwerk zusammenzuschalten – und damit einen Stromlieferanten zu haben, falls Windkraft- und Solaranlagen witterungsbedingt ausfallen.

Dr. Seifert macht die einfache Rechnung auf: „Jeder Haushalt mit einem Mikro-BHKW kann Wärme und Strom produzieren und überschüssigen Strom in das Netz einspeisen. Würden wir 10 Millionen erdgasbetriebene Mikro-BHKW in privaten Kellern mit einer Leistung von 4 kW verbinden, hätten wir in Summe eine Leistung von 40 Gigawatt. Das entspricht in etwa der Leistung aller deutschen Steinkohlekraftwerke.“ Mit einem solchen virtuellen Kraftwerk wäre eine relativ kostengünstige Erzeugungsreserve geschaffen, die bei Windstille und wenig Sonne für die nötige Energie sorgen könnte.

Forschungsprojekt beginnt mit Grundlagenarbeit Bevor die Wissenschaftler konkrete Aussagen zur Vernetzung von Mikro-BHKW treffen können, müssen sie jedoch umfangreiche Untersuchungen an den Mikro-BHKW vornehmen. Derzeit analysieren sie im Labor zwei Mikro-BHKW der Unternehmen Kirsch und Viessmann. Anlagen weiterer Hersteller folgen in Kürze. „Ziel ist die Klassifizierung aller auf dem Markt verfügbaren Geräte hinsichtlich ihrer Regelleistung. Dazu betrachten wir die Anlagen in unterschiedlichen Phasen, um Aussagen über den Gesamtwirkungsgrad treffen zu können“, so Seifert.

Auch Praxiswerte aus dem heimischen Keller sind wichtig Neben den Laborwerten beziehen die Wissenschaftler auch Messwerte aus der praktischen Geräteanwendung in ihre Untersuchungen ein. Hier kommt VNG ins Spiel. Der Leipziger Erdgasspezialist beteiligt sich derzeit mit über 150 Feldtests in Deutschland, der Schweiz und den Niederlanden an der Entwicklung innovativer Gasanwendungstechnologien. Im „Regionalen Virtuellen Kraftwerk“ werden einige dieser Feldtests genutzt, um die Laborergebnisse in der Praxis zu überprüfen. Erst kürzlich besuchten die Dresdner Wissenschaftler mehrere Berliner Familien, die an einem gemeinsamen Feldtest von GASAG, VNG und Kirsch teilnehmen. „Wir haben uns vor Ort die Verbrauchsdaten der letzten Jahre angesehen, dazu die Anlagendaten ausgewertet und die jeweilige Bausubstanz der Einfamilienhäuser betrachtet“, betont Dr. Jörg Hartan. Der Elektroingenieur ist bei VNG einer der KWK-Experten und begleitet das Forschungsprojekt sehr intensiv. Joachim Seifert ergänzt: „Die in Berlin gewonnenen Daten fließen in eine numerische Simulation ein. Für jedes reale Gebäude wird dazu ein digitales Modell gebaut und eine Jahressimulation durchgeführt.“ Dr. Seifert und Dr. Hartan sind übrigens optimistisch, dass sie in drei Jahren eine umfassende und repräsentative Auswertung auf dem Tisch haben und danach die Funktionstüchtigkeit eines dezentralen, erdgasbasierten KWK-Verbundes gut abschätzen können.

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Schwerpunkt

Interview

„Wir verzahnen Wärme- und Elektrotechnik.“ Dr. Joachim Seifert, TU Dresden

Herr Dr. Seifert, welches Hauptziel verfolgt das Forschungsprojekt?

Hauptziel ist der Nachweis der Funktionsfähigkeit eines regionalen Verbundes von Erdgas-Mikro-BHKW. Wir wollen Kleinst-KWK-Anlagen so vernetzen, dass durch die Interaktion ein möglichst großer Mehrwert für den Anlagenbetreiber generiert wird. Dabei müssen die Anlagen so gesteuert werden, dass sie genügend Wärme und Strom produzieren, aber trotzdem geordnet zusammenarbeiten, d. h. keine kritischen Betriebszustände für das elektrische Niederspannungsnetz entstehen.

Können Sie kurz den Projektablauf beschreiben?

Zunächst untersuchen wir im Labor eine ganze Reihe von Aggregaten. Die Ergebnisse übertragen wir in ein numerisches Computermodell, um erste Erkenntnisse zu gewinnen. Dabei interessiert uns vor allem das Zusammenspiel von Haus, Gerät und Nutzerverhalten. Danach simulieren wir die Verbindung mehrerer Geräte in einem Niederspannungsnetz und schauen, 26

was in diesem Netz passiert, wenn Strom eingespeist wird. In der zweiten Projektphase übertragen wir die theoretischen Ergebnisse in die Praxis. Dabei wollen wir im mitteldeutschen Raum ein „reales, virtuelles Kraftwerk“ aufbauen.

Gebiet der Wärme- und der Elektrotechnik. Bisher wurden die Bereiche immer separat betrachtet. Dazu haben wir eine interdisziplinäre Projektgruppe gegründet, die aus Mitarbeitern des Institutes für Energietechnik und Mitarbeitern des Institutes für Elektrische Energieversorgung

In wie weit hebt sich die Mikro-BHKWTechnologie von anderen Heizungssystemen ab?

Die gleichzeitige Wärme- und Stromproduktion im heimischen Keller ist die eigentliche Innovation. Das hat natürlich enorme Vorteile gegenüber der getrennten Erzeugung von Wärme und Strom. Vor allem führt es zu primärenergetischen Einsparungen und einer erheblichen CO2Reduktion im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen.

und Hochspannungstechnik besteht.

Jetzt wird es uns gelingen, gemeinsame Lösungsvorschläge für den Wärme- und Strombereich aufzuzeigen. Zudem kümmern sich unsere Freiberger Kollegen um die Automatisierungstechnik, also das übergeordnete Regelregime.

In Deutschland wird an verschiedenen Stellen zum Thema Energiesystemvernetzung geforscht. Was macht das „Regionale Virtuelle Kraftwerk“ so einzigartig?

Wir gehen erstmals in den Gebäudebereich und konkret in das Ein- und Zweifamilienhaus. Im Speziellen beschäftigen wir uns mit den thermischen Auswirkungen aber auch den benötigten Informations- und Kommunikationswegen, um solche Systeme ansteuern und in einem Verbund im regionalen Niederspannungsnetz betreiben zu können. Die Schwierigkeit besteht darin, den elektrischen Output der Mikro-BHKW so zu steuern, dass der Hausbewohner stets Wärme im Haus hat.

Was kann die TU Dresden (TUD) in diesem Projekt beisteuern, was andere Hochschulen nicht können?

Wir verzahnen die Forschung auf dem

Wie viele Wissenschaftler sind in das Projekt involviert?

In Dresden arbeiten vier Nachwuchsforscher am Forschungsprojekt. Durch die Einbindung von Studenten, wissenschaftlichen Mitarbeitern und Hochschullehrern sichern wir eine enorme wissenschaftliche Breite ab. Gleiches gilt für die TU Bergakademie Freiberg. Natürlich haben wir ein großes Eigeninteresse, in diesem Projekt eine wissenschaftlich sehr hochkarätige Arbeit zu leisten.

Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert Privatdozent für Heizungs- und Raumlufttechnik am Institut für Energietechnik der TUD | Studium an der Fakultät Maschinenwesen der TUD (Studiengang Technische Gebäudeausrüstung) | wissenschaftl. Mitarbeiter am Institut für Thermodynamik und technische Gebäudeausrüstung | 2005 Promotion | mehrere Forschungsaufenthalte an der University of Hong Kong (SAR) 2009 Habilitation | seit 2010 Bereichsleiter Gebäudeenergietechnik an der Professur Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der TUD | joachim.seifert@tu-dresden.de

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„Erdgastechnologien erobern den Heizungsmarkt.“ Dr. Jörg Hartan, VNG Gasspeicher GmbH Herr Dr. Hartan, seit wann beteiligt sich VNG an der Entwicklung von wärme- und stromerzeugenden Heizungen?

Seit rund 15 Jahren beschäftigen wir uns intensiv mit dem Thema Kraft-WärmeKopplung und der Entwicklung von Anlagen für den heimischen Keller. Wir haben die Geräte auch schon immer Mikro-BHKW genannt, weil sie eben klein sind und dennoch funktionieren wie ein großes Blockheizkraftwerk.

Wie wahrscheinlich ist es denn, dass – wie im Beitrag beschrieben – 10 Millionen Kleinkraftwerke im heimischen Keller virtuell vernetzt werden können?

Rein technisch ist das mittels moderner Internettechnologien sicher kein Problem. Die entscheidende Frage besteht vielmehr darin, wie kann sich die MikroKWK im Vergleich zur klassischen Heizung unter wirtschaftlichen und funktionalen Kriterien etablieren. Das numerische Potenzial ist zweifelsfrei vorhanden.

Wieso sind Mikro-BHKW für VNG so interessant?

Durch die doppelte Nutzung des eingesetzten Erdgases – also der Produktion von Wärme und Strom – werden Ressourcen auf effizienteste Art genutzt. Anders gesagt, aus 100 Prozent Erdgas werden nahezu 75 Prozent Wärme und rund 25 Prozent Strom. Diesen hohen Gesamtwirkungsgrad bietet keine andere Heizungstechnik. Mit dem Einsatz unseres regenerativen Bioerdgases als Primärenergieträger können wir beim Einsatz in der Mikro-KWK-Technologie in Punkto Klimaschutz sogar eine Art Königsweg beschreiten.

Gehört dieser Technologie somit die Zukunft im Heizungsmarkt?

Ja, die Dynamik im Wärmemarkt ist deutlich spürbar. Neben Mikro-BHKW werden aber auch Gaswärmepumpen, Geräte mit Erdgasbrennwerttechnik und die Brennstoffzelle den Heizungsmarkt erobern. Im Verbund mit Solarthermie und Bioerdgas ebnen diese Erdgastechnologien zusammen den Weg zur nachhaltigen und intelligenten Energieversorgung der Zukunft.

Wieso initiiert VNG das Forschungsprojekt „Regionales Virtuelles Kraftwerk“?

Uns bewegt die Frage, welche zusätzlichen Vorteile sich aus der Nutzung einer Vielzahl von Mikro-BHKW ergeben. Wir denken dabei konkret an das Zusammenschalten sehr vieler Anlagen, um dadurch insgesamt eine große Erzeugungsreserve, also letztlich große Kraftwerke, ersetzen zu können. Wichtig ist, dass man die Geräte nicht mit einer herkömmlichen Heizung verwechselt. Bei Mikro-BHKW handelt es sich eher um kleine, sehr effiziente und flexible Kraftwerke mit hoher Komplexität.

Und diese Komplexität soll untersucht werden?

Richtig. Wir gehen fest davon aus, dass eine große Zahl von alten Heizungsanlagen in den nächsten Jahren durch moderne Mikro-BHKW ersetzt wird. Wenn eine gewisse Anlagenanzahl erreicht ist, jeder Haushalt aber individuell Wärme produziert und dabei Strom ins Netz einspeist, gibt es unter Umständen ein kleines Chaos im regionalen Niederspannungsnetz.

Daher ist es enorm wichtig, die Wärmeund Stromproduktion mehrerer Anlagen bedarfsgerecht in Einklang zu bringen.

Wie kam der Kontakt mit Dresden und Freiberg zustande?

Es ist ja kein Geheimnis, dass beide Hochschulen auf den Gebieten der Wärme-, Elektro- und Informationstechnik exzellent aufgestellt sind. In der Vergangenheit haben wir bereits sehr gut mit den Wissenschaftlern der TU Dresden zusammengearbeitet – unter anderem bei einem Demonstrationsprojekt mit 15 Mikro-BHKW im Jahr 2009. Auch die Forscher der TU Bergakademie Freiberg unterstützen uns seit einiger Zeit durch die Entwicklung eines Monitoringsystems bei der Datenauswertung unserer Feldtestanlagen.

Dr.-Ing. Jörg Hartan Fachgruppenverantwortlicher Automatisierungs- u. Prozessleittechnik bei der VNG Gasspeicher GmbH | Studium an der damaligen TH Leipzig, Sektion Automatisierungstechnik wissenschaftl. Assistent | 1985 Promotion auf dem Gebiet der Regelungs- und Steuerungstechnik | seit 1991 Mitarbeiter in der VNGGruppe | joerg.hartan@vng-gasspeicher.de

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Schwerpunkt

Gastbeitrag

Stadtwerke sind die Treiber der Energiewende vor Ort Hans-Joachim Reck, Hauptgeschäftsführer des Verbandes kommunaler Unternehmen (VKU), schildert den Übergang von der zentralen Energieversorgung zu einem dezentralen Energie­ system in Deutschland.

Noch vor einigen Jahren dominierten wenige zentral orientierte Erzeugungsanlagen die Energielandschaft in Deutschland.

Die vier großen Energieversorgungsunternehmen agierten dabei in einem nahezu monopolistischen Markt und kontrollierten damit nicht nur die Versorgungsstrukturen, sondern auch die Preise.

Doch dieses Bild hat sich seit Ende 2000, mit Beginn der ersten Rekommunalisierungswelle, gewandelt. Diese führte dazu, dass Stadtwerke vermehrt Konzessionen zurückgewannen und sich die Erzeugungsstruktur schrittweise von einem zentral ausgerichteten Energiesystem zu dezentralen Strukturen entwickelte. Mit dem Ausstiegsbeschluss aus der Atomenergie im Frühjahr 2011 und den im Sommer 2011 eilig eingebrachten Gesetzen zur Energiewende wurde schließlich das rechtliche Fundament für den vollständigen Umbau des Energiesystems gelegt.

Zugleich wurde damit auch der weitere Weg für den Ausbau der dezentralen Erzeugung geebnet.

Gleichzeitig mit der Abschaltung von acht Atomkraftwerken im Zuge des Moratoriums sind 8.000 Megawatt Leistung vom Netz gegangen. Diese konnten gut durch eine bessere Ausnutzung von fossilen Kraftwerken, aber auch durch den 28

verstärkten Ausbau erneuerbarer Energien, abgefangen werden. So sind allein 2011 Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von 7,5 Gigawatt installiert worden und konnten bereits einen Großteil der fehlenden Energie ersetzen. Geplant war laut Bundesregierung gerade einmal ein Zubau von drei Gigawatt.

Die erneuerbaren Energien haben damit in kürzester Zeit ihren Anteil an der Stromversorgung in Deutschland auf fast 20 Prozent erhöht und erstmals die Kernkraft überholt. Insofern sind die Ziele der Bundesregierung, ihren Anteil bis 2020 auf 35 Prozent zu erhöhen, zwar ambitio­ niert, aber durchaus realistisch.

Beim Umbau des Energiesystems kommt den rund 900 Stadtwerken in Deutschland eine Schlüsselrolle zu. Sie unterstützen die Energiewende mit innovativen Konzepten für eine effiziente Energieverwendung – und das nicht erst seit den politischen Entscheidungen von 2011 – sowie Investitionen in eine nachhaltige und auf erneuerbaren Energien basierende Versorgung. Derzeit bauen sie schon für über acht Milliarden Euro dezentrale Erzeugungskapazitäten, wovon weit über 50 Prozent in erneuerbare Energien oder effiziente und hochflexible Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung gehen. Wenn die

ordnungs- und wirtschaftspolitischen Rahmenbedingungen stimmen, können die Stadtwerke in den nächsten Jahren weitere Milliarden Euro zusätzlich aufwenden.

Gegenwärtig versorgen kommunale Unternehmen über 50 Prozent der Bürger mit Strom, erzeugen aber gerade einmal knapp zehn Prozent. Für einen echten Wettbewerb ist dies jedoch deutlich zu wenig. Das Ziel ist deshalb, den Anteil der Stadtwerke an der Stromerzeugung innerhalb den nächsten zehn Jahre auf 20 Prozent zu erhöhen. Hierzu setzen wir neben den Erneuerbaren auf flexible und hocheffiziente Kraftwerke, zum Beispiel GuD-Anlagen.

Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken sind die erneuerbaren Energien aufgrund ihrer volatilen Einspeisemenge jedoch nicht dazu geeignet, die Grundlast abzudecken. Zudem wird der Großteil der Energie aus Wind und Sonne im Norden erzeugt, die großen Verbraucherzentren liegen jedoch weiter im Süden, was ganz neue Herausforderungen an die Netzinfra­ struktur erzeugt. Deshalb brauchen wir neben den großen Übertragungsnetzen einen deutlichen Ausbau der Verteil­ netze. Bereits heute werden 97 Prozent der erneuerbaren Energien über die

Foto: VKU/Schüring-photo.com

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Verteilnetzebene eingespeist. Bei hohem Windaufkommen kann es jedoch passieren, dass Windräder abgeschaltet werden, um eine Überlastung des Netzes zu vermeiden. Die dafür notwendigen Ausbaukosten im Netzbereich liegen bis 2030 nach unseren Hochrechnungen bei 25 Milliarden Euro. Darin noch nicht enthalten sind die Kosten für den Umbau hin zu intelligenten Netzen.

Neben dem notwendigen Netzausbau bedarf es auch der Nutzung von Energiespeichern, um die energiepolitischen Ziele wirtschaftlich und nachhaltig zu realisieren. Für die Unterstützung einer sicheren und nachhaltigen Energieversorgung können beispielsweise mit „Powerto-Gas“ verlässlich und bedarfsgerecht Überschüsse aus der lokalen Windenergieproduktion eingesetzt werden, die sonst durch Abregelung verloren gingen.

Das kann helfen, den ansonsten notwendigen Netzausbau zu vermeiden beziehungsweise zu optimieren. Kommunalen Betreibern der Gasverteilnetze fällt mit „Power-to-Gas“ die Rolle des Systemintegrators volatiler und nicht planbarerer Energie zu. Daneben stellt es für sie ein Konzept dar, ihre vorhandenen Gasnetze vor dem Hintergrund einer auf Klimaschutz und Energieeinsparung ausgerichteten

Politik und bei tendenziell rückläufigen Gasverbräuchen zu nutzen.

Neben den Netzen und den Erneuerbaren müssen wir noch mehr auf die Effi­zienz setzen. Anders formuliert: „Die beste Energie ist die, die wir nicht verbrauchen.“ Um die Energiewende zu vollziehen, werden durch die angestrebten Maßnahmen die Energiepreise vorübergehend moderat steigen. Diesen Preisanstieg können wir durch Energieeffizienzmaßnahmen, auch durch die Verbraucher selber, deutlich abmildern. Zudem fangen der vermehrte Neubau von Gaskraftwerken und die damit einhergehenden Effizienzgewinne die Preissteigerung mittelfristig wieder auf.

Die Energiewende bietet die Chance, die Vorreiterrolle Deutschlands auf dem Weg zu einem hocheffizienten, erneuerbaren Energiesystem zu festigen und den dringend notwendigen Wettbewerb auf dem Erzeugungsmarkt anzuschieben.

Genauso wie die Ethikkommission vor gut einem Jahr proklamiert hat, sind wir überzeugt, dass auch ohne Kernenergie eine sichere und bezahlbare Energieversorgung möglich ist – ohne Abstriche beim Klimaschutz und mit einem Zugewinn an Arbeitsplätzen.

Wir teilen die Zuversicht der Bundesregierung, dass die Wettbewerbsfähig-

keit Deutschlands durch den Umstieg auf regenerative Energien gestärkt wird.

Eines steht fest: Das Energiesystem der Zukunft wird deutlich weniger auf zentralen Strukturen beruhen, sondern auf vielen dezentralen Erzeugungsanlagen. Die Kommunalwirtschaft ist hier originärer Partner der Politik, da sie die erforderliche dezentrale Energieerzeugung vor Ort ausbaut und die Verteilnetze betreibt.

Die kommunalen Unternehmen sind Garant, dass der Weg in eine klimaschonende und zuverlässige Energieversorgung sicher gestaltet werden kann und in der Bevölkerung die notwendige Akzeptanz findet.

Hans-Joachim Reck Reck ist Hauptgeschäftsführer des Verbandes kommunaler Unternehmen (VKU) | Der VKU vertritt über 1.400 kommunalwirtschaftliche Unternehmen in den Bereichen Energie, Wasser/ Abwasser und Abfallwirtschaft | Mit 236.000 Beschäftigten wurden 2009 Umsatzerlöse von rund 94 Mrd. Euro erwirtschaftet und etwa 8 Mrd. Euro investiert. Die VKU-Mitgliedsunternehmen haben im Endkundensegment einen Marktanteil von 54,2 Prozent in der Strom-, 67,7 % in der Erdgas-, 76,3 % in der Trinkwasser-, 58,2 % in der Wärmeversorgung und 12,8 % in der Abwasserentsorgung.

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Schwerpunkt

Energieeffizienz am Ostseestrand Mehr Energieeffizienz im Wärmebereich steht im Mittelpunkt des Pilotprojekts „ÖkoEnergie“, das von der Stadtwerke Rostock AG, dem Gerätehersteller Vaillant und VNG initiiert wurde. Gemeinsam setzen die Kooperationspartner auf den Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen in Hotels und Pensionen im Ostseebad Kühlungsborn und entlang der mecklenburgischen Ostseeküste. medium gas war beim Projektstart in Kühlungsborn dabei.

Text Mandy Nickel, VNG Dass an der Küste meist eine steife Brise weht, gilt als allgemein bekannt. Folglich sollten Windräder in Wassernähe eine hohe Attraktivität besitzen. Doch was in der Theorie logisch klingt, stößt in von Tourismus geprägten Küstenregionen auf breiten Widerstand. Fest steht: Trotz Skepsis bei der Errichtung von Windparks in Küstennähe ist das Umweltbewusstsein bei den Hoteliers der Ostseeregion besonders groß; schließlich achten auch Urlauber zunehmend auf klimafreundliches Reisen.

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Eine grüne Küste mittels Mikro-BHKW Mit dem Projekt „ÖkoEnergie“ setzen die Stadtwerke Rostock AG, VNG und der Gerätehersteller Vaillant auf das Umweltbewusstsein in Kühlungsborn sowie den umliegenden Ostseebädern der mecklenburgischen Küste und engagieren sich für die Verbesserung der Energieeffizienz in Hotels, Pensionen und sonstigen touristischen Einrichtungen. Gelingen soll dies mit dem Austausch alter Heizungsanlagen und dem Einbau moderner und hocheffizienter Mikro-Blockheizkraftwerke auf Erdgas- oder Bioerdgasbasis. Der Vorteil: KWK-Anlagen für den heimischen Keller produzieren Wärme und Strom. Da

die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umwelt weitgehend vermieden wird, erreichen die Anlagen einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Der produzierte Strom kann neben der vergüteten Einspeisung ins Stromnetz natürlich auch zum Eigenverbrauch genutzt werden. Somit schonen Mikro-BHKW den Geldbeutel und tragen durch den wesentlich geringeren CO2-Ausstoß zum Klimaschutz bei.

In Kühlungsborn befinden sich rund 60 Hotels, Pensionen und Appartementhäuser sowie über 2.000 private Ferienwohnungen. Da viele dieser Häuser Anfang der 1990er Jahre saniert oder neugebaut wurden, ist der Modernisierungsbedarf

Foto: Matthias v. d. Elbe

medium gas 1 | 2012

der Heiztechnik besonders groß. Durch die Sanierung im Gebäudebereich und den Austausch von alten Heizungsanlagen mit modernen KWK-Anlagen werden auf schnellstem Wege Effizienzpotenziale geschaffen, die über den Einsatz von anderen Energieerzeugungsanlagen nicht erreicht werden können.

Das Rundum-Sorglos-Paket Hier setzen die Projektpartner an und haben mit „ÖkoEnergie“ für Interessierte ein komplettes Servicepaket, von der Beratung im Vorfeld bis zur Evaluierung der tatsächlichen Energieersparnis entwickelt.

Um im Vorfeld abschätzen zu können, ob

sich für den Hotelier der Einsatz eines Mikro-BHKW auch rechnet, übernimmt VNG die komplette Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Vaillant stellt anschließend ein individuelles Technikpaket zusammen.

Mit dem markt­erprobten BHKW ecoPOWER kann Vaillant je nach Größe des Gebäudes Geräte von 1 kWel bis 20 kWel bereitstellen. Der Einbau erfolgt durch lokale Fachhandwerkspartner. Die Stadtwerke Rostock AG fungieren als direkter Ansprechpartner, liefern das benötigte Erdgas und kümmern sich um notwendige Förderanträge. Das Anlagen-Monitoring –­quasi die Auswertungs- und Entscheidungsgrundlage für Energieeinsparungen

– wird wiederum von VNG durchgeführt.

Neben dem umfassenden Servicepaket warten auf die Kunden neben der KWK-Förderung durch das Bundesumweltministerium (siehe Seite 17) auch Bonuszahlungen von bis zu 2.500 Euro, die von der Stadtwerke Rostock AG und Vaillant bereitgestellt werden.

Fazit: „ÖkoEnergie“ wirkt nicht nur nachhaltig, kosteneffizient und ökologisch sinnvoll, sondern es unterstreicht auch das Image Mecklenburg-Vorpommerns als Tourismusland mit umweltfreundlichen Energiekonzepten und als Standort innovativer Zukunftstechnologien. www.ökoenergie-mv.de 31