YADOS Fachartikel Sektorkopplung in Bosbüll | emw Ausgabe 5/21

5 21
Auszug aus
Ausgabe 5
Oktober 2021
Erzeugung & Infrastruktur
Sektorkopplung in Bosbüll
Von Sven Mahlitz, Vertriebsleiter Energiesysteme, Yados Vertriebs GmbH
ISSN: 1611-2997

Erzeugung & Infrastruktur
Sektorkopplung
Alte Erzeuger werden zu neuen Gewinnern
Ob Solarenergie vom Dach oder aus der Fläche, Windkraft vom Wasser oder an Land oder
Strom aus anderen regenerativen Energiequellen, für alle Anlagen gilt: Die Förderung
nach EEG läuft nach 20 Jahren aus. Jetzt sind alternative Energienutzungskonzepte gefragt.
Wie das geht, zeigt die nordfriesische Gemeinde Bosbüll mit ihren Power-to-Heatund
Power-to-Gas-Projekten, die dank einer umfassenden Sektorenkopplung weiterhin
für einen wirtschaftlichen „Post-EEG-Betrieb“ sorgen.
Von Sven Mahlitz, Vertriebsleiter Energiesysteme, Yados Vertriebs GmbH
Die EEG-Förderungen von Solarund
Windkraftanlagen wird in
den kommenden Jahren sukzessive
wegfallen. Für diese Anlagen
braucht es daher Perspektiven.
Doppelter Power-to-X-Ansatz
Auch in der kleinen Gemeinde Bosbüll
mit seinen 250 Einwohnern nahe der
dänischen Grenze verlieren zwei der
Bürgerwindenergieanlagen Ende 2021 ihre
EEG-Vergütung. Weitere fallen in den kommenden
Jahren aus dem Förderrahmen.
Auch der Freiflächensolarpark verliert
seine Bezuschussung Ende des Jahrzehnts.
Ein neues Konzept, das über das
Förderprogramm „Wärmenetzsysteme 4.0“
des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle
(BAFA) gefördert wird, soll
die regenerativen Energieerzeuger wieder
wirtschaftlich machen. Das Power-to-X-
Projekt steht auf zwei Säulen: Zum einen
sorgt eine ausgeklügelte Power-to-Heat-
Lösung über Luft-Wasser-Wärmepumpen
für die Wärmeversorgung via eigenem
Fernwärmenetz und auf der anderen Seite
produziert eine innovative Power-to-Gas-
Anlage Wasserstoff, der Brennstoffzellen-
Busse des öffentlichen Personennahverkehrs
mit Treibstoff versorgt.
Für die Konzeption, Planung und Umsetzung
des Verbundprojekts zeichnet die GP
Joule GmbH verantwortlich. Die technische
Realisierung der Power-to-Heat-Lösung
hat die Yados GmbH übernommen. Das
Unternehmen aus Hoyerswerda lieferte und
installierte das Leit- und Kommunikationssystem
der Energiezentrale (vgl. Abb. 1).
Grüne Wärme für neues
Fernwärmenetz
Das neue 2.700 Meter lange Fernwärmenetz
versorgt zunächst 25 Bosbüller
Wohngebäude sowie einen Schweinemastbetrieb.
Das Mastunternehmen
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in Bosbüll
Foto: © GP Joule
benötigt etwa 900 MWh pro Jahr, die es
bislang über einen Ölkessel bezog. Die
Wohnhäuser haben einen thermischen
Energiebedarf von rund 252 MWh pro
Jahr. In einem zweiten Anschlussschritt
sollen weitere Privatgebäude und auch
Großabnehmer an das Fernwärmenetz
angeschlossen werden.
Versorgt wird das Fernwärmenetz durch
drei vorlaufgeregelte Luft-Wasser-Wärmepumpen
mit insgesamt 240 kW Leistung.
Sie wandeln den regenerativ erzeugten
Strom in thermische Energie um (im
Durchschnitt rund 820 MWh/Jahr). Hinzu
kommen etwa 370 MWh Wärmeenergie
pro Jahr, die ein Elektroheizstab in
einem 14 Meter hohen und 84 m³ großen
Speicher mit einer Leistung von 750 kW
erzeugt. Bis zu vier Wochen kann der
Speicher die thermische Energie zwischenspeichern
(vgl. Abb. 2).
Apropos Speichermöglichkeit: Volatile Leistungsspitzen
und negative Residuallasten
02 Die neue Energiezentrale und der 14 Meter
hohe Wärmespeicher (Foto: Yados)
01 Blick in die Energie-Effizienzzentrale für Bosbüll (Foto: Yados)
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03 Anlieferung der Betonzellen für die Energiezentrale.
(Foto: Yados)
so ins System ein, dass nur notwendige
Lade- und Entladevolumenströme durch
den Speicher fließen. Somit minimiert sie
die Durchmischung innerhalb des Speichers
und hält die Temperaturschichten
möglichst stabil.
Durch den Einsatz des übergeordneten
Steuer- und Regelungssystems Yadolink
stellen die Energieingenieure sicher, dass
alle beteiligten Energieerzeuger mit idealem
Wirkungsgrad arbeiten. Nur so kann
die maximale Effizienz des Gesamtsystems
erreicht werden. Um die wichtigsten Anlagenparameter
direkt zu koordinieren,
regelt und vernetzt das Steuersystem
neben sämtlichen Anlagen der Energiezentrale
auch die Wärmeübergabestationen
und ihre eingebauten Direct-Digital-
Control (DDC)-Regler.
bedingt durch die volatile Stromerzeugung
aus alternativen Energiequellen maximieren
den Bedarf an Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen,
wie Abregelungen nach
§14 EEG 2021 (Einspeisemanagement bzw.
Einsman-Schaltungen). Eine Möglichkeit,
das Stromnetz trotz mangelnder Speichermöglichkeiten
stabil und ohne massive
Einbußen durch Abregelungen führen
zu können, liegt in der Umwandlung des
überschüssigen Stroms in Wärme oder
einen anderen Energieträger, wie das bei
Power-to-X-Projekten der Fall ist.
stellt sicher, dass thermische Energie zur
geplanten Zeit in der gefragten Menge am
richtigen Ort zur Verfügung steht – unter
Verwendung möglichst geringer Antriebsenergie.
Sie bindet den Wärmespeicher
04 Transparentes und aussagekräftiges Monitoring (Quelle: Yados)
Die Nutzer können auf einem großflächigen
und bedienfreundlich eingerichteten
21,5 Zoll-Display in Echtzeit alle anlagenrelevanten
Daten und Informationen abrufen
und einsehen: Temperaturen, Drücke,
Störmeldungen usw. (vgl. Abb. 4). Das
Steuerungssystem nimmt zwei wichtige
Aufgaben wahr. Erstens optimiert es durch
eine kontinuierliche Auswertung aller
systemimmanenten Soll- und Ist-Daten
die Anlagenführung strategisch. Dazu
leitet es aus gesammelten Informationen
wiederkehrende Trends und langfristige
Prognosen ab. Gibt es auf Erzeuger- oder
Verbraucherseite Abweichungen von der
Prognose, greift zweitens die Regelungsfunktion
des Steuersystems und passt den
Betrieb der betreffenden Komponente
entsprechend an. Im akuten Bedarfsfall,
beispielsweise bei technischen Störungen
Effizienz durch optimierte
Hydraulik und smartes Leitsystem
In einer 60 Tonnen schweren Betonzelle
ist die Energiezentrale des Leuchtturmprojektes
untergebracht (vgl. Abb. 3). Sie
besteht aus zwei Einzelzellen, die vor Ort
zusammengeführt und aufgebaut wurden.
Hier stehen zur Spitzlastabdeckung ein
Hoval Max-3 Gasheizkessel, eine Notheizung
und eine Hydraulikstation für die
Wärmeverteilung bereit. Letztere ermöglicht
ein optimiertes Zusammenspiel von
Wärmeerzeuger, Wärmespeicher und
Wärmeverteiler. Die Hydraulikstation
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oder Ausfall, bei veränderter Leistungsabfrage
oder unerwartet wechselnden
Außenbedingungen durch einen Temperatursturz
oder eine Hitzewelle, können
hiermit regulierende automatisierte oder
personelle Eingriffe in die laufenden Produktions-,
Verteil- und Speichervorgänge
verzögerungsfrei vorgenommen werden.
Stabile Netzführung durch effiziente
Wärmeübergabestationen
Stellschraube und Herzstück eines optimal
betriebenen Fernwärmenetzes sind die
Wärmeübergabekomponenten. In Bosbüll
verbinden Smart-Home-fähige Wärmeübergabestationen
die Heizungsanlagen
der Gebäude mit dem Fernwärmenetz.
Hydraulisch durch einen Plattenübertrager
getrennt, übertragen die Anlagen
als regulierende Verbindungseinheit das
Wärmemedium abhängig von Temperatur,
Druck und Bedarf.
Zentral für den bedarfsgerechten
Fernwärmenetzbetrieb sind möglichst
niedrige Rücklauftemperaturen. Denn
je niedriger diese sind, desto höher ist
die thermische Übertragungskapazität,
entsprechend sind die notwendigen
Volumenströme geringer, ebenso wie die
Strömungs- und Wärmeverluste sowie
der elektrische Pumpenaufwand. Das
Fernwärmenetz der Gemeinde Bosbüll
zeichnet sich durch eine Vorlauftemperatur
von 75 bis 85 Grad Celsius und eine
Rücklauftemperatur von 50 bis 55 Grad
aus. Die DDC-Regelungen der Übergabestationen
berechnen abhängig von
den jeweiligen Witterungsverhältnissen
und den Zeit- und Komfortvorgaben der
Nutzer die für eine effiziente und stabile
Netzführung notwendigen Vorlauftemperaturen.
Künftig sollen auch die Heizsysteme
der Abnehmer abgeglichen
werden. Um Wärmeverluste im Netz so
gering wie möglich zu halten, sind die
Rohre zusätzlich maximal gedämmt.
Wasserstoff für den öffentlichen
Personennahverkehr (ÖPNV)
Das Besondere am Bosbüller Energiekonzept
besteht vor allem in der dreifachen
Sektorenkopplung der Bereiche Energie,
Gebäude und Mobilität. Die Power-to-
Heat-Anlage wird dabei durch Power-to-
Gas ergänzt. Die Elektrolyseure sind Teil
des nordfriesischen „eFarm“-Projekts,
dem größten nachhaltigen Wasserstoff-
Mobilitätsprojekt in Deutschland. Mit dem
Verbundprojekt wird im Kreis Nordfriesland
eine Wasserstoff-Infrastruktur
auf ausschließlicher Basis erneuerbarer
Energien von der Erzeugung über die
Verarbeitung bis zur Flottennutzung in
Brennstoffzellenfahrzeugen realisiert.
In Bosbüll produzieren zwei von insgesamt
fünf Polymer-Elektrolyt-Membran
(PEM)-Elektrolyseuren, die im Kreisgebiet
verteilt stehen, aus regional erzeugtem
Solar- und Windstrom grünen Wasserstoff.
Die Bosbüller Anlagen erzeugen täglich
mit jeweils 225 kW Leistung insgesamt
etwa 400 kg Wasserstoff. Durch die
Abwärmenutzung aus der Wasserstoffproduktion
liegt der Wirkungsgrad der
Elektrolyseure bei 95 Prozent. Auch in
diesem Fall übernimmt das übergeordnete
Steuerungssystem eine wichtige Funktion:
Es wertet die Kommunikation zwischen
den Windanlagen und den Elektrolyseuren,
die im Sekundentakt erfolgt, aus und
überträgt unter anderem Wärmebedarfsmeldungen
an die Elektrolyseure.
Der Wasserstoff wird an zwei Wasserstoff-
Tankstellen in Niebüll und in Husum vertrieben.
Nachdem eine Verdichtungsanlage
den Treibstoff auf den zum Tankvorgang
benötigten Druck von 500 bis 1.000 bar
gebracht hat, können zwei speziell dafür
angeschaffte Brennstoffzellen-Busse sowie
weitere Last- und Personenkraftfahrzeuge
mit dem CO 2
-freien Kraftstoff betankt
werden. Eine Tankfüllung der Linienbusse
reicht für rund 400 Kilometer, was in etwa
einem regulären Betriebstag im ÖPNV
entspricht (vgl. Bild 5).
Fazit
Das Bosbüller Energiekonzept ist eine
durchweg runde und nachhaltige Sache.
Der Ort spart dank seiner Power-to-
Heat-Anlage nicht nur bis zu 180.000
Liter Heizöl, sondern auch 760 Tonnen
CO 2
-Emissionen im Jahr. Darüber hinaus
zeigt das Projekt, wie volatile Leistungsspitzen
und negative Residuallasten, die
ein großes Problem bei der Erzeugung
erneuerbarer Energien darstellen,
gewinnbringend genutzt werden
können. Die Power-to-Heat-Anlage nutzt
den regenerativen Strom insbesondere
zu Zeiten der Einsman-Schaltung, etwa
in Starkwindphasen. Anstatt wie üblich
zur Sicherung der Netzstabilität
abzuregeln, beziehungsweise die
Leistung zu begrenzen, wandeln die
Power-to-Heat-Komponenten die
„überschüssige“ Energie in Wärmeenergie
um. Diese fließt dann entweder
direkt ins Fernwärmenetz oder wird im
Speicher zwischengepuffert.
Durch das sektorenkoppelnde Projekt von
Bosbüll bleiben die Ü20-Anlagen höchst
wirtschaftlich, zumal zu keiner Zeit
elektrische Leistung aus dem öffentlichen
Netz bezogen wird und vorhandene
Effizienzpotenziale und Synergieeffekte
maximal ausgeschöpft werden.
SVEN MAHLITZ
Jahrgang 1970
05 Die neue Wasserstoff-Tankstelle in Niebüll mit Brennstoffzellen-Bus (Foto: GP Joule)
Wirtschaftsingenieur B.Sc Energietechnik
tätig für verschiedene BHKW-Hersteller
(u.a. als Vertriebsleiter)
seit 2018 Vertriebsleiter Energy,
YADOS Vertriebs GmbH
sven.mahlitz@yados.de
Auszug aus e|m|w Heft 05|2021 5

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