Batterie ist der Boss

Die intelligente Kombination von Mikro-BHKW, PV-Anlage und Speicher senkt die Netzeinspeisung, stabilisiert das Netz und erhöht den Eigenverbrauch, so das Resultat einer aufwändigen Forschung.

Nehmen wir das Ergebnis des Forschungsprojektes Ekostore, das Ende August nach dreieinhalbjähriger Arbeit abgeschlossen wurde, gleich einmal vorweg: Dem Forscherteam vom Technologiezentrum Energie (TZE) der Hochschule Landshut unter der Leitung von Prof. Tim Rödiger (mit Felix Gacksatter und Georg Heyer) ist es gelungen, die Netzeinspeisung des speichergeführten BHKWs um 99 Prozent gegenüber einem wärmegeführten BHKW zu senken.

Auch der Strom der PV-Anlage konnte in dem von den Forschern modellierten Acht-Familien-Haus vermehrt genutzt werden, sodass die Netzeinspeisung um 55 Prozent gesunken ist. Gleichzeitig konnte der Autarkiegrad des Hauses von 74,5 Prozent auf 82,5 Prozent gesteigert werden. Was sowohl der Netzstabilität als vor allem auch den Brieftaschen der Bewohner zugute kommt.

Einsparungen beim Strombezug

Rödiger beziffert nämlich gegenüber Building Times die Strombezugs-Reduktion mit 1.643 kWh, was einer Ersparnis von 260 Euro pro Jahr entspricht. Dieser Rechnung liegt die bayerische/deutsche Strompreis-Situation zugrunde, wonach Strom derzeit etwa 28 Cent pro Kilowattstunde kostet und gleichzeitig die Einspeisevergütung von ca. zwölf Cent pro kWh entfällt. In Österreich sähe diese Rechnung natürlich anders aus und wird in Zukunft sicher noch ganz anders aussehen. Und noch zwei weitere Effekte haben die bayerischen Forscher festgestellt: Einerseits konnte der Batteriespeicher besser genutzt werden als bei der konventionellen BHKW-Regelung, weil sich seine Vollzyklenzahl erhöhte, und andererseits hat die Laufzeit des BHKW abgenommen.

Elektrischer Autarkiegrad steigt

Das Erreichte fassen Rödiger und sein Team unter dem Schlagwort „Die Batterie ist der Boss“ zusammen: „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.“

Allerdings räumten die Forscher – nicht zuletzt auf der erstmals abgehaltenen EM-Power, der Fachmesse für die intelligente Energienutzung in München (im Rahmen der Intersolar Europe) – ein, dass zur Verbesserung der Möglichkeiten der dezentralen Energieerzeugung weiter geforscht werden müsse. Weshalb sich die Landshuter in einem neuen EU-Interreg-Projekt mit dem Namen FSTORE mit Hybridsystemen mit Redox-Flow-Speichern beschäftigen werden. „Zudem wird in dem Projekt der Verbund mehrerer dezentraler Systeme erforscht sowie die Integration eines zentralen Quartierspeichers“, kündigen die Ekostore-Väter an.

Komponenten-Zusammenspiel eine Frage

Der auf sie zukommenden Probleme dürften sie sich klar bewusst sein, denn grundsätzlich sei die Vielzahl an Schnittstellen und Kommunikationsprotokollen am Markt noch eine große Herausforderung, die das standardisierte, sichere Ansprechen von Komponenten verschiedener Hersteller bislang erschwerten.

Gleichsam zum Trost ergänzen sie jedoch: „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“, woran aber bereits gearbeitet werde. Finanziert wurde Ekostore von der Bayerischen Forschungsstiftung, industrielle Partner des Technologiezentrums Energie der Hochschule Landshut waren emz Hanauer (smart solutions), Saft Batterien, die Stadtwerke Straubing sowie Wolf Heiztechnik.

PV-Anlage, BHKW, Stromspeicher und Wärmespeicher

Von der Tatsache ausgehend, dass immer mehr Unternehmen und Haushalte ihren Strom selbst erzeugen, Private normalerweise mit einer Photovoltaik-Anlage, während bei Mehrfamilienhäusern und im Gewerbe oft ein Blockheizkraftwerk (BHKW) dazukomme, um gleichzeitig Strom und Wärme zu generieren, auch wenn die Sonne nicht scheint, suchten die Landshuter nach einem Weg, die Stromerzeugung und vor allem den Eigenverbrauch zu optimieren. Denn die BHKWs seien meist wärmegeführt und entsprechend dem Wärmebedarf ausgelegt und dann in Betrieb, wenn Wärme benötigt werde. Batteriespeicher seien eine weitere Komponente, die solche hybriden Energiesysteme zunehmend ergänzten.

Komponenten konkurrieren mitunter

Das Problem dabei: „Bei der konventionellen, wärmegeführten BHKW-Betriebsweise konkurrieren die Komponenten jedoch mitunter: Arbeitet das BHKW während der Heizperiode zum Beispiel länger am Stück wegen des erhöhten Wärmebedarfs, 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 Sinn des Netzbetreibers noch des Anlagenbetreibers ist.“

Daraus entstand die Grundidee, die beiden Systeme – PV-Anlage und Stromspeicher sowie BHKW mit thermischem Speicher und Spitzenlastkessel – zusammen als ein System arbeiten zu lassen; allerdings ist der Betrieb des BHKW nicht wie üblich auf den Wärmebedarf ausgerichtet, sondern auf den Ladezustand des elektrischen Speichers.

Ein Energiemanagement-System erfasst als Schnittstelle zwischen den Komponenten nicht nur den Ladezustand des Batteriespeichers, sondern auch den thermischen Ladezustand des Wärmespeichers. Das BHKW läuft immer dann, wenn ein definierter Ladezustand des Stromspeichers (state of charge = SOC) erreicht und der thermische Speicher nicht zu heiß ist. Solcherart können thermische und elektrische Leistung in die Speicher geladen werden.

„Die Batterie ist der Boss“

Alle Komponenten wurden in einem Prüfstand aufgebaut und der Betrieb modelliert und simuliert: Ein Mikro-BHKW mit 4 kWel und 12 kWth Nennleistung, das Leistungsprofil der PV-Anlage wurde für die Tests simuliert, allerdings gibt es an der Hochschule auch eine PV-Anlage, ein elektrischer Speicher (Li-Ionen) mit 12 kWh Nennenergie (C/5), ein thermischer Speicher mit 960 Liter Speicherinhalt, eine Gasbrennwert-Heiztherme als Spitzenlasterzeuger sowie eine Frischwasserstation mit 60 kW thermischer Nennleistung. Lüfter und Wärmepumpen wurden als Rückkühleinheiten genutzt, um die thermischen Lastprofile von Mehrfamilienhäusern simulieren zu können. Motto: Die Batterie ist der Boss.

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