Der Strommarkt ist von dem Umstand gekennzeichnet, dass Strom gleichzeitig erzeugt und verbraucht werden muss. Eine zeitliche Lücke kann nur durch Speicherung von Strom in Akkusystemen organisiert werden, was aktuell nur in geringem Umfang verfügbar ist. Daher sollten Erzeugung und Verbrauch immer ausgeglichen sein – und zwar zu 100 %. Dieses technische Prinzip stellt das Stromnetz in Zeiten der Energiewende vor neue Herausforderungen.
Neue Herausforderung: Schwankende Erzeugung im Stromsystem
Der steigende Anteil erneuerbarer Energien hat zur Folge, dass die Stromerzeugung zeitlich kurzfristigen Schwankungen unterliegt. Diese Differenz zwischen Stromnachfrage und fluktuierendem Angebot aus erneuerbaren Energien bezeichnet man als Residuallast und wird aus konventionellen Kraftwerken gedeckt. Die Anforderungen an Kraft- und Heizkraftwerke, die fossile Brennstoffe nutzen, haben sich daher geändert. Sie müssen heute in der Lage sein, schnell und flexibel auf Angebotsschwankungen zu reagieren. Das bedeutet, sie werden stromsystemdienlich eingesetzt.
Energie effizienter nutzen mit Kraft-Wärme-Kopplung
Um fossile Energieträger, die noch nicht komplett ersetzt werden können, zumindest so effizient wie möglich zu nutzen, wurde die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung entwickelt: Strom und Wärme werden gleichzeitig erzeugt. Zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme stehen eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien zur Verfügung. Zu den sogenannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) gehören:
- Motoren (Stirlingmotor und Verbrennungsmotor)
- Turbinen (Gasturbine, Dampfturbine und Gas- und Dampfturbine, Mikrogasturbinen)
- Brennstoffzellen
Unter dem Begriff des Blockheizkraftwerks (BHKW) werden häufig Verbrennungsmotoren, Mikrogasturbinen, Stirlingmotoren und Brennstoffzellen zusammengefasst. KWK-Anlagen leisten dann einen Beitrag zur Brennstoff- und CO2-Einsparung, wenn sie Kohle- und Gaskraftwerke bei der Deckung der Residuallast verdrängen.
Was leistet die KWK-Betriebsoptimierung?
Eine KWK-Betriebsoptimierung (KWK-BOp) bietet eine gesamtwirtschaftliche Betriebsoptimierung von KWK-Anlagen, mit dem Schwerpunkt auf BHKW-Anlagen, an. Das Dienstleistungsspektrum erstreckt sich von der Planungsunterstützung, bspw. bei Wärmeversorgungsaufgaben, bis zur operativen Betriebsoptimierung von KWK-Anlagen über die gesamte Lebensdauer.
Auch das Beispiel der nachfolgenden Kundenanlage setzt auf die KWK-Betriebsoptimierung. Die Biogasanlage mit Vor-Ort-Verstromung wurde 1983 gebaut, stetig erweitert und gehört zu den Pionieranlagen der Energiewende. Sie wurde als Versuchsanlage zur Vergärung von Schweinegülle errichtet. Nach der Aufgabe der Masttierhaltung auf dem landwirtschaftlichen Betrieb wurde der Einsatzstoff umgestellt auf nachwachsende Rohstoffe (NawaRo) und Speisereste aus Kantinen. Das in den Fermentern unter anaeroben (luftfreien) Bedingungen gewonnene Biogas wird noch auf dem Betriebsgelände mittels BHKW zu Strom und Wärme umgewandelt und kann damit bis zu 200 Haushalte mit Strom versorgen. Die Wärme wird für die Aufbereitung der Lebensmittelabfälle, Heizung der Fermenter sowie der eigenen Wohnhäuser und Betriebsgebäude benötigt. Besonders an der Anlage ist, dass sie bereits vor dem Erneuerbaren Energie Gesetz (EEG), welches erstmals im Jahr 2000 verabschiedet wurde, bestand.
Artikelautor Philipp Scherer ist seit 2018 bei Erdgas Südwest im Bereich des Energiehandels und im Projektteam KWK-Betriebsoptimierung tätig.
Herausforderung: Nach Ende der EEG-Förderung Strom optimal vermarkten
Das EEG ist das Werkzeug der Bundesregierung, um die Energiewende voranzutreiben. Es regelt die Vergütung für eingespeisten Strom aus den erneuerbaren Energien. Mit einer 20-jährigen Festvergütung bietet des EEG den Anlagenbetreibern kalkulierbare Erlöse. Der Strom aus erneuerbaren Energien muss vom Netzbetreiber bevorzugt abgenommen werden. Ziel des EEG ist, bis zum Jahr 2050 den gesamten in Deutschland verbrauchten Strom treibhausgasneutral zu erzeugen. Im Jahr 2020 war der Anteil an erzeugtem Strom aus erneuerbaren Energien erstmals größer als der Anteil aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas, Öl und Kernenergie.
Mit den EEG-Novellen von 2004 und 2009 war die Stromerzeugung aus Biogas lukrativ und es herrschte ein Biogas-Boom, in dem die Zahl der Anlagen in Deutschland von 2.050 auf 7.838 stieg. 2020 waren 9.359 Anlagen am Netz. In den nächsten Jahren endet für immer mehr Biogasanlagen der erste Vergütungszeitraum im EEG. Nach der Förderperiode des EEG stellt sich für den Anlagenbetreiber die Frage, ob er in den ungeförderten Weiterbetrieb geht oder die Anlage zurückgebaut wird. Spätestens mit Beginn des ungeförderten Weiterbetriebs muss der Strom direkt vermarktet werden. Das Augenmerk fällt daher auf den Strommarkt. Der Vorteil der Speicherbarkeit des Gases kann hier genutzt werden, um zu Zeiten hoher Strompreise einzuspeisen. Dadurch kann ein Mehrerlös am Markt erzielt und der wirtschaftliche Anlagenbetrieb erreicht werden.
Optimierung des Betriebs einer Biogasanlage
Um die bedarfsgerechte (flexible) Einspeisung gewährleisten zu können, benötigen die Biogasanlagen einen entsprechend großen Gasspeicher. Da das BHKW die maximale Strommenge in kurzen Zeiträumen erzeugt, muss der Motor leistungsstark sein. Man spricht daher von einer Überbauung.
Diese Fahrweise bringt einen Versatz zwischen Wärmeerzeugung und Wärmebedarf mit sich, der mit Wärmespeichern ausgeglichen wird. Die Laufzeit der Motoren wird so angepasst, dass es nicht zu Engpässen in der Wärmeversorgung kommt. Das Team KWK-BOp hat sich zum Ziel gesetzt, diese Faktoren in den Fahrplan der BHKWs einzubinden.
In der familiengeführten landwirtschaftlichen Kundenanlage wurde dazu umfangreich modernisiert, ein größer Gasspeicher gebaut und im letzten Zuge steht nun die Errichtung eines neuen BHKW an. Das Team der KWK-BOp konnte mit dem Angebot der Optimierung und Direktvermarktung überzeugen und wurde beauftragt. In die umfangreichen Berechnungen des eigens entwickelten Algorithmus werden die geplanten Daten wie zum einen der Eigenbedarf an Strom und Wärme sowie die Kapazität der Gas- und Wärmespeicher einbezogen. Darüber hinaus werden die stündlich erzeugte Gasmenge mit den Gasgestehungskosten, die Wirkungsgrade und Leistungsdaten aller BHKW sowie die Kosten für deren Instandhaltung erfasst. Neben den technischen Anforderungen müssen auch die rechtlichen Bedingungen betrachtet werden. Zum Beispiel in welchem EEG sich die Anlage befindet, ob es sich um eine Anlage handelt, die bereits in die Direktvermarktung eingestiegen ist, welche Förderungen die Anlagen noch in Anspruch nehmen kann oder die Einhaltung der 4.000 Viertelstunden im Jahr, an denen das BHKW 85 % seiner Nennleistung abgeben muss.
Nachdem ein erster prognostizierter Fahrplan das neue Laufverhalten der Anlage aufzeigt, wird festgelegt, wie viele Starts die BHKW haben sollen und wie Fütterungen und Wartungen auf einen optimalen Betrieb ausgerichtet werden können. Hier helfen langjährige Branchenerfahrungen. So wurde das Laufverhalten an die individuellen Bedingungen vor Ort und der Anlage angepasst. Dem Betreiber war es beispielsweise wichtig, dass im Fall von notwendigen Wartungs- oder Reparaturarbeiten die Möglichkeit besteht, den Fahrplan der Maschine entsprechend anzupassen.
Optimierung der Betriebszeiten auf die Preise am Strommarkt
Der Algorithmus errechnete bei angenommener idealer Strompreisprognose einen durchschnittlichen Mehrerlös von rund 28 % für das neue BHKW. Dies bezieht sich auf die Differenz zwischen dem Spotmittelwert und dem Spotpreis (Day-Ahead-Auktionen durch KWK-BOp) an der Energie-Börse. Verpackt in einer Box wird ein funktionsgleicher Algorithmus, der zudem über operative Zusatzfunktionen wie Intraday-Optimierung und eine Bediensoftware verfügt, mit der Steuerung der KWK-Anlage des Kunden integriert. Der Fahrplan kann damit auf die sich ändernden Faktoren wie die Gasproduktion, Strompreis oder den Wärmebedarf angepasst werden.
Die Anlagensteuerung durch KWK-BOp ermöglicht die Einbindung von Erweiterungen. Die einstige Pionieranlage ist mit KWK-BOp für die Zukunft also bestens gerüstet.
Sie sind Besitzer einer KWK-Anlage und haben Interesse an einer Betriebsoptimierung? Dann nehmen Sie jetzt Kontakt mit unserem Beratungsteam auf. Wir analysieren gerne Ihre Anlage und ermitteln deren Potenzial für eine Betriebsoptimierung.
