Modell fĂŒr eine fossilfreie Energiezukunft

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Autor: Martin Gentner
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4. Juni 2023

Modell fĂŒr eine fossilfreie Energiezukunft

Seit einiger Zeit macht eine kleine Gemeinde in Nordfriesland energietechnologisch von sich reden, denn die energetische Versorgung des neuen WĂ€rmenetzes von BosbĂŒll ist alles andere als Standard. Durch ein Power-to-X-Konzept und eine dreifache Sektorenkopplung bleiben die Ü20-Wind- und Solaranlagen auch im Post-EEG-Betrieb rentabel, wĂ€hrend die WĂ€rmeversorgung der 250-Seelen-Gemeinde gesichert bleibt. Das nordfriesische Leuchtturmprojekt zeigt, wie grĂŒne Energiezukunft intelligent geschrieben werden kann.

Am 8. September 2021 hat die nordfriesische Gemeinde nahe der dĂ€nischen Grenze das erste Power-to-Heat-WĂ€rmenetz (PtH) Schleswig-Holsteins mit einem „WĂ€rmefest“ feierlich eröffnet. Doch schon vor der Einweihung profitierten die bereits angeschlossenen Haushalte und ein landwirtschaftliches Großunternehmen von dem neuen, 2.680 Meter langen FernwĂ€rmenetz.

Startpunkt war die Heizzentrale, die die Yados GmbH, die fĂŒr die technische Realisierung der PtH-Lösung und das Leitsystem verantwortlich zeichnet, konstruiert und in BosbĂŒll aufgestellt hat. Die in einer 60 Tonnen schweren Betonzelle untergebrachte Energiezentrale steht direkt neben dem ersten Abnehmer, einer Muttersauenzucht. In unmittelbarer NĂ€he der Energiezentrale hat auch eFarm seinen Sitz, an den das WĂ€rmenetzsystem sektorengekoppelt ist. In etwa einem Kilometer Entfernung erreicht das neu ausgebaute WĂ€rmenetz die 25 BosbĂŒller Haushalte, die in der ersten Bauphase angeschlossen wurden. Weitere private und gewerbliche Abnehmer sollen in einem zweiten Schritt folgen.

Vom Post-EEG-Betrieb zur energietechnologischen Blaupause

Zwei BĂŒrgerwind- und -solarparks liefern seit Jahren elektrische Energie fĂŒr die Gemeinde BosbĂŒll. Das hat ökonomische Vorteile zum einen fĂŒr die BĂŒrgerInnen, die an den Parks finanziell beteiligt sind, und zum anderen fĂŒr die Gemeinde selbst, die durch die Gewerbesteuereinnahmen zahlreiche neue Projekte finanzieren kann. So bleibt die Wertschöpfung in der Region und trĂ€gt zu deren ökonomischer StabilitĂ€t bei. Ende 2021 lief die EEG-Förderung fĂŒr zwei der Windenergieanlagen aus, weitere fallen in den kommenden Jahren aus dem Förderrahmen heraus. Auch der Solarpark verliert seine Bezuschussung Ende des Jahrzehnts. Doch mit dem Power-to-X-Projekt, das die Sektoren Stromerzeugung, WĂ€rmebereitstellung und Kraftstoffproduktion koppelt, bleiben die alternativen Energiequellen weiterhin wirtschaftlich, und die Gemeinde profitiert durch eine zukunftsweisende ökologische und ökonomische Versorgungslösung.

BAFA-Förderung – kompliziert, aber lohnend

Um den Förderantrag beim BAFA (Bundesamt fĂŒr Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) zu stellen, wurden die BosbĂŒll Energie GmbH und die BosbĂŒll Energie GbR gegrĂŒndet. Da die Gemeinde laut schleswig-holsteinischem Kommunalrecht nicht an einer GbR beteiligt sein darf und gleichzeitig Energieerzeuger und Energieverbraucher in einer Hand sein mĂŒssen, war die Kommune gezwungen, aus der eigentlich geplanten Teilhabe selbst auszusteigen. Nach langen, umfangreichen Planungsarbeiten konnte der Antrag fĂŒr das Förderprogramm „WĂ€rmenetzsysteme 4.0“ des BAFA schließlich gestellt werden, und das mit lohnendem Ergebnis: Von 1,9 Mio. Euro Aufwand sind 1,6 Mio. Euro förderfĂ€hig.

Verantwortlich fĂŒr die Konzeption, Planung und Umsetzung des Verbundprojekts ist die GP Joule GmbH. Die Zusammenarbeit mit Akteuren in der Gemeinde hat bereits 2009 begonnen, als das nordfriesische Unternehmen den Solarpark projektiert und gebaut hat. Seitdem ist es fĂŒr die technische BetriebsfĂŒhrung zustĂ€ndig. DarĂŒber hinaus ist GP Joule zusammen mit dem Windpark BosbĂŒll Gesellschafter der BosbĂŒll Energie GmbH und als Initiator fĂŒr das Wasserstoffprojekt eFarm zustĂ€ndig.

Mit Power-to-Heat ins WĂ€rmenetz

Das PtX-Projekt steht auf zwei SĂ€ulen: Zum einen sorgt eine ausgeklĂŒgelte Power-to-Heat-Lösung ĂŒber Luft-Wasser-WĂ€rmepumpen fĂŒr die WĂ€rmeversorgung via eigenes FernwĂ€rmenetz, und auf der anderen Seite produziert eine Power-to-Gas-Anlage Wasserstoff fĂŒr ein ĂŒberregionales H2-MobilitĂ€tskonzept.

Um den jĂ€hrlichen Bedarf der angeschlossenen Haushalte mit insgesamt rund 500 MWhtherm und des landwirtschaftlichen Großbetriebs mit etwa 600 MWhtherm zu decken, stehen in BosbĂŒll drei vorlaufgeregelte Luft-Wasser-WĂ€rmepumpen. Sie wandeln den regenerativ erzeugten Strom aus den BĂŒrgerenergieparks mit einer Gesamtleistung von 240 kW in WĂ€rmeenergie fĂŒr das WĂ€rmenetz um. Ein Elektroheizeinsatz mit einer Leistung von 750 kW ergĂ€nzt die thermische Energie, indem er in einem 14 Meter hohen und 84 Kubikmeter großen Speicher Wasser erhitzt. Auf diese Weise kann die Energie bis zu vier Wochen zwischengespeichert werden. In der Energiezentrale stehen darĂŒber hinaus ein Hoval-Max-3-Gasheizkessel zur Spitzenlastabdeckung sowie eine Hydraulikstation zur WĂ€rmeverteilung bereit.

Ist die Hydraulik im Fluss, ist die Anlage in Balance

Um das Maximum an Effizienz bezogen auf das gesamte thermische Energiesystem zu erreichen, mĂŒssen die beteiligten Erzeuger und Verbraucher aufeinander abgestimmt und möglichst nah an ihrem jeweiligen Wirkungsgradoptimum betrieben werden. HierfĂŒr ist die Hydraulikstation des in Hoyerswerda ansĂ€ssigen Unternehmens Yados zustĂ€ndig: Sie optimiert zum einen das Zusammenwirken von Energieerzeuger, WĂ€rmeerzeuger, WĂ€rmespeicher und WĂ€rmeverteiler. Zum anderen stellt die Hydraulikstation grundsĂ€tzlich sicher, dass thermische Energie zur geplanten Zeit in der gefragten Menge am richtigen Ort zur VerfĂŒgung steht – und das Ganze unter Verwendung möglichst geringer Antriebsenergie.

Außerdem bindet sie nicht nur den WĂ€rmespeicher so ins System ein, dass nur Lade- und Entladevolumenströme durch den Speicher fließen, sondern verbessert auch die Schichtung der Temperaturen. FĂŒr den bedarfsgerechten FernwĂ€rmenetzbetrieb sind niedrige RĂŒcklauftemperaturen maßgeblich. Sie beeinflussen nicht nur die Volumenströme, die ÜbertragungskapazitĂ€t und den elektrischen Pumpenaufwand, sondern minimieren auch gleichzeitig Strömungs- und WĂ€rmeverluste. Die Vorlauftemperatur liegt bei 70 bis 85 °C, wĂ€hrend die RĂŒcklauftemperatur etwa 50 bis 55 °C betrĂ€gt.

Smarte Anlagensteuerung

Ein weiterer wichtiger Punkt, um das hohe Effizienzpotenzial eines intelligenten Sektorenkopplungskonzepts vollumfĂ€nglich ausschöpfen zu können, ist eine gut abgestimmte Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR). Sie ĂŒbernimmt die komplexe Aufgabe der exakt aufeinander abgestimmten Systemintegration aller am Prozess beteiligten Komponenten. Die ostdeutschen WĂ€rmenetzspezialisten haben hierfĂŒr das Leit- und Kommunikationssystem YADO|LINK installiert. Um die wichtigsten Anlagenparameter direkt zu koordinieren, regelt und vernetzt das Steuersystem neben sĂ€mtlichen Anlagen der Energiezentrale auch die WĂ€rmeĂŒbergabestationen und ihre eingebauten DDC-Regler. Auf einem großflĂ€chigen und bedienerfreundlich eingerichteten 21,5-Zoll-Display können die ZustĂ€ndigen durch das Prinzip des Echtzeit-Monitorings alle anlagenrelevanten Daten und Informationen abrufen und einsehen: Temperaturen, DrĂŒcke, Störmeldungen usw. Um die Installation und die Inbetriebnahme der Steuertechnik so einfach wie möglich zu gestalten, lieferten die Ingenieure das Ganze in zwei kombinierbaren SchaltschrankgehĂ€usen fertig vormontiert und verdrahtet in BosbĂŒll an.

Sicherheit und Effizienzverbesserung durch MSR-Technologie

Die Leittechnik dient generell als Koordinationsinstrument aller dezentralen Erzeugungs-, Verteil- und Übergabeprozesse von WĂ€rmeenergie, Strom und KĂ€lte. Zu ihrer Aufgabe gehört es, den gesamten Anlagenbetrieb nach definierten Soll-Vorgaben zu realisieren. Hierzu erfasst ein automatisiertes Echtzeit-Monitoring alle relevanten Daten und wertet diese schließlich aus. Kommt es auf der Verbraucher- oder der Erzeugerseite zu Abweichungen, greift die Regelungsfunktion und passt den entsprechenden Betrieb der betroffenen Komponente an.

Vernetzte Sensoren, Aktoren und modulare Regelungseinheiten liefern dem Leitsystem die hierfĂŒr erforderlichen Informationen. Dabei wird eine Vielzahl komplexer Funktionsabfragen verarbeitet. Im akuten Bedarfsfall kann so automatisiert oder manuell regulierend in laufende Produktions-, Speicher- oder VerteilvorgĂ€nge eingegriffen werden. Diese BedarfsfĂ€lle treten nicht nur bei technischen Störungen, in Ausfallsituationen oder bei plötzlich verĂ€nderten Leistungsabfragen ein, auch die Ă€ußeren Bedingungen wie eine unvorhergesehene Hitzewelle oder ein spontaner Temperatursturz können dazu fĂŒhren.

Eine strategische Optimierung der AnlagenfĂŒhrung ist ebenfalls durch eine kontinuierliche Auswertung aller systemimmanenten Soll- und Ist-Werte möglich, indem sich aus den gesammelten Informationen wiederkehrende Trends oder auch langfristige Vorhersagen ableiten lassen. MSR-Systeme der neuesten Generation gelten als wichtige Stellschraube fĂŒr die weitere Effizienzverbesserung in der Energieversorgung.

DarĂŒber hinaus kann die Leittechnik zur Stabilisierung und zu einem höheren Komfort bei der WĂ€rmebereitstellung beitragen. Der PrimĂ€renergieeinsatz lĂ€sst sich durchschnittlich um acht bis zehn Prozent (in besonders nutzungsintensiven FĂ€llen auch um bis zu 30 Prozent) durch die systembasierte Überwachung und Steuerung der Anlagenfahrweise und durch die Ausregelung der RĂŒcklauftemperaturen per MSR-Technologie senken.

WĂ€rmeĂŒbergabestationen fĂŒr stabile NetzfĂŒhrung

Neben einer intelligenten ĂŒbergeordneten Anlagensteuerung sind fĂŒr den optimalen Betrieb eines FernwĂ€rmenetzes die WĂ€rmeĂŒbergabekomponenten von zentraler Bedeutung. In der kleinen nordfriesischen Gemeinde verbinden Smart-Home-fĂ€hige WĂ€rmeĂŒbergabestationen die GebĂ€udeheizungsanlagen der Verbraucherseite mit dem FernwĂ€rmenetz. Sie ĂŒbertragen als regulierende Verbindungseinheit, hydraulisch durch einen PlattenĂŒbertrager getrennt, das WĂ€rmemedium abhĂ€ngig von Bedarf, Temperatur und Druck. Eine in den Übergabestationen verbaute Direct-Digital-Control-Regelung (DDC) berechnet dabei die erforderlichen Vorlauftemperaturen unter Einbezug aller relevanten – externen und individuell definierten – Parameter wie WitterungsverhĂ€ltnisse oder Zeit- und Komfortvorgaben der Nutzer. In Planung sind weitere zusĂ€tzliche Anpassungen der Heizsysteme auf Seite der Verbraucher. DarĂŒber hinaus sorgen in der nordfriesischen Kommune maximal gedĂ€mmte Rohre dafĂŒr, die WĂ€rmeverluste im FernwĂ€rmenetz so niedrig wie möglich zu halten.

Mit Power-to-Gas auf die Straße

Die Energie der BĂŒrgerwind- und -solarparks dient neben dem Betrieb des FernwĂ€rmenetzes auch der Produktion von grĂŒnem Wasserstoff. Dieser ist unverzichtbar fĂŒr die langfristige Dekarbonisierung der Sektoren MobilitĂ€t, WĂ€rme und Industrie. Der in BosbĂŒll produzierte Wasserstoff wird zur Betankung von Wasserstofffahrzeugen genutzt.

Die Power-to-Heat-Anlage erhĂ€lt durch den Anschluss an das eFarm-Projekt die ideale ErgĂ€nzung durch ein Power-to-Gas- bzw. Power-to-Fuel-Konzept. Dieses nachhaltige H2-MobilitĂ€tsprojekt zielt auf eine modular erweiterbare Wasserstoffinfrastruktur im Kreisgebiet Nordfriesland. Von den dort mittlerweile installierten fĂŒnf Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseuren (PEM) stehen zwei in BosbĂŒll. Die beiden generieren mit einer Gesamtleistung von 450 kW insgesamt tĂ€glich etwa 200 kg Wasserstoff aus dem regional erzeugten Solar- und Windstrom.

Dabei spaltet der Elektrolyseur mithilfe des elektrischen Stroms auf der Anodenseite seiner Elektroden destilliertes Wasser in Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene H+-Ionen. Die H+-Ionen diffundieren durch die protonenleitende Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoff werden.

Der Wirkungsgrad der Elektrolyseure in BosbĂŒll liegt bei bis zu 95 Prozent. Das liegt unter anderem auch daran, dass die AbwĂ€rme der H2-Erzeugung (etwa 100 MWhtherm) dem WĂ€rmenetz zugefĂŒhrt bzw. im WĂ€rmespeicher zwischengepuffert wird. Der grĂŒne Wasserstoff wird nach seiner Produktion an zwei H2-Tankstellen in NiebĂŒll und Husum transportiert. Eine Verdichtungsanlage sorgt fĂŒr die benötigten BetankungsdrĂŒcke von 350 bar fĂŒr Busbetankungen und andere Nutzfahrzeuge mit 350-bar-Tanks und 700 bar fĂŒr Pkw und leichte Nutzfahrzeuge.

Zwei im Rahmen des Projektes angeschaffte Brennstoffzellen-Busse des öffentlichen Personennahverkehrs nutzen die bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzte Energie als Antriebsenergie. Dabei reicht eine TankfĂŒllung der Busse fĂŒr 400 Kilometer, was einem regulĂ€ren Betriebstag im Linienverkehr entspricht. Neben den beiden Linienbussen wurden auch 30 Pkw mit Brennstoffzellenantrieb im Projektvolumen verankert. Diese werden nach und nach an die neuen Besitzer ĂŒbergeben. Neu hinzugekommen ist eine Fahrschule aus dem Kreisgebiet, die nun statt zweier Dieselfahrzeuge zwei BZ-Fahrzeuge fĂŒr ihren Fahrunterricht nutzt. Bei den Pkw reicht eine TankfĂŒllung fĂŒr bis zu 600 Kilometer und kostet rund 60 Euro.

Gezielte Nutzung von Ausfallarbeit

Ein großes Problem der Erzeugung regenerativer Energie ist und bleibt es, Energien aus Sonne, Wind und Wasser in grĂ¶ĂŸeren Mengen und ĂŒber lĂ€ngere Zeit zu speichern. Durch volatile Leistungsspitzen und negative Residuallasten aus alternativen Energiequellen erhöht sich der Bedarf an Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen wie den Einsman-Schaltungen, die auch als Einspeisemanagement bezeichnet werden und in § 14 EEG 2021 geregelt sind. Die durch diese Zwangsabregelungen verloren gegangene Energie, die sogenannte Ausfallarbeit, erreichte in Deutschland im Jahr 2021 die enorme Summe von 6,1 TWhel.

Um dieses große Dekarbonisierungspotenzial zu nutzen, wandeln PtX-Projekte die ĂŒberschĂŒssige regenerative Energie in elektrische WĂ€rme bzw. thermische Last oder einen anderen EnergietrĂ€ger, wie in diesem Fall Wasserstoff, um. Auch das Energiekonzept von BosbĂŒll nutzt gezielt bevorzugt die ÜberschussertrĂ€ge aus den Wind- und Solarparks, die sonst zu einer Überlastung des Netzes und damit zu Abregelungen fĂŒhren wĂŒrden. So dient die ansonsten ĂŒberschĂŒssige Energie dazu, die BĂŒrgerInnen warm zu halten und fĂŒr ihre MobilitĂ€t zu sorgen.

Vielversprechende Energiezukunftsmusik

Und es geht noch weiter: Die Gemeinde BosbĂŒll ist aktuell dabei, fĂŒr dieses Jahr ein weiteres Baugebiet auszuweisen, in dem das neue regenerativ betriebene WĂ€rmenetz vorverlegt werden soll. Und aufgrund der aktuellen welt- und geopolitischen Entwicklungen hĂ€ufen sich bei Ingo Böhm, dem BĂŒrgermeister von BosbĂŒll, die Anfragen nach weiteren HaushaltsanschlĂŒssen an das neue WĂ€rmenetz. Auch der Bau einer weiteren FreiflĂ€chen-Photovoltaik-Anlage 2023 ist planmĂ€ĂŸig bereits in trockenen TĂŒchern. Die Energie der Anlage wird vor allem in die Wasserstoffproduktion fließen. DarĂŒber hinaus sollen in der nĂ€chsten Zeit zehn weitere wasserstoffbetriebene BZ-Busse des öffentlichen Personennahverkehrs angeschafft werden.

Das Modell BosbĂŒll ist ein Leuchtturmprojekt, das gerade in diesen Zeiten, in denen die schnellstmögliche Dekarbonisierung oberste PrioritĂ€t hat, als Blaupause fĂŒr die Energiekonzepte anderer Kommunen dienen kann. Allein durch die Power-to-Heat-Anlage konnte die nordfriesische Gemeinde 180.000 Liter Heizöl jĂ€hrlich einsparen. DarĂŒber hinaus haben lokale Energiebezugslösungen immer auch den Vorteil einer weitgehenden MarktunabhĂ€ngigkeit – und zwar nicht nur bezogen auf die Versorgungssicherheit, sondern auch auf den Schutz vor PreisvolatilitĂ€t. Und nicht zu vergessen: Die aus dem Projekt resultierende Wertschöpfung bleibt in der Kommune und kommt allen BĂŒrgern zugute.

Um die Effizienz solch gekoppelter regenerativer Energiesysteme auf einem hohen Niveau zu halten, spielen die QualitĂ€t des Gesamtsystems und das ĂŒber die Steuerungstechnologie gelenkte Zusammenspiel der einzelnen Komponenten eine enorme Rolle. Die Kombination aus regenerativ erzeugter elektrischer und thermischer Energie und smarten Speicher- und Verteilkonzepten ist sicherlich eines der Zugpferde, die zu einem schnellen Gelingen der Energiewende beitragen können.

Erstveröffentlichung des Artikels in der Zeitschrift bbr Leitungsbau|Brunnenbau|Geothermie.

Autor:Martin Gentner, YADOS GmbH, Hoyerswerda

Quellenangabe: GP JOULE GmbH

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