Intelligent austariert

Spezial

Speicher - Mit immer mehr erneuerbaren Energien im Netz steigen auch die Herausforderungen, das System im Gleichgewicht zu halten. Verschiedene Optionen könnten das Netz entlasten: Entscheidend dabei wird unter anderem die intelligente Verbindung von Verbrauch und Erzeugung sein. Das zeigen verschiedene Projekte, bei denen auch Lithium-Ionen-Speicher von Ads-tec beteiligt sind.

25. Februar 2015

Rund 157Mrd. kWh Strom produzierten die Erneuerbaren 2014 laut BDEW. Tendenz steigend. Der Ausbau der grünen Energie führt einige Verteilnetze an ihre Belastungsgrenzen. Die Netzbetreiber müssen gegensteuern und nutzen dafür auch sogenannte innovative Netztechnologien. Speicher sind eine Option. Sie sorgen »durch ihre dezentrale Einsatzfähigkeit für Netzstabilität, indem sie schnell und flexibel am Verbrauchsort Energieüberschüsse speichern und bei Bedarf wieder ins Netz einspeisen«, so Urban Windelen, Geschäftsführer des Bundesverbandes Energiespeicher (BVES).

Werden sie dann noch mit einem Energiemanagement kombiniert, lässt sich noch mehr erreichen. Beispielsweise im Zwiefaltener Ortsteil Sonderbuch: In dem 190-Seelen-Ort speisen 60 PV-Anlagen Strom ins Niederspannungsnetz. Beinahe auf jedem Dach gibt es eine Anlage. »Zu Spitzenzeiten wird hier sechs bis sieben Mal so viel eingespeist wie verbraucht wird«, sagt Ibrahim Berber, Projektleiter von Netze BW.

Das Unternehmen startete hier 2011 ein Pilotprojekt, in dem zuerst moderne Messtechnik in Haushalten und Trafostationen installiert wurde, es folgte 2012 der Einbau eines regelbaren Ortsnetztrafos und 2013 die Einbindung eines Batteriespeichers. Der Speicher ist auf die Bedürfnisse des Projektes ausgelegt, das Unternehmen Ads-tec hat ihn für den Netzbetreiber entwickelt. Er glättet zudem Spannungspitzen, indem er bei Bedarf die gespeicherte Energie innerhalb kurzer Zeit wieder ins Netz abgibt.

Speicher mit Regelstrategie

»In Sonderbuch soll im Feld getestet werden, wie auch ein Speicher die Stromnetze entlasten kann«, so Dr. Jens Kistner, Leiter Produkte und Projekte im Bereich Energy Storage bei Ads-tec. »In Deutschland werden aktuell sehr viele Eigenverbrauchsspeicher im privaten Bereich installiert. Typischerweise sind diese Speicher bereits vor der Mittagszeit voll.« Der dann zur Mittagszeit eingespeiste Solarstrom belastet die Stromnetze. Die für das Projekt in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart entwickelten intelligenten Speicheralgorithmen sollen es ermöglichen, gegenzusteuern.

Der Lithium-Ionen-Speicher mit einer Leistung von 30kW und einer Kapazität von 28kWh besteht aus drei Schaltschränken, in denen auch Steuerung und Wechselrichter untergebracht sind. In enger Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart wurde der optimale Standpunkt gesucht und in einer Straße mit besonders vielen Photovoltaikanlagen ermittelt. Denn am Ende eines langen Strangs installierter Einspeiser kommt es zu besonders deutlichen Spannungsanhebungen.

Die Regelstrategie des Speichers wird lokal auf der Kontrolleinheit des Speichers ausgeführt. »Über unser Energy-Management-System Big-Linx ist der Speicher zudem mit dem Netzbetreiber verbunden.« Dieser kann über die Schnittstelle des Systems die Netzsituation aus der Ferne analysieren, die Regelparameter optimieren oder komplett neue Regelalgorithmen auf den Speicher aufspielen. »Die von uns entwickelte Plattform erlaubt es, lokale Speicher dezentral zu steuern. Eine lokale Regellogik kann also über die Ferne angepasst werden«, erklärt Kistner. Zudem sei es möglich, Wartungsaufgaben aus der Ferne durchzuführen. »Bei der IT-Anbindung profitieren wir von der Erfahrung unseres weiteren Geschäftsbereichs Industrial IT. Die Verbindung entspricht neuesten Sicherheitsanforderungen und erfüllt die hohen Anforderungen großer Unternehmen und Energieversorger.«

Der für Netze BW entwickelte Speicher stärkt das Netz auch bei einem eher durchwachsenen Wetter, bei dem vorbeiziehende Wolken den Sonnenschein immer wieder unterbrechen. Eine solche Wettersituation beansprucht das Netz stärker als Dauersonnenschein, weil der sich in kurzen Zeitabständen wiederholende abrupte Wechsel von sehr hoher und geringer Einspeisung durch Photovoltaikanlagen starke Spannungsschwankungen verursacht. Diese Spannungsspitzen können mit dem Akku dynamisch geglättet werden.

Laut Kistner zeigte sich im Projekt bereits, dass eine gute Speicherstrategie die Netze stabilisiert sowie den Eigenverbrauch erhöht. »Eine optimierte Speicherstrategie berücksichtigt verschiedene Parameter. Neben lokaler Erzeugung und dem aktuellen Verbrauch müssen vor allem Netzzustand, Wetterprognosen und Erfahrungswerte aus dem Verbraucherverhalten berücksichtigt werden.«

Ein anderes Konzept wurde im Modellprojekt Weinsberg umgesetzt. Hier kommt unter anderem statt einzelner Hausspeicher ein Quartierspeicher zum Einsatz. In der Neubausiedlung bleibt möglichst viel der eigenerzeugten Energie vor Ort, anstatt in das darüber gelagerte Netz eingespeist zu werden. Möglich wird das durch ein intelligentes Energiemanagement, das verschiedene Systeme miteinander verknüpft.

Am Ortsrand der 11.000-Einwohner-Gemeinde nahe Heilbronn entstanden sechs freistehende Häuser, drei Reihenhäuser sowie zwei größere Mehrfamilienhäuser. Offiziell eingeweiht wurde die Siedlung im Juni 2014. Die 23 Wohneinheiten sind in der Zwischenzeit alle verkauft und bewohnt. Die Energieerzeugung für das Quartier übernehmen größtenteils Anlagen mit 145kW PV-Leistung, verteilt installiert auf den Dächern der Gebäude. Der Bauträger Kruck+Partner hat das Projekt gemeinsam mit Kaco new energy und dem Fraunhofer ISE entwickelt.

Zu 97 Prozent eigener Strom

Kaco, zuständig für die Energieversorgung der Siedlung, setzte hier mit einem integrierten Konzept an: Überschussenergie aus Photovoltaik, die nicht den momentanen Verbrauch bedient, wird als Spannung in elektrochemischen und als Wärme in thermischen Speichern für die spätere Verwendung gehalten. »Das Leuchtturmprojekt zeigt auf, was technisch möglich ist und wie die verschiedenen Komponenten gewinnbringend zusammenarbeiten können«, so Kistner. »Es gibt kein vergleichbares Konzept, das thermisches und elektrisches Energiemanagement in dieser Art verschmelzen lässt.«

Als Motor der Stromverteilung arbeitet ein AC-gekoppelter bidirektionaler Batteriewechselrichter, der die zentrale Batterie von Ads-tec be- und entlädt. Diese puffert mit einer Kapazität von 150kWh den nicht direkt verbrauchten Solarstrom. Der Solarstrom, der nicht von elektrischen Verbrauchern abgerufen wird, treibt eine Wärmepumpe mit 35kWel Leistung an, die einen Pufferspeicher von 20.000l belädt. Darüber hinaus werden 18 dezentrale kleinere Wasserspeicher direkt beheizt, die an den einzelnen Gebäuden zur Deckung des täglichen Warmwasserbedarfs platziert sind.

Für den Wohnkomplex wurde ein Energiemanagementsystem erstellt, das die Steuerung aller elektrischer und thermischer Komponenten übernimmt. Ein Mess- und Monitoringsystem zeichnet alle elektrischen und thermischen Energieflüsse der Siedlung auf. Die regelmäßige Analyse dieser Daten diene dazu, das Energiemanagement kontinuierlich zu optimieren, so Kaco.

Alle Gebäude sind an ein Nahwärmenetz angeschlossen. Reicht witterungs- oder verbrauchsbedingt die Stromversorgung aus PV-Anlagen und Speicher nicht für die Heizung, wird ein Blockheizkraftwerk mit 11kWel und 27 kWth zugeschaltet. Für die kalte Jahreszeit steht zudem noch ein gasbetriebener Spitzenlastbrennwertkessel mit 240kW Leistung zur Verfügung.

Mit dem Konzept sollen rund 97% des Elektrizitätsbedarfes und die Hälfte des Wärmebedarfes gedeckt werden. »Wie die Messungen mehrerer Monate Betrieb nach Vollbezug der Wohneinheiten zeigen, passen die Vorhersagen sehr gut: Erzeugungs- und Verbrauchsdaten liegen weitestgehend auf Linie der Prognosen«, so Andreas Schlumberger von Kaco new energy. Damit erreiche Weinsberg auch die angestrebten Werte beim solaren Deckungsrad und der Energieautonomie. »Wir warten gespannt auf das Ende des ersten Sommers.«

KWK und PV lokal vernetzt

Ein ähnlich gelagertes Quartierprojekt, allerdings in einem schon bestehenden Wohngebiet, ist gerade in Mannheim gestartet. Im Projekt ›Strombank‹ untersuchen die Partner Betriebs- und Geschäftsmodelle eines Quartierspeichers, in den PV-Anlagen und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingebunden werden. Beteiligt sind neben der Mannheimer MVV Energie und Ads-tec auch die Universität Stuttgart und der Mannheimer Netzbetreiber Netrion.

»Mit der Strombank erproben wir die lokale Vernetzung von Erzeugung und Verbrauch«, sagt Dr. Robert Thomann, MVV-Projektleiter. »So schaffen wir die Voraussetzung dafür, dass immer mehr Erneuerbare-Erzeugungsanlagen in die Netze eingebunden werden.« Die Strombank zeige, wie vorhandene Speichertechnik mit dem passenden Betriebskonzept bereits heute im realen Einsatz diesen Zweck erfülle. »Aufgrund des vergleichsweise hohen Eigenverbrauchs ist der wirtschaftliche Nutzen von privaten Kleinstspeichern limitiert. Ein großer Speicher bietet hier in jeder Hinsicht Synergieeffekte für einen wirtschaftlichen Betrieb«, so Kistner zu Gründen für die Umsetzung des Konzepts mit einem Quartierspeicher.

Aktive Teilnahme der Verbraucher

Das Herz des Vorhabens, die Strombank selbst, ist ein modernes Batteriesystem von Ads-tec mit einer Speicherkapazität von 100kWh. Seit dem Start der Strombank vor rund einem Jahr haben die Entwickler verschiedene Arten des Speicherbetriebs simuliert. Die Ergebnisse dieser Vorüberlegungen fließen in den nun gestarteten Feldtest des Projektes ein.

Die 18 Teilnehmer am Projekt, darunter 14 private Haushalte und vier Gewerbebetriebe, erhalten im Rahmen des Projektes Zugang zu einem Internet-Portal. Strom, der nicht sofort genutzt wird, fließt in den Speicher. Sobald der Energiebedarf die Erzeugung wieder übersteigt, können die angeschlossenen Haushalte und Gewerbebetriebe ihren gespeicherten Strom einsetzen.

Auf diese Weise steigt der Anteil der Eigennutzung der elektrischen Energie. Gleichzeitig werden die lokalen Stromnetze entlastet und Leitungsverluste vermieden. »Neben den technischen Herausforderungen ist aus unserer Sicht vor allem die Einbeziehung der Verbraucher der interessanteste Aspekt an dem Projekt«, sagt Kistner. »Die Nutzer der Strombank haben erstmals die Möglichkeit, aktiv an der Energiewende zu partizipieren.« Ads-tec stellt neben dem Speichersystem auch die sogenannte Strombank-App bereit: Diese visualisiert die Stromerzeugungs-, Speicher- und Verbrauchsdaten. Alle 18 Teilnehmer wurden mit speziellem Messequipment ausgestattet, mit welchem alle Daten der Erzeuger im Energy-Management-System Big-Linx zentral gesammelt und ausgewertet werden können. »Für eine optimale Speichersteuerung ist das individuelle Verbraucher-verhalten wichtig, so Kistner. »Bildlich ge-sprochen, erlaubt die hochauflösende Messung zudem die Einzahlungen und Ausbuchungen auf dem Stromkonto auf den Cent genau abzurechnen.«

Virtuelles Kontingent nach Bedarf

Jedem Teilnehmer steht unter anderem abhängig von der Leistung der Erzeugungsanlagen ein virtuelles Kontingent im Speicher zur Verfügung. Das jedem Nutzer zustehende virtuelle Kontingent ist flexibel und passt sich dem jeweiligen Bedarf an. Der Speicher kann zudem über den Betreiber mit der Strombörse verbunden werden. Damit kann überschüssige Energie gewinnbringend vermarktet werden.

»Unsere Simulationswerkzeuge haben es ermöglicht, den Speicher für den Teilnehmerkreis optimal zu dimensionieren. Sofern dieser später erweitert wird, ist der Strombank-Container jedoch so ausgestattet, dass die Speicherkapazität nachträglich um ein Vielfaches erweitert werden kann«, erläutert Kistner.

»Mit der Strombank ist Strom plötzlich greif- und erfassbar – vergleichbar mit unserem Geld auf dem privaten Bankkonto. Die Menge des selbst erzeugten Stroms, die eigenen Verbrauchsdaten sowie die Strommenge, die in der Batterie gespeichert wird und später wieder nutzbar ist, werden so visualisierbar und nachvollziehbar«, so Thomas Speidel, Geschäftsführer von Ads-tec.

Interview

Speicher sind im Markt angekommen

Jens Kistner von Ads-tec über Erfahrungen bei der Einbindung von Speichern im Regelenergiemarkt und zur Batteriesicherheit.

Sie sind in verschiedenen Speicher-Projekten involviert. Welche Erfahrungen haben Sie dazu sammeln können, inwieweit Speicher bei Netzdienstleistungen, etwa bei der Regelenergie, helfen können?

Bei der Primärregelleistung haben die Batteriespeicher vor allem eine netzstützende Funktion. Gegenüber konventionellen Regelleistungskraftwerken haben sie den Vorteil, dass sie deutlich schneller auf Netzschwankungen reagieren können.

Neben Quartierspeicher-Lösungen werden ja auch Modelle ausprobiert, bei denen mehrere Speicher zu einem virtuellen Speicher zusammengeschaltet werden und etwa am Regelenergiemarkt teilnehmen sollen. Macht so etwas eher lokal oder auf regionaler Ebene Sinn?

Wir sind in Projekten dieser Art bereits involviert. Unser Energy-Management-System Big-Linx ist die ideale Plattform für solche Vorhaben. Sie erlaubt es, lokal verteilte Speicher zentral zu steuern und zeitgleich als großes virtuelles Speicherkraftwerk gemeinschaftliche Aufgaben zu übernehmen.

Sie engagieren sich auch stark im Bereich der Batteriesicherheit, etwa in den verschiedenen Gremien. Wie ist hier der derzeitige Stand und Fortschritt?

Als wir begonnen haben, uns mit dem Thema der stationären Lithium-Ionen-Speicher zu befassen, haben wir zusammen mit den Normungsgremien, wie dem VDE, anhand existierender inhaltlich verwandter Normen ein Konzept entwickelt, um ein möglichst sicheres Batteriemodul zu entwickeln. Wir betreiben hier einen sehr großen zeitlichen und finanziellen Aufwand.

Lohnt sich dieser finanzielle Aufwand denn?

Ja. Unsere Erfahrung ist, dass sich dieses Bestreben auszahlt. Unsere Kunden wissen den offenen Umgang mit dem Thema Sicherheit zu schätzen. Die Akzeptanz der Technologie verbessert sich dadurch wesentlich.

Wo liegen beim Thema Batteriesicherheit noch die größten Herausforderungen?

Eine große Herausforderung liegt darin, dass es bis heute noch keine allgemeingültigen Vorschriften für stationäre Lithium-Ionen-Speicher gibt. Die Arbeit in den Gremien erlaubt es, allgemeingültige Standards zu setzen und diesem bedenklichen Umstand entgegenzuwirken.

Erschienen in Ausgabe: 02/2015