Motivation und Zielsetzung

Zur Umsetzung der europäischen Richtungsentscheidungen beschloss die Bundesregierung am 23. August 2007 in Meseberg die Eckpunkte des integrierten Energie- und Klimaprogramm. Dieses nationale Maßnahmenpaket zu Klimaschutz, Ausbau der erneuerbaren Energien und Energieeffizienz soll sukzessive ein Erreichen der Klimaschutzziele bis 2020 sicherstellen.

So soll die KWK-Stromerzeugung von derzeit etwa 12 % auf 25 % des Stromverbrauchs verdoppelt werden. Gleichzeitig reduziert sich die Wärmenachfrage durch einen verbesserten Wärmeschutz im Gebäudebereich, wodurch die Ausnutzung von Fernwärmenetzen tendenziell sinken wird. Neben der Kraft-Wärmekopplung soll der Anteil der Erneuerbaren Energien an der Wärmeerzeugung auf 14 % und an der Stromerzeugung auf 30 % erhöht werden. Auch diese beiden Maßnahmen werden die Wirtschaftlichkeit der KWK aus heutiger Sicht eher verschlechtern, da der Anteil der nicht verschiebbaren - so genannten „must-run“-Anlagen - ansteigt.

Methodik

Die zukünftigen Herausforderungen für Kraft-Wärme-Kopplung sowie mögliche Lösungsansätze und Bewertungsmöglichkeiten sind Inhalt des Verbundforschungsvorhabens „EnEff:Stadt - Auslegung und intelligentes Management optimierter Energieversorgungsstrukturen auf Quartiersebene“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) initiiert wurde. In diesem Rahmen arbeiten die TU Dresden, die TU Darmstadt und die Forschungsstelle für Energiewirtschaft an verwandten Themen zusammen, wie in Abbildung 1 dargestellt ist.

Abbildung 1: Das Verbundforschungsvorhaben „EnEff:Stadt – Auslegung und intelligentes Management optimierter Energieversorgungsstrukturen auf Quartiersebene”

Das Teilprojekt „EnEff:Stadt - Chancen und Risiken von KWK im Rahmen des IEKP“, das von den Energieversorgern SWM und EWE unterstützt und dem (BMWi) gefördert wird, gliedert sich wiederum in drei Teile. Diese unterscheiden sich hinsichtlich ihrer regionalen und wirtschaftlichen Ausprägung und ermöglichen so gemeinsam eine ganzheitliche Betrachtung des Themas, wie im Folgenden erläutert wird.

DEA: Verbund dezentraler Erzeugungsanlagen

Das Teilprojekt „DEA: Verbund dezentraler Anlagen“ untersucht die informationstechnische Vernetzung von dezentralen Erzeugungsanlagen (DEA) und die zusätzlichen Vermarktungsmöglichkeiten dieses „virtuellen Kraftwerkes“ (VKW) durch Stromhandel und Systemdienstleistungen. Im Mittelpunkt stehen dabei die optimale Poolzusammensetzung, die anzubietenden Stromprodukte und die Onlineregelung der DEA. Zur Beantwortung dieser Fragen wird eine Simulationsumgebung aufgebaut, die es erlaubt, verschiedene Optimierungsverfahren und Ablaufsteuerungen gegenüber zu stellen. Neben eigens implementierten Verfahren dienen kommerzielle Energiemanagementsysteme (EMS) als Referenz. Abbildung 2 zeigt die konventionellen Vermarktungswege der DEA gemäß den gesetzlichen Vergütungen über EEG und KWKG sowie die zusätzlichen Pfade „Stromhandel” und „Systemdienstleistungen”, die im Verbund genutzt werden können.

Abbildung 2: Informationstechnische Vernetzung dezentraler Erzeuger zu einem „virtuellen Kraftwerk“

flex: Flexibilisierung der Betriebsweise von KWK

Das zweite Teilprojekt analysiert verschiedene Möglichkeiten, die Betriebsweise von KWK flexibler zu gestalten, um den KWK-Anteil an der Stromversorgung zu erhöhen. Abbildung 3 zeigt die Lastsituation bei Erreichen der IEKP-Ziele aus heutiger Sicht, wenn der Ausbau der regenerativen Stromerzeugung (grüner Lastgang) überwiegend durch Windkraftanlagen erfolgt. Der Lastgang der allgemeinen Versorgung, der als Verbraucherlastgang verstanden werden kann, wird durch die KWK-Stromerzeugung und die fluktuierende regenerative Erzeugung zum Teil überdeckt. Die hohen Leistungsspitzen bedingen den Einsatz negativer Regelleistung. In Zeiten hoher Wärmenachfrage wird dieses Problem durch die gekoppelte Stromerzeugung in KWK-Anlagen noch verstärkt.

Abbildung 3: Elektrische Lastgänge bei Umsetzung der IEKP-Ziele für Regenerative und KWK

Es existieren mehrere Möglichkeiten, wie die Strom- und Wärmeerzeugung entkoppelt werden können:

• Modulation der Stromkennzahl
  Insbesondere bei Entnahmekondensationsturbinen gibt es die Möglichkeit, die Stromkennzahl durch Variation des entnommenen Dampfmassenstroms zu verändern.
• Erschließen alternativer Wärmesenken
  Verbraucherseitig können zusätzliche Wärmesenken mit antizyklischer Lastcharakteristik für die Versorgung mit KWK erschlossen werden. Bei Industriebetrieben und gewerblich genutzten Gebäuden kann es sich dabei speziell um die Bereitstellung von Absorptionskälte handeln.
• Thermische Speicher als energiewirtschaftliches Element
  Wärme kann mit geringem technischen Aufwand gespeichert werden. Eine Möglichkeit zur Entkopplung der KWK-Wärme- und Strom-Erzeugung ist daher die Verwendung von thermischen Speichern. Dadurch können sich die Ausnutzungsdauer der KWK-Stromerzeugung und der KWK-Wärme-Deckungsbeitrag erhöhen.

Masterplan: Optimierte Energieversorgung

Dieses Teilprojekt entwirft ausgehend von identifizierten Verbrauchsclustern eine neue „optimale” Energieversorgungsstruktur mit stark dezentralem Schwerpunkt. Diese dient als Benchmark für die bestehende Struktur und gibt Aufschluss über Verbesserungsmöglichkeiten im heutigen System.

Abbildung 4 zeigt eine schematische Darstellung des Knoten-Kanten- und Regionenmodells, das mit Hilfe eines Geoinformationssystems (GIS) hinsichtlich verschiedener Kriterien ausgewertet werden kann. Verschiedene energiewirtschaftlich relevante Daten, die den Energiebedarf aber auch dessen Deckung widerspiegeln, sind im Modell hinterlegt. Für die Ermittlung der Wärmebedarfsdichte ist beispielsweise neben der Besiedelungsdichte und den Gebäudestrukturen auch die Kenntnis von Beschäftigten- und Erwerbstätigenzahlen in unterschiedlicher regionaler Tiefe bis auf Gemeinde- oder Siedlungsebene notwendig.

Abbildung 4: Schematische Darstellung eines Knoten-Kanten- und Regionenmodells

Förderung und Projektpartner

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) unter dem Förderkennzeichen 0327832A gefördert und von den Projektpartnern SWM Services GmbH und EWE AG unterstützt.

Pressemeldungen

• Die FfE startet Verbundprojekt im Rahmen von EnEff:Stadt

Veröffentlichungen und Vorträge

• Development and Assessment of Different Algorithms for Dispatching a Virtual Power Plant
• Energieversorgungskonzepte für Gemeinden und Kommunen mit ArcGIS
• Potenzial funktionaler Speicher mit flexibler Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK als Stromspeicher
• Simulation to Quantify the Revenues of Linked CHP-Devices Providing Balance Power under Realistic Conditions
• Flexibilität nutzen: Strom speichern mit Kraft-Wärme-Kopplung
• Geo-Informationssysteme in der energiewirtschaftlichen Forschung
• KWK als Baustein zur Integration erneuerbarer Energien – Erschließung des Regelleistungsmarkts
• Möglichkeiten zur Flexibilisierung der Betriebsweise von KWK-Anlagen
• Mikro-KWK und virtuelle Kraftwerke
• Mikro-KWK und virtuelle Kraftwerke – Neue Energielandschaften
• Das Regionenmodell - Basis detaillierter Analysen von Energieversorgungskonzepten
• Das Regionenmodell - Neue Ansätze zur Modellierung von Energiesystemen
• Flexible Operation of Cogeneration Plants - Chances for the Integration of Renewables?
• Chancen und Risiken der KWK im politischen Umfeld
• Zukünftige Herausforderungen für Kraft-Wärme-Kopplung
• Betriebs- und Marktmodelle virtueller Kraftwerke

Simulationstool

• Synthese des Photovoltaik-Lastgangs auf regionaler Ebene

Dissertationen

• Entwicklung und Bewertung von Algorithmen zur Einsatzplanerstellung virtueller Kraftwerke
• Regionalisiertes Energiemodell zur Analyse der flexiblen Betriebsweise von KWK-Anlagen

Endberichte

Die Ergebnisse jedes Teilprojekts werden in Form eines eigenen Abschlussberichtes veröffentlicht. Folgende Endberichte stehen zum kostenlosen Download zur Verfügung:

• DEA – Verbund dezentraler Erzeugungsanlagen
• Flex – Flexible Betriebsweise von KWK-Anlagen
• Masterplan – Optimierte Energieversorgung

Anhänge:

Endbericht DEA	5416 kB
Endbericht Flex	12249 kB
Endbericht Masterplan	5976 kB