Zukunftsorientiertes Lastmanagement optimiert Energiekosten
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Bild 1. Energieintensive Industrieunternehmen können mit einem Lastmanagement-system die Energiekosten optimieren.
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Bild 2. Die Hardware des BHS ist modular aufgebaut.
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Bild 3. Die Software basiert auf dem Prozessleitsystem ERMS.
Ob Großküche, Klinik, Gewerbepark, lokaler Energieversorger oder Industrieunternehmen: An den steigenden Kosten für Energie – wie etwa Strom, Gas, Wasser, Wärme oder Druckluft – kommt niemand vorbei. Doch mit zukunftsorientierten Lastmanagementsystemen lässt sich nicht nur clever Geld sparen. Sie tragen auch zur Netzstabilität bei und eröffnen flexiblen Sondervertragskunden sogar neue Einnahmequellen.
Das aktuelle Energiekonzept der Bundesregierung sieht nicht nur vor, den Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2020 von heute 17 % auf 35 % zu steigern. Es heißt darin auch: „Künftig soll sich die Energienachfrage stärker an das Angebot anpassen. Energieverbraucher, die nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt am Netz sein müssen, können günstigere Zeiten wählen. Es soll stets auch nur so viel Strom produziert werden, wie gerade gebraucht wird. Dafür werden moderne, intelligente Netze und geeignete Anreize in den Stromtarifen benötigt.“
Bei der durch das Energiekonzept notwendig gewordenen EnWG-Novellierung ist eine weitere Konkretisierung zu erwarten. So soll darin die Einführung „verbrauchsschärferer“ Tarife und die vertiefende Förderung von Smart Metern vorgeschrieben werden. Im Energiekonzept der Bundesregierung wird dem Smart Grid, dem intelligenten Netz, eine hohe Priorität eingeräumt
Energiekosten einsparen, ohne den Betriebsablauf zu stören
Mit Hilfe von Lastmanagementsystemen ist es möglich, die vom Energieversorger bezogene elektrische Leistung auf ein parametrierbares Lastprofil zu begrenzen, ohne dabei Betriebsabläufe zu stören (Bild 1). Dadurch können Energiekosten eingespart werden. „Durch das rechtzeitige Abschalten von Verbrauchern, die nach einer vorgegebenen Priorität zur Vermeidung des Bezuges sehr teuren Spitzenlaststromes gesteuert werden, lässt sich dieses Ziel erreichen“, erklärt Holger Heintze, Geschäftsführer der Berg GmbH in Martinsried bei München. Das Unternehmen hat bundesweit mehr als 1 500 Energiemanagement-Projekte in Betrieben aller Branchen realisiert und versteht sich als Komplettanbieter, der von der Messtechnik über die Software bis zum Service alles aus einer Hand bietet. Lastmanagementsysteme – so der Experte – lohnen sich vor allem für Unternehmen, bei denen der Anteil der Energiekosten an der Bruttowertschöpfung relativ hoch ist.
„Ein modernes, interaktives Lastmanagementsystem bietet heute jedoch weit mehr als die reine Verbraucherabschaltung“, betont Thomas Stengl, technischer Leiter bei Berg. Der Einsatz kann massiv zu einer Energiekostenoptimierung beitragen. So ermöglicht das integrierte Trendlastverfahren nicht nur die Einhaltung eines prognostizierten Leistungsbezugs, sondern sichert auch die Vorgaben des Energieeinkaufs verlässlich ab. Prognostizierte Lastkurven lassen sich in einem definierten Toleranzband für eine Arbeitswoche festlegen und vollautomatisch nachfahren. Über die Bereitstellung von elektronisch aktivierbaren „Minutenreserven“ kann der Nutzer eines modernen Lastmanagementsystems auch am Regelenergiemarkt teilnehmen und im Verbund mit anderen Partnern als „virtuelles Kraftwerk“ agieren. Freie Regelleistungen werden dabei dem Netzbetreiber gegen Sondervergütung bereitgestellt oder auf dem freien Spotmarkt angeboten. Dies ist eine neue Einnahmequelle für den Betreiber des Lastmanagementsystems. Zudem stabilisieren industrielle Lastmanagementsysteme das künftige intelligente Stromnetz und stellen damit einen entscheidenden Beitrag zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit dar.
Konkrete Maßnahmen zur Absicherung der Einspeisung regenerativ erzeugter Energie in das Stromnetz können durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden:
• Das Verschieben von freier Energie zwischen verschiedenen Standorten bietet großen Unternehmen enorme Einsparpotentiale durch eine Erhöhung der Benutzungsstundendauer.
• Stadtwerke haben die Möglichkeit, zusammen mit ihren Sondervertragskunden einen lokalen Bilanzkreis zu bilden. Dadurch können sie gegenüber ihrem Energielieferanten ein prognostizierbares Lastprofil abfahren, bei gleichzeitiger Bereitstellung von Regelenergie. Diese Regelenergie können sie durch Nutzung der Erzeugungskapazitäten ihrer Sondervertragskunden oder kurzfristig abrufbarer Leistungsreduktionen im Produktionsbetrieb ohne eigene Investitionen bereitstellen.
• Sondervertragskunden können sich mit der Flexibilisierung ihrer Bezugsleistung bereits heute auf die anstehenden Änderungen der Stromtarife rüsten und künftig mehr Leistung beziehen, wenn sie günstig oder gar umsonst ist. In Hochpreiszeiten wird die Leistungsabnahme dagegen reduziert.
Lastmanagemement für unterschiedliche Einsatzfälle
„Für die Erreichung dieser Ziele stellen wir – je nach Einsatzfall und Anforderungen – entsprechend dimensionierte Lastmanagementsysteme zur Verfügung“, sagt T. Stengl. Das Berg Höchstlastoptimierungs-System ist modular aufgebaut und kundenspezifisch anpassbar. Die drei skalierbaren Varianten für den lastoptimierten Strom-und Gasbezug unterscheiden sich je nach Funktionsumfang und Zielgruppe. „Mit allen drei Varianten ist eine dauerhafte Sicherung erworbener Einsparpotentiale innerhalb der Abrechnungsperiode möglich“, unterstreicht T. Stengl. Denn je nach Tarifgestaltung können Lastspitzen Auswirkungen auf die monatliche, aber auch auf die jährliche Abrechnung haben. Den schlimmsten anzunehmenden Fall für einen Energiemanager beschreibt der Experte so: „Eine am 30.12. eines Jahres gefahrene Jahresleistungsspitze führt zur Erhöhung der Netznutzungsgebühren für das gesamte zurückliegende Abrechnungsjahr.“ In der Regel bekommt ein Abnehmer mit einem geregelten Verbrauchsverhalten günstiger Konditionen beim Energieeinkauf. Um dieses Potenzial optimal nutzen zu können, ermöglicht das BHS die Optimierung des Energiebezugs nach ökonomischen Vorgaben durch eine abgestimmte Kommunikation zwischen Verbrauchern und Erzeugern. Eventuell vorhandene Eigenerzeugungskapazitäten lassen sich in den Optimierungsprozess mit einbinden.
Modular aufgebaute Hard- und Softwarelösung
Das BHS-Konzept umfasst sowohl Hardware- als auch Softwaremodule, die ideal aufeinander abgestimmt sind. Dank seines modularen und skalierbaren Systemaufbaus sowie der Möglichkeit zur Entwicklung kundenspezifischer Applikationen können damit selbst komplexe Regelungsanforderungen von Sondervertragskunden abgedeckt werden. Über die Online-Visualisierung bekommt der Anwender detaillierte Informationen über die Regelungszustände Ihrer Anlage an seinen Arbeitsplatz geliefert. Auch können grafische und tabellarische Energieauswertungen durchgeführt werden.
Kernstück der Hardwarelösung sind eigenständig regelnde Mastereinheiten, die PC-unabhängig und damit absolut zuverlässig den Energiebezug bzw. die -erzeugung kontrollieren (Bild 2). Die Mastereinheit kann sowohl lokal, als auch dezentral um Ein-/Ausgabebaugruppen erweitert werden. Über Softwareschnittstellen wie OPC-DA oder Modbus RTU kommuniziert das BHS auch mit vorhandenen Gebäudemanagement- oder industriellen Prozessleitsystemen, die durch die integrierten, branchenübergreifenden Erfahrungswerte und den daraus abgeleiteten Optimierungsroutinen ergänzt werden. Neben dem intelligenten Lastmanagement, bei dem nach dem Trendverfahren die Ansteuerung von bis zu 256 Lasten/Erzeuger möglich ist, wurde auch alternativ eine Momentanleistungsbegrenzung integriert. Sie lässt sich beispielsweise als Kabelschutz oder als Sicherheit zur Verhinderung der Überlastung des Einspeisetrafos einsetzen.
Die BHS-Software basiert auf dem bewährten Prozessleitsystem EPMS, das mit Energie- und Lastmanagementfunktionen erweitert wurde (Bild 3). Dank ihrer flexiblen Systemarchitektur kann sie auch zukünftig problemlos an spezifische Projektanforderungen angepasst werden. „Unser BHS bietet dem Anwender im Vergleich zu klassischen Lastmanagementsystemen oder Maximumwächtern eine Vielzahl von Zusatzfunktionen, die dem Endanwender ohne wesentliche Zusatzkosten einen erheblichen Mehrwert gewähren“, betont Berg-Geschäftsführer H. Heintze. Hier seien insbesondere die Energiedatenerfassung, die Verbrauchsanalyse archivierter Leistungsdaten, die Prozessvisualisierung und das integrierte Alarmmanagement zu nennen.
Hamburgs größter Energieverbraucher
Auch Hamburgs größter Energieverbraucher, die Trimet Aluminium AG, setzt auf das Know-how von Berg. Heute produziert die Ende 2005 wegen zu hoher Energiekosten stillgelegte Aluminiumhütte mitten im Hafen der Hansestadt wieder mit 270 Elektrolyseöfen in drei Hallen jährlich etwa 130 000 t des begehrten Leichtmetalls. „Wir haben einen Jahresstromverbrauch von rund 2 TWh, das entspricht ungefähr dem Energiebedarf einer Stadt wie Lübeck“, erläutert Jörg Plauschinn, Leiter der Energieversorgung. Bei diesen Dimensionen ist es wichtig, die eingekaufte Energie möglichst gut auszunutzen und teure Lastspitzen erst gar nicht entstehen zu lassen. Seit März 2008 kommt deshalb das BHS 300 von Berg zum Einsatz. „Damit können wir hervorragend das Gleichgewicht zwischen einer hohen Energieausbeute und einem optimalen Produktionsprozess halten“, sagt J. Plauschinn. Mit dem bis dahin eingesetzten Lastoptimierungssystem war dies nicht so einfach möglich gewesen.
Das Aluminiumwerk wird aus dem 110-kV-Netz versorgt, mit direkter Anbindung an das 380-kV-Höchstspannungsnetz. Über riesige Gleichrichteranlagen – geteilt in zwei elektrische Systeme, die als Ofenlinie 1 und 2 bezeichnet werden – wird der Gleichstrom gewonnen, der die Öfen versorgt. Bis zu 190 000 A Gleichstrom fließen hier. Dazu kommen die Mittel- und Niederspannungsebene, die diverse motorische Verbraucher und Trafostationen auf dem Gelände versorgen. Insgesamt fährt die Trimet eine Leistung von etwa 235 MW bei einer Spitze von 239 MW. „Für uns ist die Modularität des BHS 300 sehr wichtig, denn das System wächst Jahr für Jahr weiter“, erläutert J. Plauschinn. Dessen wesentlicher Vorteil liegt für ihn darin, dass damit eine dezentrale Topologie nahezu beliebig abbildbar ist. Die Hardware besteht aus mehreren Masterstationen, die per Ethernet mit Unterstationen in den Teilbereichen des Standorts verbunden sind. Dadurch vermeidet man lange Kabelstrecken zu einem zentralen Punkt. Neben dem dadurch verringerten Installationsaufwand und der Unterstützung aller im Unternehmen eingesetzten Bussysteme sprach für die Berg-Lösung vor allem, dass sich damit die Leistung viel genauer regeln lässt. Früher war dies nur in 5-MW-Stufen möglich. Dazu kommen die einfache Bedienbarkeit und die Möglichkeit, mehrere Regelkreise über die Software zu integrieren.
Trimet ist zudem für die Teilnahme an den Regelenergiequalitäten Minutenreserve und Sekundärregelung vorbereitet. Die Minutenreserve soll durch Abschaltung bzw. Reduktion von Kundenlasten kurzfristig den Energielieferbedarf des Stromnetzes reduzieren, um Spitzen zu glätten und durch das Zusammenschalten zu einem „virtuellen Kraftwerk“ sonst vorzuhaltende Kraftwerkskapazitäten einzusparen. Bei Anforderung einer Regelleistung durch den Netzbetreiber wird die Last automatisch um den vertraglich vereinbarten Reduzierungswert abgesenkt. Trimet meldet dazu dem Energieversorger täglich den Fahrplan für den Folgetag, der die viertelstündlichen Planleistungen enthält. Diese werden über das Maximum-Anwahlprogramm in das BHS 300 eingelesen. Stellglieder sind die beiden elektrischen Systeme Ofenlinie 1 (mit 140 MW) und 2 (mit 70 MW Verbrauch).
Über seine Digitalausgänge kommuniziert das BHS 300 mit den S7-Steuerungen in den Ofenlinien, gibt ihnen den Befehl zur Leistungsreduzierung und tauscht wichtige Signale, wie Bereitschaft, Abschaltanforderungen, Quittierungen und Meldungen, aus. „Dadurch bleiben wir jederzeit im festgelegten Rahmen und können eine Minutenreserveanforderung durch den Versorger vollautomatisch abwickeln“, freut sich J. Plauschinn über den Fortschritt. Das Gesamtsystem ist redundant ausgelegt, um die geforderte größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten. Dazu wurden zwei SPS-Mastersysteme parallel aufgebaut, die unabhängig voneinander den Leistungsbezug des Werks überwachen. Die Systeme arbeiten autark, so dass auch bei einem eventuellen Master- oder Rechnerausfall die vollen Funktionen gewährleistet bleiben. Zusätzlich werden die Daten in der Schaltwarte visualisiert, ausgewählte Daten können live oder mit historischen Archivwerten durch das Softwaremodul „Linienschreiber“ im Sekundenbereich dargestellt werden. Alle relevanten Daten werden in Archiven erfasst. Über diverse Unterstationen lassen sich nicht nur die Stromverbräuche erfassen, sondern auch die von Druckluft, Erdgas und Wasser.
Durch die rasche Liberalisierung des Strommarkts in Deutschland haben sich die Rahmenbedingungen für den Bezug elektrischer Energie grundlegend verändert. Die bisher üblichen Tarife der einzelnen Stromanbieter haben insbesondere für gewerbliche Abnehmer ihre Gültigkeit bereits zu einem großen Teil verloren. Kunden können sich heute das für ihre Bedürfnisse am besten geeignete Produkt aussuchen. Doch die mit den Energieversorgern vereinbarten Fahrpläne müssen überwacht und ihre Einhaltung gewährleistet werden. Sowohl die Überschreitung der bestellten Leistung nach dem Fahrplan, als auch die nicht Verwendung einer bestellten Leistung kann für Energielieferanten, Übertrager und Kunden zu Problemen führen. So bekommt der Versorger beim Überschreiten der vereinbarten Leistung unter Umständen in Lieferschwierigkeiten. Oder er hat im umgekehrten Fall vielleicht ein Kraftwerk zu viel am Netz und kann die überschüssige Energie nicht verkaufen. Mit dem Einsatz von Lastmanagementsystemen lässt sich die Einhaltung dieser Fahrpläne überwachen und auch auf der Kostenseite erfolgt eine Optimierung.
Das BHS-Lastmanagementsystem liefert grafische und tabellarische Auswertungen über standardisierte Kommunikationstechnik, archiviert relevante Daten und gewährleistet mit seiner einfachen Bedienbarkeit und Programmierung eine übersichtliche Prozessvisualisierung. Es ist sowohl für den Strom- als auch den Gasbezug einsetzbar und kann zudem mehrstufige Generatorregelungen übernehmen. Sein modularer Aufbau erlaubt eine dezentrale Architektur und die Nutzung der vorhandenen Verkabelung. Eine zusätzliche Infrastruktur ist nicht nötig – es genügen die vom EVU gelieferten Zählerimpulse und die Messperiodensynchronisation.
Von der Planung und Inbetriebnahme bis hin zur Schulung und Wartung bietet Berg alle notwendigen Dienstleistungen aus einer Hand. Dabei wird die spezifische Regelstrategie der Kunden berücksichtigt, etwa durch sequentielle oder partielle Ansteuerung von Eigenerzeugungskapazitäten. „Das BHS erschließt Unternehmen auch neue Ertragsquellen durch die Bereitstellung von Eigenerzeugungskapazitäten für den liberalisierten Strommarkt“, nennt H. Heintze einen wichtigen Aspekt, denn mit der Entstehung eines flächendeckenden Smart Grid in Deutschland werden diese Systeme weiter an Bedeutung gewinnen.
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Autor:Bernhard Müller ist freier Journalist aus Düsseldorf.
