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Primärregelleistung mit wirtschaftlichen Hybridsystemen

01 Heizkraftwerk Hastedt (Bild: SWB)

01 Heizkraftwerk Hastedt (Bild: SWB)

02 Prinzipschaltbild des Hybridsystems

02 Prinzipschaltbild des Hybridsystems

03 Amortisationszeit mit und ohne Power-to-Heat

03 Amortisationszeit mit und ohne Power-to-Heat

Die Bereitstellung von Primärregelleistung (PRL) wird bei Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energie im Stromnetz immer wichtiger, um die Netzfrequenz im Toleranzbereich zu halten. Beim Einsatz von Batteriesystemen führen die neuen Regeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) jedoch zu einer signifikanten Erhöhung der Kosten. Die Wirtschaftlichkeit eines singulären Batteriesystems für PRL wird hierdurch grundsätzlich infrage gestellt. Die Kombination eines hybriden Batterie-Energiespeicher-Systems mit einer Power-to-Heat-Anlage hingegen reduziert die Investitionskosten.

Die SWB Erzeugung AG & Co. KG, ein Bremer Energieversorgungsunternehmen, hat sich für das neue und innovative Konzept entschieden, Batteriespeicher und Power-to-Heat für die Primärregelleistung zu kombinieren (Bild 1). Dieser Service wird Netzbetreibern zur Stabilisierung des Stromnetzes angeboten und zunehmend benötigt, je mehr erneuerbare Energien integriert werden. Die Anlage verfügt über eine installierte Leistung von 20 MW, die es erlaubt, 15 MW an Primärregelleistung zu liefern.
Das neue Verfahren ist für alle Anlagen mit Wärmeanwendungen/Wärmesenken geeignet. Ein installierter thermischer Energiespeicher, der bereits für andere Anwendungen im Einsatz ist, bietet negative Energie, die normalerweise nur in der zweiten Stufe des Reservemarkts genutzt werden darf. Durch die Kombination des Batterie-Energiespeicher-Systems (BESS) mit der Power-to-Heat-(PTH-)Anlage addieren sich die Kapazitäten des thermischen Speichers zu denen des Batteriesystems (Bild 2). Die Batteriekapazität kann so deutlich kleiner ausgelegt werden. Dadurch reduzieren sich die Investitionskosten um circa 30 % bis 40 %.
Die Bereitstellung der Regelleistung erfolgt normalerweise aus konventionellen Flexibilitäten, singulären Batteriespeichern oder Batteriespeichern im Pool mit konventionellen technischen Einrichtungen. Neuere Konzepte stellen Regelenergie aus Batteriespeichern und PTH in jeweils separaten Anlagenteilen oder – wie von AEG Power Solutions (AEG PS) – aus einer gemeinsamen technischen Anlage zur Verfügung.
Reduzierung der Batteriekapazitäten
Ein großer Kostenfaktor bei der Bereitstellung von Primärregelleistung ist der Batteriespeicher. Dabei ist es möglich, einen Teil der erforderlichen Kapazität aus einer anderen Quelle mit signifikant geringeren Kosten zu beziehen. Bei einer derartigen Hybridanlage, bestehend aus mehreren PRL-Quellen, die gemeinsam an einem Netzverknüpfungspunkt angeschlossen sind und als eine Einheit gesteuert werden, eignen sich besonders Wärmesysteme als Alternativen. Deren Auslegung ist einfach und sie bieten eine große Kapazität zu günstigen Preisen. Aufgrund ihrer thermisch trägen Speichercharakteristik sind sie außerdem tolerant gegenüber kurzzeitigen Schwankungen der zugeführten Leistung.
Aktuelle Marktpreise für Batterien variieren zwischen ca. 500 €/kWh und 1 400 €/kWh. Mit dem kombinierten BESSPTH-Konzept wird eine geringere Batteriekapazität benötigt, wodurch sich Investitionskosten reduzieren und somit die Amortisationszeiten verkürzen (Bild 3). Bei einem Batteriepreis von beispielsweise 600 € verringert sich die Amortisationszeit von 8,4 Jahren (ohne PTH) auf fünf Jahre, also um 40 %, wenn zusätzlich thermische PTH-Speicher genutzt werden.
Das hybride Speichersystem reduziert die Kosten für die Primärregelleistungserbringung. Zum einen ist die benötigte Batteriekapazität im Vergleich zu einem herkömmlichen reinen Batteriesystem geringer (circa 50 %) und die zweite Speicherquelle (Thermie) ist günstiger. Zum anderen werden die Leistungselektronik und alle Komponenten für den Netzanschluss für die Anbindung beider Speichersysteme doppelt genutzt, was ebenfalls dazu beiträgt, die Hardwarekosten der Installation zu reduzieren.
Dies verbessert die Amortisationszeit für den Anlagenbetreiber und trägt gleichzeitig zur Senkung der Netzentgelte bei, was von allgemeinem öffentlichen Interesse ist.
Technische Umsetzung
Als langjähriger Lieferant von Batterie- und Stromumwandlungstechnik bietet AEG PS umfassende Lösungen mit Batteriespeicher-Containern, Zentralumrichtern und Managementeinheiten für Batteriespeicher. Hinzu kommen Planung und Projektmanagement, Wartung und Batterieservice.
Aus dieser langjährigen Erfahrung entstand das Konzept eines kombinierten Batterie- und Power-to-Heat-Systems. Hierbei werden die Investitionskosten für die Steuerungsgeräte des Systems durch Doppelnutzung reduziert, da für den PTH-Anlagenteil kein eigener Energieumwandler benötigt wird. MS-Transformator und MS-Schaltanlage können für beide Teilanlagen genutzt werden. Die Anlage kann auch für positive und negative Sekundärregelleistung qualifiziert werden (zusätzliches Erlöspotenzial). Außerdem kann sie dazu beitragen, Netzausfälle zu überbrücken.
Beim Wärmespeicher ist zu beachten, dass die Wärmesenke tolerant gegenüber kurzeitigen Änderungen der elektrisch zugeführten Leistung sein muss. Regelleistung, die dem thermischen System zugeführt wird, darf nicht an anderer Stelle im elektrischen System kompensiert werden. Ideal wäre, wenn die benötigte thermische Leistung dem Wärmesystem aus nichtelektrischen Energiesystemen, zum Beispiel dem Erdgasnetz, zugeführt wird.
Geeignete Anwender der Hybridtechnik sind Betreiber von Fern- und Nahwärmesystemen mit/ohne thermischem Speicher, Industrieunternehmen mit thermischen Prozessen und Energieversorger. (mh)

Auslegungsbeispiel

Batterie ohne Power-to-Heat:
Präqualifizierte Leistung PPQ = 1 MW.
Wechselrichter-Wirkleistung PWR = 1,25 MW.
Wechselrichter-Scheinleistung SWR = 1,6 kVA (zum Beispiel zwei Convert SC Flex-ID-IEC).
Nutzbare Kapazität der Batterie Enutzbar = 1,4 MWh.
Nennkapazität der Batterie EBatterie = 1,6 MWh (zum Beispiel zwei Li-Ion-Batterien mit je 800 kWh).

Batterie mit Power-to-Heat:
Präqualifizierte Leistung PPQ = 1 MW.
Wechselrichter-Wirkleistung PWR = 1,25 MW.
Wechselrichter-Scheinleistung SWR = 1,6 kVA (zum Beispiel zwei Convert SC Flex-ID-IEC).
Nutzbare Kapazität der Batterie Enutzbar = 700 kWh.
Nennkapazität der Batterie EBatterie = 800 kWh (zum Beispiel zwei Li-Ion-Batterien mit je 400 kWh).
Erhitzer-Leistung PPRT = 1,25 MW (25 % Überdimensionierung für den Ausgleich des Ladezustands).

Ing. Georg Hillmann ist als Fachautor für die Tema Technologie Marketing AG in Berlin tätig. hillmann@tema.de

Ing. Georg Hillmann ist als Fachautor für die Tema Technologie Marketing AG in Berlin tätig. hillmann@tema.de