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Ansätze zur autarken Energieerzeugung und modularer Verbrauch in Produktionssystemen Prof. Dr.–Ing. Bernhard Glück, Prof. Dr.–Ing.Matthias Strunz, B. Eng. Amgad Elnour, Hoch-schule Lausitz (FH) Abstract Die zunehmende Verknappung der fossilen Energieträger erfordert den vermehrten Einsatz regenerativer Energie. Dabei gewinnt die autonome Energieerzeugung mittels Photovoltaik zunehmend an Bedeutung. Es wird ein Modell vorgestellt, dass die Dimensionierung und Planung von Kleinkraftwerken unterstützt. Übersicht

1 Stand der Energieversorgung 2 Auswirkungen der Neuorientierung des Energiebedarfs 3 Ressourcenmanagement und Eigenenergieerzeugung

3.1 Lösungsansätze 3.2 Kalkulation der Energieversorgung im Unternehmen am Beispiel Photovoltaik- Anwendungen

4 Schlussfolgerungen

1 Stand der Energieversorgung Industrielle Produktionsstätten nutzen je nach Unternehmensprofil verschiedene Energiefor-men, deren Einsatz die Kostenstrukturen am Standort bestimmen:

a) Elektroenergie für Prozesse in Bereichen wie z. B. Automotive, Steuerung, Be-leuchtung, Stoffwandlung b) Wärmeversorgung für Heizung, Stoffwandlung (chem. und oder biolog. Prozesse), Heizung c) Brennstoffe (Gas, Öl)

Sowohl die Versorgung mit elektrischer als auch mit thermischer Energie ist Schwankungen unterworfen. Ursachen sind u.a.:

- zunehmende Instabilität der Versorgungsnetze, - temporär verfügbare Ressourcen (z.B. Windenergie), - verändertes Nutzerverhalten, - Restrukturierung und Verlagerung von Produktionsstandorten.

Die Versorgung von Produktionssystemen mit elektrischer Energie erfolgt seit ca. 100 Jahren in den klassischen Varianten

a) Netzbezug, bei Störfall Notstromgenerator, b) eigenes Kraftwerk (mit Netzzugang im Störfall) c) Netzbezug Spitzenlast-Kraftwerk, d) zeitlich begrenzter Bezug (vorrangig Nachtstrom oder Billigstrom).

Die klassische Energieverteilung für Strom, Gas und Wärme bedient ein starres hierarchi-sches System, beginnend beim Erzeuger und endend bei der in der Fläche verteilen Kun-

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denstruktur. Dabei unterscheiden sich die Strukturen für die Verteilung der einzelnen Ener-giearten (s. Abb. 1) praktisch nicht.

Abb. 1 Gashauptnetz Mitteldeutschland [Bildquelle BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.]. Kernaussage des Energieflusses und damit der Funktion der Energieverteilung:

Energieerzeugung (Kraftwerk) Energieverteilung (Netzbetreiber)

Energienutzer (Kunde) Mit den Möglichkeiten, am Standort oder in unmittelbarer Umgebung des Energieverbrau-chers selbst verschiedene Energieformen z. T. über den Eigenverbrauch hinaus zu erzeu-gen, wird der Energiekunde gleichzeitig zum Energieproduzenten. Folgerichtig sind innerbet-riebliche Abläufe und Strukturen einer vollständigen Neuprofilierung unterworfen. Das betrifft den Energieverbrauch, deren Nutzung, Speicherung, Verteilung und die Erzeugung vor Ort. Abb. 2 zeigt, wie sich die Standortsituation durch die Eigenerzeugung von Energie und deren Netzeinspeisung verändert.

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Abb. 2 Veränderte Netzstruktur der Elektroenergieversorgung durch Erzeugung und Ein-speisung am Standort [Bildquelle: St. Riepl; Gen.-Nr: CC-BY-SA-2.0-DE ]. 2 Auswirkungen der Neuorientierung des Energiebedarfs Neue Formen der Energieerzeugung, des Energieverbrauchs und –der Energieverteilung führen zu neuen Strukturen und ebenso neuen Handlungsszenarien in Privat- wie Ge-schäftskundenbereich: Neue Hierarchie der Energieverteilung:

Kunde = Energieerzeuger (Teilmengen, temporär) Fazit 1

Die historischen Netz-Strukturen sind unflexibel und störanfällig bei strukturellen Verände-rungen. Temporäre Einspeisungen (Wind, Sonne) sind sehr dynamisch und belasten die aktuellen Energienetze (Elektro, Gas, Wärme) zunehmend. Eine stabile Versorgung wird nur mittels intelligenter Regelung (Smart Metering, s. Abb. 3) möglich. Unternehmen, die eine hohe Qualität der Elektro- und Wärmeenergie (konstante Temperatu-ren) benötigen, müssen sich eigene Kraftwerke zulegen [1], da weder die vorhandenen

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Kraftwerksbetreiber noch die Netzanbieter die teilweise notwendigen Qualitätsmerkmale ga-rantieren können. Beispiel Blockheizkraftwerk EVC-2 (AMD Dresden) einschl. Schwungmas-senspeicher (sog. Power Conditioning Device (PCD)) 6,5 MW (5s) zum Ausgleich von Stromschwankungen (Daten [1]: Strom: 22 MW, 20 kV (+-8%), 50 Hz (+-1%; Warmwasser 80°C: 14 MW (+3, -1 K; Warmwasser 32°C: 33 MW (+4, -2 K; Kaltwasser 11°C: 34 MW (+-1 K); Kaltwasser 5°C: 9 MW (+-0,5 K); Wirkungsgrad: 85 Prozent).

Abb. 3 Energiezähler einer Smart Metering – Schnittstelle; Quelle: [http://www.vattenfall.de/de/smart-metering.htm] Fazit 2

Steigende Anforderungen stellen höhere Ansprüche an die Belastbarkeit der Verteilungssys-teme (Netze); d. h. es müssen neue Strukturen zur entwickelt und realisiert werden. Die Nut-zungsfähigkeit der klassischen Energienetze ist nicht mehr flächendeckend in der bisherigen Form und technischen Ausführung gewährleistet. Abhilfe schaffen z. B.: a) Erweiterungen durch Smart Metering b) Übertragung großer Energiemengen über große Strecken mittels monopolaren oder bipo-larer Gleichstromübertragungsnetze (Abb. 4), die zum Ausgleich überregionaler Netz-schwankungen geeignet sind (befinden sich z. Z. inhaltlich und logistisch in Entwicklung).

Abb. 4 Gleichspannungsleitungen Europa; Agenda: grün: im Bau, blau in Planung, rot: in Betrieb [J. J. Messerly; http://commons.wikimedia.org/wiki/User:J_JMesserly].

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Fazit 3 Neue Anforderungen an die Systemkomponenten (intelligente Endgeräte und Verteilersys-teme) – Smart Metering. Fazit 3 Es ergibt sich ein vermehrter Flächenbedarf und Ressourceneinsatz zur Energieerzeugung, -verteilung und –speicherung beim Kunden wie auch bei den klassischen Energieerzeugern.

Abb. 5: Verlauf des Bedarfs an Elektroenergie (Last, oben rot) im Vergleich zur verfügbaren Windleistung (unten, grün) im Beispiel ei-nes Monats (Februar) für einen ausgewählten Stand-ort; Bildquelle [3]

Fazit 4

Die Problematik Elektro-Speicherung ist in erheblichem Maße von Standortfaktoren (Pump-speicherwerke) und den technologischen Entwicklungen (H2-Technik, Akkumulatoren, Druckluftspeicher etc.) abhängig, s. Abb. 6, 7. Eine generelle, flächendeckende Lösung ist z. Z. nicht in Sicht. Während die H2-Technik und Pumpspeicherwerke für größere Energiemen-gen und einer Verfügbarkeit von >1,5 Tagen die wirtschaftlich optimale Variante darstellen, haben sich als Kurzzeit- Energiespeicher Schwungmassenspeicher (< 100 s) und Akkumula-toren (< 1,5 Tage) offenbar als Optimum herauskristallisiert [3] (s. Abb. 7).

Abb. 6 Die Kosten bei Spei-cherung von Druckluft hän-gen mit der hohen Wärme-entwicklung (Kompression), den notwendigen hohen Drü-cken und der damit verbun-denen Sicherheit der Behält-nisse (Kavernen) zusammen Abb. 7: Bildquelle [3]

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Die Abb. 7 gibt darüber Aufschluss, welche Medien gegenwärtig zur Speicherung größerer Energiemengen (Elektroenergie) aus technischer Sicht geeignet sind.

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1

1

0,1

102

102

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103 104

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105

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106 107 108

tE,n

PE,n

[s]

[kW]

PSW

H2

SMS

HTBNiCd- / Pb-B

DLS

SMES

Abb. 7 Einsatzbereiche von ausgewählten Speichertechnologien, parametrisiert nach der nominellen Entladungszeit tEN und der nominellen elektrischen Leistung PEN; Agenda: DLS – Druckluftspeicher, H2 – stationärer H2-Speicher, HBT – Hochtemperaturbatterie, B - Batterie, PSW – Pumpspeicherwerk; SMES – Supraleitender magneto-elektrischer Speicher; SMS – Schwungmassenspeicher (besond. zur USV bis zum Anlauf des Generators); Werte aus [6] Abb. 7 zeigt, dass für 105 s, also mehr als 1,5 Tage praktisch nur Pumpspeicherwerke oder H2-Speicher in Frage kommen (!). Eine Voraussetzung für die optimale Einbindung des wachsenden Anteils erneuerbarer Energien in die Stromversorgung ist die breit angelegte Aufrüstung mit Informations- und Kommunikationstechniken (IKT) im Bereich der Verteilnet-ze. Darauf wies der VDE bei der Präsentation der Studie "Smart: Distribution 2020" in Berlin hin. 3 Ressourcenmanagement und Eigenenergieerzeugung

Intelligente Netze und lokale Energieerzeugung/Nutzung sind vermehrt Gegenstand der unternehmerischen Erfolgsplanung aber auch des privaten Sektors gleichermaßen. Bei der Reorganisation, Optimierung oder Neuplanung von Produktionssystemen müssen zwingend die Möglichkeiten

a) der Energieoptimierung (z. B. Mehrfachnutzung)

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b) der Eigenenergieerzeugung und c) Energieabgabe

in die strategische Unternehmensplanung sowie in die Fabrik- und Produktprogrammplanung einbezogen werden. 3.1 Lösungsansätze Voraussetzung für ein zukünftiges Energiemanagement sind intelligente Endstellen (Energie-Zähler, sogenannte Smart Metering; s. Abb. 3, 8), Netzwerke (sog. Smart Grid, s. Abb. 9) und Erzeugereinheiten. Ohne Datenerfassung und Datenaustausch zwischen Energieerzeu-ger, Netzwerk und Energieverbraucher, kann keine Regelung der einspeisenden, verteilen-den und verbrauchenden Partner funktionieren. Die derzeit zur Netzsteuerung vielfach ver-wendeten proprietären Kommunikations-protokolle unterschiedlicher Hersteller müssen durch standardisierte Schnittstellen für die verschiedenen Partner erkennbar und nutzbar sein (z. B. Standard IEC 61850). Dieser 2004 verabschiedete Standard definiert die Daten-modelle und Dienste zur intelligenten Netzsteuerung. Zudem ließe sich mit der Nutzung von IEC-Protokollen in öffentlichen Netzen eine vergleichbare technische Datensicherheit wie bei internen Kommunikationsnetzen erreichen. Dies betrifft sowohl Abnehmer im Privatkunden- als auch im Geschäftskundensektor mit zwei Schlussfolgerungen:

Abb. 8 Smart Metering Endstelle eines Energieabnehmers; Bildquelle [5]

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Abb. 9: Smart Metering und Smart Grid – Funktionen eines Energieerzeugers; Bildquelle [3] Lösungsansätze

1) Smart Metering im intelligenten Energienetz durch das Unternehmen

- Energiebezug flexibilisieren (Zeitfenster, Lastfenster, Kostenfenster) - Energielieferung in das Betriebskonzept integrieren - Energiespeicherung für Eigenbedarf und Netzbedarf vorsehen

2) Smart Grid: Versorgungsnetze (Strom, Gas, Fernwärme) werden zur Kostenoptimierung und Sicherstellung des Energiebezugs bzw. der Energiequalität intelligent vernetzt (Abb. 10).

Abb. 10: Smart-Grid-Lösung [Bildquelle Larta Institut]

3) Energieerzeugung nach Möglichkeiten des Standortes - Photovoltaik und Solarthermie

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- Windenergie - Wasserkraft - Erdwärme - Spitzenkraftwerke (kurzzeit)

4) Energiespeicherung nach Möglichkeiten des Standortes

- H2-Technik - Pumpspeicherung - Netzspeicherung, Speicherung beim Kunden

3.2 Kalkulation der Energieversorgung im Unternehmen am Beispiel Photovoltaik-Anwendungen

Die Energieversorgung für den Fertigungsablauf kann je nach Bedingungen und Erfordernis-sen am Standort sowohl als Insellösung als auch als netzgebundene Lösung sichergestellt werden. Grundsätzlich aber zeigen Untersuchungen [7], dass in jedem Fall eine Betrachtung des gesamten betrieblichen Ablaufs bzw. der Gesamtsituation sowohl energetisch als auch wirtschaftlich vollzogen werden müssen. Die Besonderheiten am Standort können sich z. B. zwischen Sommer- und Winterbetrieb um mehrere Kenngrößen verändern. Die Sichtung von Programmen zur Dimensionierung von PV-Anlagen [7, 8] berücksichtigt zwar elektrische, mechanische, administrative und fiskalische Komponenten, jedoch in keinem Fall eine flexib-le Anpassung an notwendige Netzstrukturen (Smart Grid) und Schnittstellen (Smart Grid). Eine offene Programmarchitektur kann für dieses Erfordernis eine Lösung darstellen. Abb. 11 zeigt auf Basis einer Tabellenkalkulation einen Lösungsansatz. Dabei zeigt sich, dass im Winterhalbjahr der Energieverbrauch ca. um Faktor 2,5 größer ist, als im Sommerhalbjahr. Die unternehmerische Entscheidung liegt also darin, entweder mit einer auf das Sommer-Halbjahr ausgerichteten Photovoltaik 4 Schlussfolgerungen 1) Durch Einbezug von Energieressourcen am Standort können in Form von a) Insellösungen b) netzgebundenen Lösungen die energetischen Bedürfnisse gestützt werden. Dabei können wahlweise 2) Die Installation von Energiegeneratoren im Netzbetrieb setzt sowohl Smart Metering - als auch Smart Grid – Schnittstellen voraus. 3) Produktionstechnisch können praktisch alle Energieformen – da Energie wandelbar ist - sind zur Kompensation des Energiebezuges aus dem Netz zur Anwendung kommen. Gleichzeitig ist eine Lieferung überschüssiger Energie in ein Versorgungsnetz möglich. 4) Die Optimierung und Anpassung des Energiebedarfs einer Fertigung oder einer Unter-nehmensstruktur erfordert flexible Softwarelösungen, da immer eine Einzelfall-Lösung an-gestrebt als Optimum werden muss.

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Abb. 11 Auf Basis einer Tabellenkalkulation erfolgte Berechnung der erforderlichen Genera-torgröße an einem Produktionsstandort in Abhängigkeit der Nutzergruppen. Quellenverzeichnis [1] St. Schroeter: „Präzisions-Energie für AMD“; http://stefanschroeter.com/de/anfang/14-

praezisions-energie-fuer-amd.html, 10/2010. [2] A. Hackbarth, R. Madlener, J. Reiss, H. Steffenhagen: „Smart Metering bei Haus-

haltskunden – Stand der Entwicklungen in Deutschland“ Veröffentlicht in Energiewirt-schaftliche Tagesfragen, 58 Jg. (2008) Heft 11, S. 70-73.

[3] M. Kleimaier: „Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil er-neuerbarer Energieträger“ vde-Mitteilung vom 24.03.2009; Internet: www.VDE.com.

[4] Ch. Wittwer: „Netzintegration von Dezentralen Erzeugern im Smart Grid der Zukunft“, 6. Solartagung Rheinland-Pfalz, Birkenfeld, 09.09.2010, Tagungsband

[5] U. Reiner, M. Kahl, T. Leibfried, F. Allerding, H. Schmeck: „MeRegioMobil-Labor – Entwicklungsumgebung für zukünftige Smart-homes“;

[6] F. Hannig, T. Smolinka, P Bretschneider, St. Nicolai , S. Krüger, F. Meißner, M Voigt: „Stand und Entwicklungspotenzial der Speichertechniken für Elektroenergie – Ablei-tung von Anforderungen an und Auswirkungen auf die Investitionsgüterindustrie“, BMWi-Auftragsstudie, 28.08.2009, http://www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/Publikationen/Studien/.

[7] A. Elnour, B. K. Glück: „PC-gestützte Dimensionierung von PV-Inselanlagen“, PV-Meeting 2010, HS-Lausitz, 21.04.2010, Tagungsband

[8] A. Elnour: „Ingenieurwerkzeug zur Dimensionierung und Planung von Photovoltaik-Insellanlagen“; BA-Thesis, HS-Lausitz 31.08.2010