So lässt sich mit Strom Wärme speichern
15.03.2021 | Mit dem C/sells-Projekt „Intelligente Wärme München“ haben wir seit 2017 erprobt, wie wir elektrisches Heizen und Kühlen zu einem Baustein der Energiewende machen können. Die Idee des Projekts: Überschüssigen Ökostrom in Elektrospeicherheizungen, Wärmepumpen und Kälteanlagen nutzen. Jetzt liegen die Ergebnisse des Projekts vor.
Vernetzung von Elektrizität und Wärme bzw. Kälte
Erneuerbare Energie zwischenspeichern
Die Energiewende kommt voran, immer mehr erneuerbare Energie wird in die Stromnetze eingespeist. Allerdings kann die durch Wind und Sonne erzeugte Strommenge stark schwanken, so dass innovative Lösungen gefragt sind, um die Stromnachfrage dem Angebot anzupassen und die Netze stabil zu halten.
Mit dem Projekt „Intelligente Wärme München“ wollten wir erforschen, welches Potenzial in der Vernetzung von Elektrizität und Wärme bzw. Kälte – der sogenannten Sektorkopplung – steckt. Ökostrom wird also in Form von Wärme oder Kälte gespeichert: Erzeugen Anlagen für erneuerbare Energien (z. B. Photovoltaikanlagen oder Windräder) mehr Strom, als gerade verbraucht wird, werden damit sogenannte Power-to-Heat-Anlagen (Elektrospeicherheizungen, Wärmepumpen und Kälteanlagen) der SWM Kund*innen geladen.
70 Münchner Testhaushalte
Bis Ende 2020 haben wir verschiedene Konzepte in 70 Münchner Testhaushalten erprobt und die Heizenergie mit der Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien synchronisiert. Auch Wettervorhersagen und Strompreisprognosen haben wir berücksichtigt, um den Heizstrombezug zu optimieren. Die teilnehmenden SWM Kund*innen erhielten intelligente Messeinrichtungen. Die Steuerung der Wärmeanlagen lief über das virtuelle Kraftwerk, das wir schon seit vielen Jahren erfolgreich betreiben. Es vernetzt viele kleinere Erzeugungsanlagen und Stromverbraucher miteinander.
Vorteile für die Testkund*innen
Die Testhaushalte konnten durch das Projekt aktiv an der Energiewende mitwirken. Und es gab auch ganz praktische Vorteile: Im Gegensatz beispielsweise zur klassischen Nachtaufheizung von Elektrospeicherheizungen, die plötzliche Temperaturwechsel nicht berücksichtigt, ermöglichte das neue Konzept gleichmäßigen Wärmekomfort. Zu welcher Tageszeit und wie lange die Speicherheizung geladen wurde, konnten die Kund*innen durch die intelligenten Messeinrichtungen jederzeit mitverfolgen: Eine App gab Auskunft über aktuelle und vergangene Ladezeiten und zeigte, ob die Heizung gerade in Betrieb war.
Teil des Verbundprojekts C/sells
„Intelligente Wärme München“ war ein Teil des Verbundprojekts C/sells, einem Zusammenschluss von rund 50 Partnern aus Energiewirtschaft, IT und Forschung in Süddeutschland, in dem eine intelligente Energieversorgung der Zukunft erforscht wurde. Das Projekt wurde durch das Programm „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende (SINTEG)“ des Bundeswirtschaftsministeriums gefördert.
Status quo: Heizen mit Strom
Einige Münchner Haushalte heizen mit Elektrospeicherheizungen und Wärmepumpen, also mit Strom. Die Energie dazu liefern bislang vorwiegend Großkraftwerke.
Erneuerbare Energie speichern
Erzeugen Erneuerbare-Energien-Anlagen mehr Strom, als gerade verbraucht wird, können damit Speicherheizungen und Wärmepumpen aufgeladen werden.
Elektrizität und Wärme koppeln
Dazu müssen diese Power-to-Heat-Anlagen mit den dezentralen Erzeugungsanlagen vernetzt werden. Das passiert über das virtuelle Kraftwerk der SWM.
Vorteil: Besserer Wärmekomfort
Der Wärmekomfort wird durch die gespeicherte Energie erhöht. Die Haushalte können sich zudem aktiv an der Energiewende beteiligen.
"Intelligente Wärme München" als Teil des Projekts C/sells
Das Konzept
„Intelligente Wärme München“ war geprägt von verschiedenen Basisinstrumenten, die die Arbeit während der Projektlaufzeit maßgeblich beeinflusst haben. Den Hauptfokus haben wir dabei auf die technischen Aspekte gelegt, nämlich die Power-to-Heat-Anlagen, auf deren Optimierung und Anbindung. Im weiteren Verlauf rückte dann der digitale Netzanschluss in den Vordergrund.
Die Technik
Unser Ziel im Projekt war es, dezentrale Kleinstanlagen möglichst kosteneffizient, feingranular und flexibel zu steuern. Die Anbindung sollte dabei eine bidirektionale Kommunikation ermöglichen, also die Übertragung von Sollwerten und Messwerten über ein System.
Voraussetzung hierfür ist derzeit ein intelligentes Messsystem (iMSys), bestehend aus einer modernen Messeinrichtung, einem Smart-Meter-Gateway und einer Steuerbox.
Drei Säulen der technischen Umsetzung:
- Optimierungskern und Datenhaltung
Messwerte, Planwerte und Sollwerte werden in einer Zeitreihendatenbank im Backend gespeichert und vorgehalten. Das Optimierungssystem berechnet Fahrpläne für die Anlagen aufgrund verschiedener Parameter. - Feldsysteme und Kommunikation
Die verschiedenen Steuersysteme im Projekt, etwa die iMSys-Infrastruktur des Gateway-Administrators oder das StromPager-System, übermitteln Fahrpläne an die Power-To-Heat-Anlagen bzw. Messwerte an die Backend-Systeme. - Power-To-Heat-Anlagen
Die Anlagen und baulichen Besonderheiten vor Ort wurden erfasst, auf Nutzbarkeit geprüft und schließlich angebunden und bewirtschaftet.
Für die automatisierte Bewirtschaftung der Kundenanlagen müssen alle Systeme störungsfrei und verzahnt interagieren.
Partizipation und Kommunikation als Erfolgsfaktor
Die Energiewende ist einer der größten Transformationsprozesse der letzten Jahre und neben den technischen Herausforderungen auch eine kommunikative Aufgabe. Im Rahmen des Projekts haben wir auf verschiedenen Ebenen kommuniziert:
Potenzielle Teilnehmer*innen in Mehrparteienhäusern haben wir über Abendveranstaltungen angesprochen. Darüber hinaus wurden Informationen in Zeitungen, im Kundenmagazin und in den Social-Media-Kanälen der SWM veröffentlicht. Mit dem „C/sells-TramTalk“ sind wir im Oktober 2018 mit einer Sondertram durch München gefahren, in der wir die Öffentlichkeit gemeinsam mit den Projektpartnern über die Energiewende und das Projekt informiert haben.
Rahmen für das dezentrale Energiesystem
Im Feldversuch zeigte sich sehr früh, dass es den Herausforderungen der Energiewende nicht genügt, Power-To-Heat-Anlagen in einem Gebäude isoliert zu betrachten. Vielmehr muss die zunehmende Anzahl an flexiblen Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen in einem Gebäude gemeinsam gedacht und optimiert werden.
Da diese Optimierung sowohl marktseitig (etwa durch virtuelle Kraftwerke oder Flottenmanager bei Elektromobilität), als auch netzseitig erfolgen kann, ist es nötig, Mechanismen einzuführen, die die Steuerungseingriffe koordinieren.
Im Projekt geschah dies in enger Abstimmung mit den Projektpartnern sowie den Expert*innen der zuständigen Verbände und Normungsgremien.
6 Erkenntnisse aus dem Projekt
- Das sogenannte Lastverschubpotenzial von Speicherheizungen (ein Teil des Heizenergiebedarfs wird in den Tag verschoben und mit der Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien synchronisiert) konnten wir im Projekt umfangreich erproben. Eine Flexibilisierung ist technisch möglich und kann den Wärmekomfort erhöhen, wenn die Anlage sachgemäß genutzt wird. Eine Optimierung auf Gebäudeebene ist mit intelligenter Ansteuerung ausreichend.
- Speicherheizungen sind in der Regel älter, so dass der Gebäudeeigentümer umfangreiche Sanierungen durchführen muss, um eine Flexibilisierung möglich zu machen.
- Wärmepumpen sind stark an das Gebäude angepasste Systeme. Das erschwert eine einheitliche und allgemeingültige zentrale Ansteuerung. Eine relaisbasierte Ansteuerung führt daher nicht zur gewünschten Wirkung. Die hierfür erforderliche, protokollbasierte Steuerlogik muss in Abstimmung mit den Herstellern neu konzipiert werden.
- Die Energieinfrastruktur in den Bestandsgebäuden ist oft den Herausforderungen der Energiewende nicht gewachsen. Leistungsfähige Telekommunikation bis ins Gebäude ist unerlässlich, um die flexiblen Anlagen im zukünftigen „Smart Grid“ zu nutzen.
- Die Elektrifizierung von dezentraler Wärmebereitstellung und Mobilität birgt neue Herausforderungen hinsichtlich der Leistungsbereitstellung und Koordination von Optimierungseingriffen. Die damit verbundenen systemischen Veränderungen werden gerade konzipiert.
- Kommunikation ist der Schlüssel zum Erfolg, da neben der technischen Umsetzung auch allgemeine Fragen zur Energiewende im Fokus stehen.
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