Intelligentes Energiemanagement von Mikro- und Mini-KWK-Anlagen - Durch Eigenstromoptimierung Betriebskosten senken – durch Bündelung Vermarktung verbessern

Die gute Nachricht: Schon heute sind solche dezentralen Energiesysteme marktverfügbar. Egal, ob es dabei um die Erzeugung oder die Speicherung von Wärme und Strom geht. Besonders im Fokus stehen seit einiger Zeit kompakte Kraftwärmekopplungs-Anlagen. Doch gerade für die Betreiber von Mikro- und Mini-Kraftwerken geht es aktuell vor allem um die Betriebskosten.
Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme werden deshalb zwei Punkte: Erstens braucht es eine intelligente, an den Strombedarf im Haus angepasste Betriebsweise. Zweitens muss der Vorteil der Flexibilität effizienter vermarktet werden. Wie das funktionieren kann, zeigt nun die RWE Effizienz GmbH. Sie hat mit ihren eigenen, im Contracting betriebenen Mikro-KWK-Anlagen, ein Energiemanagement-System entwickelt, das mittlerweile seit drei Jahren im Praxiseinsatz ist. Die Lösung heißt „easyOptimize“ und verschafft dem Anlagenbetreiber eine ganze Reihe zusätzlicher Mehrwerte – nicht zuletzt im eigenen Geldbeutel.

Eigenstromoptimierung
Mit der ersten Stufe des Energiemanagement-Systems lassen sich Mikro- und Mini-KWK-Anlagen „eigenstromoptimiert“ betreiben. Was bedeutet das: Der Betriebsmodus sorgt in so einem Fall für einen stromorientierten, wärmegeführten Betrieb der Mikro- und Mini-KWK-Anlage. Dabei steht die Sicherung des Wärmekomforts an erster Stelle. Damit ist insbesondere die Warmwasserversorgung und Heizwärmeversorgung gemeint. Ist der Wärmekomfort sichergestellt, orientiert sich der Betrieb der KWK-Anlage am lokalen Stromverbrauch. Dabei ist das Ziel, einen möglichst hohen Anteil des eigenen Stromverbrauchs durch KWK-erzeugten Strom abzudecken. Der Grund: Im standardmäßig wärmegeführten Betrieb einer KWK-Anlage werden Strom und Wärme zwar hocheffizient generiert, wann die Energie jedoch erzeugt wird, orientiert sich jedoch alleine am Wärmeverbrauch; der aktuelle Stromverbrauch wird dagegen nicht berücksichtigt.
Das führt dazu, dass Strom häufig dann produziert wird, wenn im Haus gar kein Strombedarf besteht. Und noch ungünstiger: Häufig werden KWK-Anlagen gar nicht betrieben, wenn gerade ein hoher Stromverbrauch im eigenen Objekt vorliegt. Die Folge liegt auf der Hand: Wärmegeführte Anlagen generieren einen hohen Netzaustausch – einerseits speisen sie elektrische Energie aus der KWK-Anlage in das Stromnetz, andererseits wird viel Strom aus dem öffentlichen Netz zur Versorgung des Objekts bezogen. Die Praxis zeigt, dass sich das nicht rechnet: Aktuell wird die Netzeinspeisung mit dem durchschnittlichen Baseload-Preis der Strombörse EEX entgolten. Dazu kommen noch die vermiedenen Netznutzungsentgelte, was derzeit zusammen durchschnittlich einer Einspeisevergütung von weniger als
4 ct/kWh entspricht. Der Strombezug aus dem öffentlichen Netz hingegen schlägt für Privathaushalte mit ca. 29 ct/kWh zu Buche. Diese wirtschaftliche Ungleichheit von Netzeinspeisung und Netzbezug führt aktuell zu einer Differenz von 25 ct/kWh.
Ganz anders sieht die Rechnung bei einer stromorientierten Erzeugung aus: Wird aus KWK-Anlagen generierter Strom selbst genutzt und somit auf die Nutzung von Netzstrom verzichtet, so erzielt der Anlagenbetreiber eine Einsparung in Höhe von 25 ct/kWh. Die Eigenstromnutzung führt somit, durch eine Erhöhung der Eigenstromnutzung um bis zu 15%, zu einem wesentlichen wirtschaftlichen Vorteil für den Anlagenbetreiber.
Bleibt die Frage, was für das Energiemanagement-System „easyOptimize“ benötigt wird. Da wäre zu allererst die „easyOptimize“-Box, die über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem KWK-Gerät verbunden wird. In der Regel nutzt man dafür ein Ethernet-Kabel. Die Anbindung an den Zweirichtungsstromzähler funktioniert abhängig vom Zählertyp entweder per Funk (wireless M-Bus) oder per Kabel (Infrarot-Auslesekopf mit USB-Schnittstelle) (Bild 1).
Und so funktioniert die Eigenstromoptimierung: Der patentierte Algorithmus zum stromorientierten Betrieb besteht aus einer selbstlernenden elektrischen und thermischen Lastprognose für den Folgetag. Für diese Lastprognose werden die Daten über die Schnittstellen zur KWK-Anlage und zum Zweirichtungsstromzähler herangezogen. Während der nächsten 24 Stunden optimiert „easyOptimize“ den Anlagenbetrieb so, dass die KWK-Anlage, abhängig vom Strompreis, möglichst viele Stromverbrauchsspitzen und lange anhaltende Stromverbräuche abdeckt.
Oberste Priorität hat wie zuvor erwähnt der Wärmekomfort, der über ein spezielles Monitoring sichergestellt wird. Demzufolge wird Strom möglichst dann erzeugt, wenn er gebraucht wird oder der Strompreis hoch ist. Somit werden über das System schon heute die gegebenenfalls zukünftig verfügbaren, zeitvariablen Haushaltsstromtarife berücksichtigt. Der vorhandene Pufferspeicher ermöglicht außerdem die notwendige Flexibilität: Durch ihn lässt sich die Wärmeerzeugung vom Wärmeverbrauch entkoppeln – eine Laufzeitverschiebung der KWK-Anlage wird möglich. Mit der „easyOptimize“-Box erfolgt somit eine kundenspezifische Eigenstromoptimierung, hier dargestellt am Beispiel des SenerTec „Dachs“ (Bild 2).
Der Algorithmus zur Eigenstromoptimierung ist seit drei Jahren im Praxiseinsatz und ist durch easyOptimize seit 2014 herstelleroffen verfügbar.

Flexibilitätsvermarktung
Damit die Anlagenbetreiber die nach der Eigenstromerzeugung verbleibende flexibel verfügbare Energie möglichst effizient vermarkten können, etwa am Minutenreservemarkt, wird die zweite Stufe des Energiemanagements aktiv. Dabei werden die dezentralen KWK-Anlagen über die „easyOptimize“-Boxen auf einem „easyOptimize“-Aggregator zu einem virtuellen Kraftwerk gebündelt. Mithilfe des zuvor erwähnten Algorithmus lässt sich dann die übriggebliebene Flexibilität der gesamten Anlagenflotte ermitteln. Diese Information wird im Anschluss an eine übergeordnete Plattform, dem RWE-Portfoliomanagement, zur Vermarktung übertragen.  
Der „easyOptimize“-Aggregator wird 2015 in den realen Pilotbetrieb überführt. Dann sollen auch Mikro- und Mini-KWK-Anlagen sowie weitere Energiesysteme am Minutenreservemarkt teilnehmen. In der Pilotphase entwickelt RWE gemeinsam mit den KWK-Herstellern sowohl das Konzept für die Teilnahme der Anlagenbetreiber am Minutenreservemarkt als auch das damit verbundene Geschäftsmodell. Anschließend soll der Aggregator Erlöse über den Leistungspreis (Zuschlag) und über den Arbeitspreis (Abruf) generieren.
Für die Teilnahme am Minutenreservemarkt ist die KWK-typspezifische Präqualifikation der Anlagen notwendig. RWE Effizienz und RWE Vertrieb haben bereits 2014 gemeinsam einen Pool von 22 Mikro-KWK-Anlagen mit in Summe 100 kW beim Übertragungsnetzbetreiber Amprion für die Minutenreserve präqualifiziert (Bild 4). Weitere typspezifische Präqualifikationen von Mikro- und Mini-KWK-Anlagen werden im Jahr 2015 folgen.

Prozesse, Installation und Registrierung
Die Verbreitung der Boxen erfolgt in enger Kooperation mit den KWK-Herstellern über deren jeweilige Vertriebskanäle beziehungsweise das Fachhandwerk. Die Montage und die Verbindung zu anderen Komponenten sind denkbar einfach und folgen dem nutzerfreundlichen Plug & Play-Prinzip. Anschließend erfolgt die Online-Registrierung. Dabei werden Informationen zum KWK-Anlagentyp, dem Pufferspeichervolumen und dem Stromzählertyp abgefragt, sodass der passende, gerätespezifische Treiber heruntergeladen werden kann. Nach der Registrierung steht dem Anlagenbetreiber eine browserbasierte Nutzeroberfläche zur Verfügung. Diese ist sowohl PC- als auch Smartphone- und Tablet-kompatibel. Über sie lassen sich detaillierte Informationen zum Betrieb der Anlage, beispielsweise die elektrische und thermische Leistung, und historische Verbrauchs- und Erzeugungsdaten abrufen (Bild 5).

Kooperationen mit KWK-Herstellern
Seit 2014 kooperiert RWE mit KWK-Herstellern wie SenerTec, 2G und Viessmann Kraft-Wärme-Kopplung GmbH, mit denen in der Pilotphase mit der Unterstützung von innovativen Handwerksbetrieben mehrere Hundert Mikro- und Mini-KWK-Anlagen mit dem intelligenten Energiemanagement „easyOptimize“ ausgestattet werden. Für interessierte Energieversorgungsunternehmen und Stadtwerke besteht weiterhin die Möglichkeit zur Kooperation, sodass die beschriebene Energiemanagement-Lösung ohne eigenen Entwicklungsaufwand dem eigenen Kundenkreis angeboten werden kann. Zudem wird das Energiemanagement „easyOptimize“ kontinuierlich weiterentwickelt. Das bestehende Energiemanagement-System ist nun auch für Power2Heat-Anwendungen wie beispielsweise PV-Anlagen in Kombination mit elektrischen Heizstäben oder Brauchwasser-Wärmepumpen verfügbar. Ab sofort kann über „easyOptimize“ auch die Eigenstromnutzung dieser elektrischen Wärmeerzeuger durch die Kopplung mit der Photovoltaikanlage erhöht werden.

Ausblick
Wie das Zusammenspiel von regenerativer Stromerzeugung, stationärer Speicherung und Elektromobilität in Ein- und Zweifamilienhäusern künftig aussieht, ist auch Ziel des Forschungsprojekts Smart-E. Partner im vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit geförderten Projekt. Beteiligt  sind RWE, der Batteriespezialist Hoppecke, Ener­giebau Solarstromsysteme und die TU Dortmund. Im Projekt werden verschiedene Optimierungsansätze und der Effekt zeitvariabler Preissignale untersucht, wobei „easyOptimize“ als zentrales Energiemanagementsystem eingesetzt wird. Dazu werden verschiedene Komponenten wie Mikro-KWK-Anlagen, PV-Anlagen, Batteriespeichersysteme und Elektroladesäulen in insgesamt zehn Häusern installiert und über die „easyOptimize-Box“ gesteuert.

Bilder: RWE Effizienz

Autor: Der Autor Dipl.-Wirt.-Ing. Marcel Kritzer ist bei der RWE Effizienz GmbH im Bereich Produktentwicklung Energiesysteme und Energiemanagement tätig.