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Fachartikel
14. Mai 2021

Power-to-Heat

Wie aus Strom Dampf wird

Zur Stabilisation des Stromnetzes in der Schweiz setzt die Betreiberin Swissgrid auf Systemdienstleistungen wie das Prinzip Power-to-Heat mittels Elektrodendampfkessel. Energie Wasser Bern bietet diese Systemdienstleistung an und erhöht damit gleichzeitig die Redundanz in der Wärmeproduktion der Energiezentrale Forsthaus.
Thomas Bücherer, Dominic Gerber, David Da Silva, 

Ersatzneubau als Chance – das hat sich Energie Wasser Bern (ewb) auf die Fahne geschrieben, als mit der Planung des Standorts Forsthaus im Jahr 2005 begonnen wurde. Mit der Schaffung des Energie-Hubs Energiezentrale Forsthaus (EZF) wurden bisher getrennte Energie- und Wärmeanbieter verbunden. Nebst einer Kehrichtverbrennungsanlage (KVA) wurden ein Holzheizkraftwerk (HHKW) und ein Gas- und Dampf-Kombikraftwerk (GuD) errichtet. Figur 1 zeigt ein vereinfachtes Verfahrensfliessbild mit den wichtigsten Komponenten der Anlage in Bern.

AUSGANGSLAGE

Wärmeproduktion EZF

Die Wärmeabgabe der EZF variiert je nach Jahreszeit. Insbesondere in den Sommermonaten wird keine Fernwärme zur Heizung von Gebäuden benötigt. Aber auch innerhalb einer Woche ändert sich die Nachfrage nach Wärme, da an den Wochenenden in fertigenden Betrieben weit weniger produziert wird als an Werktagen. Noch vielseitiger sind die Ursachen für die Schwankungen der Wärmeabgabe im Laufe eines Tages: So können das morgendliche Duschen oder der Abwasch nach dem Abendessen zur Bildung von Spitzenlasten innerhalb eines Tages beitragen.
Durch die Verbindung mehrerer Wärmeerzeuger kann die Energiezentrale Forsthaus als Energie-Hub die Herausforderungen des ambivalenten Wärmebedarfs gut meistern. Dabei übernimmt die KVA die Aufgabe des zuverlässigen Dauerlieferanten. Allerdings kann sie nicht stark geregelt werden kann, da sie nicht primär zur Energie- und Wärmegewinnung gebaut wurde.
Um die variierende Nachfrage abdecken zu können, werden das HHKW und das GuD betrieben. Schnelle Veränderungen und Spitzenlasten werden durch die gasbetriebenen Spitzenlastkessel abgefangen. Diese Standbeine ermöglichen eine Anpassung an Anfrageveränderungen und Belastungsspitzen.
Im Sinne der Energiestrategie der Stadt Bern baut ewb derzeit die Fernwärmeversorgung stark aus. In den nächsten zehn Jahren soll die Fernwärmeabgabe ab der EZF verdoppelt werden. Dies bedingt eine Erhöhung der FW-Produktion um weitere 100 MWth. Die oben beschriebenen Spitzenlastkessel speisen direkt in das bestehende FW-Netz ein. Sie stehen somit im neuen, hydraulisch getrennten FW-Netz nicht für die Spitzenlastabdeckung und auch nicht als Backup-System zur Verfügung. Diese fehlende Redundanz stellt ein Risiko für die zuverlässige Wärmeabgabe dar, das mit dem Betrieb eines weiteren Wärmeerzeugers minimiert werden könnte.

Netzstabilität im Schweizer Stromnetz

Das Schweizer Stromnetz wird durch die der eidgenössischen Elektrizitätskommission unterstellten Swissgrid AG betrieben. Mit über 6700 km Leitungen und 145 Schaltanlagen wird eine unterbrechungsfreie Stromversorgung in der Schweiz sichergestellt.
Nebst der Spannung ist die Netzfrequenz eine wichtige Kenngrösse der Stromnetze. Die Netzfrequenz beschreibt bei einer Stromversorgung mit Wechselspannung die Schwingungen der Polaritäten und dient der Überwachung des Verhältnisses von Stromproduktion zu Strombedarf. Bei grösserer Produktion als Bedarf erhöht sich die Frequenz und umgekehrt.
Grosse elektrische Verbraucher sind auf eine stabile Frequenz angewiesen. Eine schnelle Änderung oder eine zu hohe Frequenz verursacht Schäden an den Maschinen. Deshalb sollten Frequenzveränderungen vermieden werden. Auch die Zeitmessung ist davon beeinflusst. Viele Uhren richten sich nach der Frequenz im elektrischen Netz. Ist die Netzfrequenz zu hoch, gehen die Uhren vor und umgekehrt.
Wind- und Solarenergie sind in der Schweiz auf dem Vormarsch. Anders als erneuerbare Energie aus Wasserkraft sind diese Stromproduktionswege stark vom Wetter abhängig und können ernstzunehmenden Schwankungen unterliegen. Da Speichermöglichkeiten im Netz der Swissgrid fehlen bzw. zu klein sind, um diese Schwankungen abzufedern, resultiert dies in einer Frequenzveränderung.
Die Aufgabe der Swissgrid AG besteht in solchen Situationen darin, eine Stabilisierung des Netzes vorzunehmen und das Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch zu wahren. Dies wird mittels Eingriffen in Stromproduktion oder -bedarf geregelt. Bei einem Frequenzabfall kann Swissgrid direkt in die Stromproduktion einzelner Kraftwerke, insbesondere Pumpspeicherkraftwerke, anfordern. Falls eine Steigerung des Energieverbrauchs benötigt wird, können grosse Verbraucher nach Bedarf in Betrieb genommen werden. Dabei sind schnelle Ansprechzeiten von grosser Bedeutung. Der Betrieb solcher Anlagen zur Frequenzregulierung wird Systemdienstleistung (SDL) genannt und kann entweder durch Swissgrid selbst oder durch Vergabe an Dritte sichergestellt werden. Dabei wird die Art der SDL anhand der Reaktionszeit kategorisiert. Dies reicht von Primärregulierung innerhalb von 1–2 Sekunden zu Tertiärregulierung, bei der die Anlage innerhalb von 15 Minuten zur Verfügung stehen muss. Auf der Seite der Stromverbraucher kommt dem Prinzip Power-to-Heat grosse Bedeutung zu. Die Energie, die zur Frequenzregulierung aus dem Stromnetz gezogen werden muss, wird dank Power-to-Heat in Form von Wärme speicherbar. Insbesondere die Umwandlung in Warmwasser ist vor allem im Norden Europas weit verbreitet. Dieses Prinzip kann auch aus umwelttechnischer Sicht sinnvoll sein. Durch die Produktion von Wärme aus SDL werden weniger fossile Energieträger zur Wärmeproduktion benötigt. Im Gegensatz zu anderen Wärmeerzeugern besitzt der Elektrodendampfkessel (EDK) keine Mindestlast. Deshalb kann auch nur in geringen Mengen flexibel Wärme abgegeben werden.

Systemdienstleistung durch ewb

2018 wendete sich Swissgrid vom Prinzip der symmetrischen SDL ab. Neu kann auch nur ein Bereich der Systemdienstleistung angeboten werden, entweder der Verbrauch oder die Produktion. ewb hat diese Gelegenheit ergriffen und die beiden Ziele, Redundanz in der Wärmeproduktion und das Anbieten von Systemdienstleistung, in einer Win-win-Situation vereinigt. Eine verbreitete Technik zur Wärmeerzeugung aus Strom ist der EDK. Dieser benötigt zur Dampfproduktion Elektrizität und ist aufgrund seiner kurzen Ansprechzeit geeignet, Systemdienstleistungen zu erbringen.
Durch die Implementation eines EDK in den Energie-Hub EZF kann die ewb ihre Produktionssicherheit für Wärme und Energie steigern. Zudem kann durch das Erschliessen eines weiteren Geschäftszweiges, der Systemdienstleistungen, die EZF noch wirtschaftlicher aufgestellt werden. Diese Idee wurde 2019 umgesetzt, indem ein Elektrodendampfkessel in die hydraulischen und elektrischen Systeme der EZF eingebunden wurde. Mit der Anbindung an die Regelsignale kann Swissgrid via den Poolbetreiber von Verbrauchern die SDL abrufen.

 

EDK IN DER Energiezentrale

Funktionsweise

Im Gegensatz zu den meisten Adaptionen von Power-to-Heat wird in der Implementation auf der EZF kein Warmwasser, sondern Dampf produziert. Die erschwerte Speicherung von Dampf im Gegensatz zu Warmwasser ist aufgrund der Einbindung in den Energie-Hub mit seinen verschiedenen Dampfabnehmern kein Hindernis. Nicht die Speicherung von Überschussenergie steht im Vordergrund, sondern die Nutzbarmachung jener in Form von Wärme.
Wie in Figur 2 dargestellt, besteht der Kessel aus einem inneren und einem äusseren Behälter. Eine Drei-Leiter-Mittelspannungsleitung versorgt die drei Elektroden im inneren Teil mit Strom auf je einer eigenen Phase. Der Strom fliesst nun von den Elektroden zu der Kesselwand. Das Wasser zwischen Kesselwand und Elek­troden fungiert als Leiter und auch als Widerstand. Aufgrund dessen wird das Wasser, während es als Leiter genutzt wird, erhitzt und es kommt zur Dampfproduktion. Der Dampf wird abgezogen und so nutzbar gemacht. Ein nachgeschaltetes Druckreduzierventil lässt den Dampf überhitzen.
Der äussere Bereich des Kessels fungiert als Speisewasserpuffer für die Dampfproduktion. Mittels Einspeisung einer Speisewasserleitung wird der Masseanteil des Wassers, der als Dampf dem System entzogen wird, kompensiert. Durch die Steuerung, welcher Anteil des Wassers vom äusseren in den inneren Teil des Kessels gepumpt wird, kann die Eintauchtiefe der Elektroden kontrolliert werden. Die Eintauchtiefe ist entscheidend für die durch das Wasser geleitete Energie. Besteht kein Kontakt zwischen Elektrode und Wasser, wird keine Energie abgegeben und kein Dampf produziert – der Kessel befindet sich im Nulllastbetrieb. Bei Volllastbetrieb sind die Elektroden komplett eingetaucht. Variationen in der Eintauchtiefe dazwischen werden als Teillast zusammengefasst.

Einbindung des EDK in die bestehende EZF

An der Projektierung und der Implementation des EDK in der EZF haben verschiedene Partner mitgewirkt. Die Lieferung erfolgte durch die Firma BVA. Dank der schnellen Ansprechzeit von maximal drei Minuten vom vorgewärmten Zustand (180 °C warm) zum Volllastbetrieb erfüllt dieser EDK die Anforderungen eines Systemdienstleisters. Mit einer Spannung von 11,6 kV wird der elektrische Verbrauch von 24 MWel sichergestellt. Dies ermöglicht dem Kessel eine Produktion von 38 t Dampf bei 12,6 bar(a) und 200 °C.
Um den EDK ins bestehende System der Wärmeerzeuger einzugliedern, musste ein Standort im Gebäude der EZF selbst gefunden werden. Daraus resultierten eine Implementation in einen bestehenden Betrieb und die damit einhergehenden Herausforderungen. Die Platzverhältnisse sind eng und die Leitungsführung kann aufgrund bestehender Objekte nicht immer optimal geplant werden. Zudem darf der laufende Betrieb nicht durch den Bau des EDK behindert werden. Insbesondere das grosse Gewicht von ca. 30 Tonnen musste vom Standort statisch getragen werden können. Figur 3 ermöglicht einen Einblick in die engen Platzverhältnisse bei der Implementation.
Auf der gleichen Spannungsstufe (11,6 kV) sind zwei weitere Turbinen, die TG1 und TG3 angeschlossen. Die Swissgrid kann bei einer Frequenzsteigerung den Verbrauch bei benötigtem Lastpunkt anordnen und somit das Netz über den EDK entlasten. Die elektrische Anbindung ist in Figur 4 dargestellt.
Bei der angeschlossenen Leitung handelt es sich um ein Dreileitersystem. Somit ist auf jeder der drei Elektroden im EDK eine andere Phase. Bei gleichzeitigem Kontakt der dreien mit dem Wasser ist dieser Umstand vernachlässigbar. Da aber die Regulierung des Wasserstandes im oberen Bereich des EDK und somit auch die Eintauchtiefe der Elektroden durch das Hochpumpen aus dem unteren Bereich geregelt ist, kann aufgrund von Turbulenzen kein konstanter Wasserspiegel garantiert werden. Als Folge davon kann eine Elektrode vor den anderen einen Kontakt mit dem Wasser erstellen und beginnt zu leiten, was zu einer elektrischen Schieflast führen kann. Beim EDK treten diese Schieflasten insbesondere beim Anfahrprozess auf, sind jedoch von sehr kurzer Dauer (zwischen 3 und 5 Sekunden).
Die Generatoren der Turbinen, die an derselben elektrischen Mittelspannungsschiene angeschlossenen sind, können durch Schieflast stark beschädigt werden. Aus diesem Grund verfügen die Turbinen über ein Schutzgerät, das bei detektierter Schieflast eine Abschaltung ausführt. Bei dem in der EZF installierten EDK wurde beim Anfahren regelmässig eine Schieflast verursacht. Zur Lösungsfindung wurden sowohl die Hersteller der Turbinen als auch die Hersteller des EDK konsultiert. Durch eine Änderung in der Berechnung des Schutzgerätes konnte ein sicherer und dennoch störungsfreier Betrieb ermöglicht werden. Dabei wird die Inbetriebnahme des EDK detektiert. Als Folge davon führen die Schutzgeräte während einigen Sekunden bei detektierter Schieflast keine Abschaltung der Turbinen aus. Sollte es im Worst Case parallel zur Einschaltung des EDK zu einer Havarie kommen, die eine Schieflast verursachen würde, führt dies weiterhin nach dem Ablauf der paar Sekunden zu einer Abschaltung. Während dieser Toleranzzeit sind keine Schäden am Generator zu erwarten. Somit kann der EDK störungsfrei in Betrieb genommen und trotzdem ein sicherer Betrieb der Generatoren garantiert werden.
Hydraulisch ist der EDK an die Mitteldruck (MD)-Dampfschiene der EZF mit 12,6 bar(a) und 200 °C angeschlossen. Somit wird in der EZF mittels Power-to-Heat nicht Energie in Form von Warmwasser gespeichert, sondern direkt ein Mehrwert in Form einer zusätzlichen Einspeisung in das interne Dampfnetz generiert. Dies ermöglicht die vielseitige Weiterverwendung des produzierten Dampfes. Nebst dem EDK wird die MD-Dampfschiene auch durch die Entnahmeleitungen der drei Turbinen der KVA, des GuD und des HHKW gespiesen. Nebst der Versorgung von Industriebetrieben mit Prozessdampf (u. a. ARA Bern, Wäscherei etc.) wird über diese MD-Dampfschiene auch das Fernwärmenetz der Stadt Bern versorgt. Der Dampf wird aber auch für betriebsinterne Prozesse wie die Verbrennungsluftvorwärmung eingesetzt oder in Zukunft beim Dampfüberschuss dem Geospeicher für die saisonale Speicherung zugeführt. Die hydraulische Anbindung ist in Figur 5 dargestellt.

BETRIEB

Wie oben beschrieben, hat der EDK zwei Aufgaben: einerseits die Sicherstellung der Dampfproduktion (bei Ausfall eines anderen Dampfproduzenten) sowie die Spitzenlastabdeckung, andererseits die Ausführung der Systemdienstleistung.
Beim Betrieb des EDK infolge Redundanz oder zur Abdeckung von Spitzenlasten wird die gesamte Dampfproduktion in die MD-Dampfschiene eingespiesen. So kann die fehlende Dampfproduktion kompensiert und der gesamte Bedarf gestillt werden.
Im Gegensatz dazu besteht beim externen Abruf der Systemdienstleistung für den zusätzlich produzierten Dampf keine Nachfrage. Unter normalen Bedingungen würde dies zu einer Drosselung der Entnahmeleitung der Turbinen führe. Dadurch würde mehr Dampf durch den hinteren Teil der Turbinen geleitet werden, was wiederum in einer Strom-Mehrproduktion resultiert. Da der Grund für eine Regelleistung aber eine Überproduktion von Strom ist, wäre dies kontraproduktiv. Die Stromproduktion durch die Turbinen muss also konstant gehalten werden.
Auch das Fernwärmenetz hat während des Abrufs der Systemdienstleistung einen konstanten Wärmeabsatz. Ebenso können die anderen Dampfbezüger ab der MD-Dampfschiene nicht ohne Weiteres eine höhere Abnahme sicherstellen.
Wie in Figur 5 aufgezeigt, kann dank der Anbindung des EDK an die MD-Dampfschiene in einem Regelbetrieb der produzierte und überschüssige Dampf mittels Heizkondensatoren in Fernwärme umgewandelt und in den FW-Speicher auf der EZF zwischengespeichert werden. Dies bedingt aber auch, dass ewb die Speicher entsprechend auch im Normalbetrieb aktiv bewirtschaftet und ein Teilvolumen für die unangekündigten Abrufe der Systemdienstleitung freihält. Dabei hat sich gezeigt, dass die Speicher im Bereich 10–15 MWhth freizuhalten sind.
Bei Rückkehr zum Normalbetrieb wird diese gespeicherte Wärme wieder dosiert ans FW-Netz abgegeben. Dadurch kann, während Wärme aus den Fernwärmespeichern gezogen wird, mehr Dampf durch die Turbine geleitet werden, was in einer Mehrproduktion von Strom resultiert. Somit entsteht dem ewb durch die Regelleistung indirekt ein Mehrwert infolge der zusätzlich möglichen Stromproduktion.

Nutzungsdaten aus einem Jahr

Seit Kalenderwoche 9 im Jahr 2020 ist der EDK betriebsbereit. Als Systemdienstleister der Sekundärstufe muss ewb pro Woche die Leistungsvorhaltung Swissgrid melden. Ab Kalenderwoche 11 wurde bis auf zwei Wochen das ganze Jahr durchgehend Leistung für SDL angeboten. Im Schnitt betrug im Jahr 2020 die Leistungsvorhaltung rund 12 MWel, wobei in einzelnen Wochen auch Spitzenwerte von bis zu 20 MWel angeboten wurden. Insgesamt hat der EDK im Jahr 2020 rund 1700 MWhth MD-Dampf aus Strom produziert und somit rund 0,7% der gesamten Fernwärme-Produktion der Energiezentrale Forsthaus abgedeckt. Wie in Figur 6 ersichtlich, kann der Abruf der SDL durchaus schwankend sein.
Bei der Kategorie der Sekundärregelleistungserbringer wird die Leistungsvorhaltung monetär vergütet. Der dafür erhaltene Betrag wird von Woche zu Woche verhandelt. Beim Abruf einer SDL muss der Strom zum aktuellen Börsenpreis erstanden werden. Die Swissgrid erstattet 20% davon zurück. Die produzierte Wärme kann weiterverwendet werden. Der damit erzielte Ertrag deckt in etwa 80% der Kosten des Stroms. Dank der Vergütung der Leistungsvorhaltung konnte ewb mit dem EDK in den zehn Monaten Betrieb ungefähr eine halbe Million Franken erwirtschaften. Mit den Erfahrungen aus dem ersten Betriebsjahr wird die Payback-Zeit auf drei bis fünf Jahre geschätzt.

Bibliographie

[1] Swissgrid AG (2021): Das Übertragungsnetz auf einen Blick. www.swissgrid.ch/de/home/operation/power-grid/swiss-power-grid.html
[2] Swissgrid AG (2021): Netzstabilität: Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch. www.swissgrid.ch/de/home/operation/regulation/grid-stability.html
[3] Swissgrid AG (2021): Frequenz www.swissgrid.ch/de/home/operation/regulation/frequency.html

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