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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 ‚Äď 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 W√§rmeanbieter 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 W√§rmeabgabe der EZF variiert je nach Jahreszeit. Insbesondere in den Sommermonaten wird keine Fernw√§rme zur Heizung von Geb√§uden ben√∂tigt. Aber auch innerhalb einer Woche √§ndert sich die Nachfrage nach W√§rme, da an den Wochenenden in fertigenden Betrieben weit weniger produziert wird als an Werktagen. Noch vielseitiger sind die Ursachen f√ľr die Schwankungen der W√§rmeabgabe im Laufe eines Tages: So k√∂nnen das morgendliche Duschen oder der Abwasch nach dem Abendessen zur Bildung von Spitzenlasten innerhalb eines Tages beitragen.
Durch die Verbindung mehrerer W√§rmeerzeuger kann die Energiezentrale Forsthaus als Energie-Hub die Herausforderungen des ambivalenten W√§rmebedarfs gut meistern. Dabei √ľbernimmt die KVA die Aufgabe des zuverl√§ssigen Dauerlieferanten. Allerdings kann sie nicht stark geregelt werden kann, da sie nicht prim√§r zur Energie- und W√§rmegewinnung 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 Fernw√§rmeversorgung stark aus. In den n√§chsten zehn Jahren soll die Fernw√§rmeabgabe ab der EZF verdoppelt werden. Dies bedingt eine Erh√∂hung der FW-Produktion um weitere 100‚ÄČMWth. Die oben beschriebenen Spitzenlastkessel speisen direkt in das bestehende FW-Netz ein. Sie stehen somit im neuen, hydraulisch getrennten FW-Netz nicht f√ľr die Spitzenlastabdeckung und auch nicht als Backup-System zur Verf√ľgung. Diese fehlende Redundanz stellt ein Risiko f√ľr die zuverl√§ssige W√§rmeabgabe dar, das mit dem Betrieb eines weiteren W√§rmeerzeugers minimiert werden k√∂nnte.

Netzstabilität im Schweizer Stromnetz

Das Schweizer Stromnetz wird durch die der eidgen√∂ssischen Elektrizit√§tskommission unterstellten Swissgrid AG betrieben. Mit √ľber 6700‚ÄČkm 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 √Ąnderung oder eine zu hohe Frequenz verursacht Sch√§den an den Maschinen. Deshalb sollten Frequenzver√§nderungen 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 ben√∂tigt wird, k√∂nnen 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 Prim√§rregulierung innerhalb von 1‚Äď2 Sekunden zu Terti√§rregulierung, bei der die Anlage innerhalb von 15 Minuten zur Verf√ľgung 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 W√§rme 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 W√§rme aus SDL werden weniger fossile Energietr√§ger zur W√§rmeproduktion ben√∂tigt. Im Gegensatz zu anderen W√§rmeerzeugern besitzt der Elektrodendampfkessel (EDK) keine Mindestlast. Deshalb kann auch nur in geringen Mengen flexibel W√§rme 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 f√ľr W√§rme und Energie steigern. Zudem kann durch das Erschliessen eines weiteren Gesch√§ftszweiges, 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 √§usseren Beh√§lter. 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 Elek¬≠troden fungiert als Leiter und auch als Widerstand. Aufgrund dessen wird das Wasser, w√§hrend es als Leiter genutzt wird, erhitzt und es kommt zur Dampfproduktion. Der Dampf wird abgezogen und so nutzbar gemacht. Ein nachgeschaltetes Druckreduzierventil l√§sst den Dampf √ľberhitzen.
Der √§ussere Bereich des Kessels fungiert als Speisewasserpuffer f√ľr 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 √§usseren in den inneren Teil des Kessels gepumpt wird, kann die Eintauchtiefe der Elektroden kontrolliert werden. Die Eintauchtiefe ist entscheidend f√ľr die durch das Wasser geleitete Energie. Besteht kein Kontakt zwischen Elektrode und Wasser, wird keine Energie abgegeben und kein Dampf produziert ‚Äď 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 vorgew√§rmten Zustand (180‚ÄȬįC warm) zum Volllastbetrieb erf√ľllt dieser EDK die Anforderungen eines Systemdienstleisters. Mit einer Spannung von 11,6‚ÄČkV wird der elektrische Verbrauch von 24‚ÄČMWel sichergestellt. Dies erm√∂glicht dem Kessel eine Produktion von 38 t Dampf bei 12,6‚ÄČbar(a) und 200‚ÄȬįC.
Um den EDK ins bestehende System der W√§rmeerzeuger einzugliedern, musste ein Standort im Geb√§ude der EZF selbst gefunden werden. Daraus resultierten eine Implementation in einen bestehenden Betrieb und die damit einhergehenden Herausforderungen. Die Platzverh√§ltnisse sind eng und die Leitungsf√ľhrung 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 k√∂nnen. Figur 3 erm√∂glicht einen Einblick in die engen Platzverh√§ltnisse bei der Implementation.
Auf der gleichen Spannungsstufe (11,6‚ÄČkV) sind zwei weitere Turbinen, die TG1 und TG3 angeschlossen. Die Swissgrid kann bei einer Frequenzsteigerung den Verbrauch bei ben√∂tigtem Lastpunkt anordnen und somit das Netz √ľber 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 vernachl√§ssigbar. 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 f√ľhren 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, k√∂nnen durch Schieflast stark besch√§digt werden. Aus diesem Grund verf√ľgen die Turbinen √ľber ein Schutzger√§t, das bei detektierter Schieflast eine Abschaltung ausf√ľhrt. Bei dem in der EZF installierten EDK wurde beim Anfahren regelm√§ssig eine Schieflast verursacht. Zur L√∂sungsfindung wurden sowohl die Hersteller der Turbinen als auch die Hersteller des EDK konsultiert. Durch eine √Ąnderung in der Berechnung des Schutzger√§tes konnte ein sicherer und dennoch st√∂rungsfreier Betrieb erm√∂glicht werden. Dabei wird die Inbetriebnahme des EDK detektiert. Als Folge davon f√ľhren die Schutzger√§te w√§hrend 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 w√ľrde, f√ľhrt dies weiterhin nach dem Ablauf der paar Sekunden zu einer Abschaltung. W√§hrend dieser Toleranzzeit sind keine Sch√§den am Generator zu erwarten. Somit kann der EDK st√∂rungsfrei 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‚ÄČbar(a) und 200‚ÄȬįC angeschlossen. Somit wird in der EZF mittels Power-to-Heat nicht Energie in Form von Warmwasser gespeichert, sondern direkt ein Mehrwert in Form einer zus√§tzlichen Einspeisung in das interne Dampfnetz generiert. Dies erm√∂glicht 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.‚ÄČa. ARA Bern, W√§scherei etc.) wird √ľber diese MD-Dampfschiene auch das Fernw√§rmenetz der Stadt Bern versorgt. Der Dampf wird aber auch f√ľr betriebsinterne Prozesse wie die Verbrennungsluftvorw√§rmung eingesetzt oder in Zukunft beim Dampf√ľberschuss dem Geospeicher f√ľr die saisonale Speicherung zugef√ľhrt. 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 Ausf√ľhrung 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 f√ľr den zus√§tzlich produzierten Dampf keine Nachfrage. Unter normalen Bedingungen w√ľrde dies zu einer Drosselung der Entnahmeleitung der Turbinen f√ľhre. Dadurch w√ľrde mehr Dampf durch den hinteren Teil der Turbinen geleitet werden, was wiederum in einer Strom-Mehrproduktion resultiert. Da der Grund f√ľr eine Regelleistung aber eine √úberproduktion von Strom ist, w√§re dies kontraproduktiv. Die Stromproduktion durch die Turbinen muss also konstant gehalten werden.
Auch das Fernw√§rmenetz hat w√§hrend des Abrufs der Systemdienstleistung einen konstanten W√§rmeabsatz. Ebenso k√∂nnen die anderen Dampfbez√ľger ab der MD-Dampfschiene nicht ohne Weiteres eine h√∂here Abnahme sicherstellen.
Wie in Figur 5 aufgezeigt, kann dank der Anbindung des EDK an die MD-Dampfschiene in einem Regelbetrieb der produzierte und √ľbersch√ľssige Dampf mittels Heizkondensatoren in Fernw√§rme 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 f√ľr die unangek√ľndigten Abrufe der Systemdienstleitung freih√§lt. Dabei hat sich gezeigt, dass die Speicher im Bereich 10‚Äď15‚ÄČMWhth freizuhalten sind.
Bei R√ľckkehr zum Normalbetrieb wird diese gespeicherte W√§rme wieder dosiert ans FW-Netz abgegeben. Dadurch kann, w√§hrend W√§rme aus den Fernw√§rmespeichern 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 zus√§tzlich m√∂glichen Stromproduktion.

Nutzungsdaten aus einem Jahr

Seit Kalenderwoche 9 im Jahr 2020 ist der EDK betriebsbereit. Als Systemdienstleister der Sekund√§rstufe muss ewb pro Woche die Leistungsvorhaltung Swissgrid melden. Ab Kalenderwoche 11 wurde bis auf zwei Wochen das ganze Jahr durchgehend Leistung f√ľr SDL angeboten. Im Schnitt betrug im Jahr 2020 die Leistungsvorhaltung rund 12‚ÄČMWel, wobei in einzelnen Wochen auch Spitzenwerte von bis zu 20‚ÄČMWel angeboten wurden. Insgesamt hat der EDK im Jahr 2020 rund 1700‚ÄČMWhth MD-Dampf aus Strom produziert und somit rund 0,7% der gesamten Fernw√§rme-Produktion der Energiezentrale Forsthaus abgedeckt. Wie in Figur 6 ersichtlich, kann der Abruf der SDL durchaus schwankend sein.
Bei der Kategorie der Sekund√§rregelleistungserbringer wird die Leistungsvorhaltung monet√§r verg√ľtet. Der daf√ľr erhaltene Betrag wird von Woche zu Woche verhandelt. Beim Abruf einer SDL muss der Strom zum aktuellen B√∂rsenpreis erstanden werden. Die Swissgrid erstattet 20% davon zur√ľck. Die produzierte W√§rme kann weiterverwendet werden. Der damit erzielte Ertrag deckt in etwa 80% der Kosten des Stroms. Dank der Verg√ľtung der Leistungsvorhaltung konnte ewb mit dem EDK in den zehn Monaten Betrieb ungef√§hr eine halbe Million Franken erwirtschaften. Mit den Erfahrungen aus dem ersten Betriebsjahr wird die Payback-Zeit auf drei bis f√ľnf Jahre gesch√§tzt.

Bibliographie

[1] Swissgrid AG (2021): Das √úbertragungsnetz 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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