WASSER & ENERGIE Technologien

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Andreas Hurni

Lastverschiebung mit InfrastrukturanlagenEnergie aus Wasserversorgungs- und Kläranlagen: Der Ausgleich zwischen Stromangebot- und -nachfrage spielt eine wichtige Rolle für die Versorgungssicherheit.

Das schweizerische Bundesamt für Ener-gie (BFE) unterstützte das Leuchtturm-

projekt „Regelpooling mit Infrastrukturan-lagen – Wasserversorgungen und Kläranla-gen“. Die Projektpartner InfraWatt, Alpiq AG und Ryser Ingenieure AG konnten ge-meinsam mit 11 Betreibern von Wasserver-sorgungen und Kläranlagen aufzeigen, dass mit bestehenden Anlagen und verhältnismä-ßig kleinem Aufwand ein namhafter Beitrag zur Verschiebung von Stromlasten geleistet werden kann, ohne deren Betrieb zu beein-trächtigen.Der vorliegende Artikel wurde in ähnlicher Form im Tagungsband der 50. Essener Ta-gung für Wasser- und Abfallwirtschaft 2017 veröffentlicht /10/.

Ausgangslage Strommarkt

Aufgrund des stetig ansteigenden Anteils der Stromproduktion aus Sonne und Wind spielt der Ausgleich zwischen Stromangebot und -nachfrage zukünftig eine immer wichtigere Rolle für die Stromnetze und die Versor-gungssicherheit. Stromangebot und -nach-frage müssen jederzeit gleich groß sein, wes-halb Lastausgleich zunehmend eine der Schlüsseltechnologien zur Sicherstellung der Stromversorgung darstellt /9/.Für eine marktfähige Lösung für einen sol-chen Lastausgleich zählen mittelfristig fol-gende Merkmale: ❙ niedrige Investitionskosten ❙ ein hoher Wirkungsgrad ❙ hohe Einsatzflexibilität ❙ geringe Wartungskosten.

Aus Sicht der Energieversorgung spielt es keine Rolle, ob ein System nur Energie auf-nehmen und ein anderes dafür Energie be-reitstellen kann oder ob beide Eigenschaften in einer Anlage vereint sind. Es geht ledig-lich um eine kontrollierbare Be- und Entlas-tung des Stromnetzes im Falle eines kurz-fristigen Überschusses oder zusätzlichen Be-darfs an elektrischer Energie. Aus volkswirt-schaftlichen Gründen ist es sinnvoll, zunächst mit wenig Aufwand Potenziale von bereits bestehenden Anlagen zur Lastver-schiebung zu nutzen und erst in einem zwei-ten Schritt in Batteriespeichertechnik und technische Großanlagen zu investieren.

Potenzialstudie und Resultate Leuchtturmprojekt

Mit bestehenden Infrastrukturanlagen wie Müllverbrennungsanlagen, Wasserversorgun-gen und Kläranlagen kann gemäß einer Poten-zialstudie von InfraWatt aus dem Jahr 2012 /1/ ein Teil der erforderlichen Regelleistung für die Minutenreserve und Sekundärregelleis-tung bereitgestellt werden. Um den Tatbeweis zu erbringen, starteten die Projektpartner In-fraWatt, Alpiq und Ryser Ingenieure im Jahr 2014 das Leuchtturmprojekt Regelpooling mit

Infrastrukturanlagen, das auf die Möglichkei-ten der Lastverschiebung bei Wasserversor-gungen und Kläranlagen fokussiert. In den letzten drei Jahren wurden im Rahmen des Leuchtturmprojekts insgesamt 6 größere Was-serversorgungen (Städte Winterthur, Bern, Lausanne, Reinach, Lugano und Bellinzona) und 5 mittlere und größere Kläranlagen (Zürich, Arbon/Morgental, Fällanden, Alten-rhein, Worblental) in der Schweiz durch Fach-spezialisten aus den Branchen Siedlungswas-serwirtschaft (Ryser Ingenieure) und Strom-

versorgung (Alpiq) analysiert und in der Mehrheit der Anlagen die Möglichkeiten zur Lastverschiebung in die Praxis umgesetzt.Bei den Wasserversorgungen stellte sich her-aus, dass eine Verschiebung der Einsatzzeiten der Pumpen (Betrieb möglichst während Stunden mit niedrigen Strompreisen) in der Regel möglich ist und so auf der einen Seite die Strombezugskosten reduziert und auf der anderen Seite Minutenreserve bereitgestellt werden kann.Die Reservoire, in denen das Volumen in der Regel etwa einem Tageswasserbedarf ent-

Bild 1 System-dienstleistungen zur Sicherstellung der Netzstabilität

Quelle: Swissgrid

Bild 2 Variation des Strompreises im Wochenverlauf 2016 Quelle: Swissgrid

Technologien

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spricht, übernehmen hier die Funktion eines Zwischenspeichers. Aus wirtschaftlichen Gründen steht zurzeit die Umsetzung der Option Stromkostenoptimierung im Vorder-grund. Ein entsprechendes Optimierungs-tool, das einen optimalen Pumpbetrieb für die nächsten 7 Tage berechnet, wurde von Alpiq entwickelt.Bei den Kläranlagen steht für die Lastver-schiebung der Einsatz von Wärme-Kraft-Kopplungs-Anlagen (WKK-Anlagen) an ers-ter Stelle, die das durch Faulung von Klär-schlamm und z. T. zusätzlichem organi-schem Material (so genanntes Co-Substrat) generierte Faulgas verwerten. Der Gasome-ter übernimmt hier die gleiche Rolle als Speicher des Gases wie die Reservoire bei den Wasserversorgungen für das Wasser. Bei den Kläranlagen können zwei Ausgangsla-gen unterschieden werden: ❙ Direkte Verwertung von Faulgas in den WKK-Anlagen (WKK-Anlage in der Re-gel im Volllastbetrieb)

❙ Aufbereitung des Faulgases zu Biomethan und Einspeisung ins Gasnetz (WKK-An-lagen werden nur noch betrieben, wenn sich wegen Regenereignissen Stromlast-spitzen abzeichnen).

Im ersten Fall können mehrere WKK-Anla-gen, die zu einem so genannten Regelpool zusammengefasst werden (weil die Leistun-

gen einzelner Anlagen in der Regel nicht di-rekt vermarktet werden können), die Leis-tung reduzieren, um negative Sekundärregel-leistung bereitzustellen.Im zweiten Fall können die WKK-Anlagen beibehalten und für die Brechung von Last-spitzen während signifikanten Regenereig-nissen eingesetzt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass die Lastspitzen mit ausreichen-dem Vorlauf prognostiziert werden können, so dass genügend Zeit bleibt, um die WKK-Anlagen rechtzeitig hochzufahren. Im Rah-men des Leuchtturmprojekts konnte durch

Alpiq ein solches Prognosetool entwickelt werden.Im Zusammenhang mit der Umsetzung von Lastverschiebungen in Infrastrukturanlagen ist auch dem Thema Sicherheit Rechnung zu tragen. Die sichere Trinkwasserversorgung und zuverlässige Abwasserreinigung haben in jedem Fall Vorrang. Deshalb liegt der Ent-scheid, ob die Anlagen (Pumpen und WKK-Anlagen) für die Lastverschiebung zur Verfü-gung stehen, schlussendlich immer bei den Betreibern. Entsprechend wird der Einsatz der Anlagen auch nur durch das Steuerungs- und Leitsystem der Betreiber gesteuert. Sichere Datenübertragung oder lokal installierte Tools tragen dem Sicherheitsbedürfnis Rechnung.Seit der Veröffentlichung des genannten Fachartikels vor anderthalb Jahren sind die Arbeiten für die Umsetzung von Lastver-schiebungen vor allem auf Seite der Kläran-lagen weiter vorangetrieben worden. Die wichtigsten konkreten Resultate sind nach-folgend zusammengestellt.

Präqualifikation Sekundärregelleistung

Mit 5 Wärme-Kraft-Kopplungs-Anlagen auf den 4 Kläranlagen Morgental, Fällanden, Al-tenrhein und Worblental konnte im Novem-ber 2016 im ersten Anlauf die Präqualifika-tion für Sekundärregelleistung der schweize-rischen Übertragungsnetzbetreiberin Swiss-grid im Alpiq SDL-Pool bestanden werden. Die Anforderungen an die Regelgeschwin-digkeit und -qualität sind in der Schweiz deutlich höher als in Deutschland. Seit Som-mer 2017 vermarkten die 4 Kläranlagen ihre Regelleistung erfolgreich über den Poolbe-treiber Alpiq. Weitere WKK-Anlagen kön-nen nun in den Regelpool integriert werden.

Lastspitzenmanagement und Nachweis Tertiärregelleistung

Auf der Kläranlage Werdhölzli in Zürich wird das Faulgas seit 2014 zu Biomethan aufbereitet und ins Erdgasnetz eingespeist.

2,0

MW

1,8

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

1,0

P

14:50:16 15:27:45 16:05:15

Zeit

GrenzenLieferungSignal Swissgrid

Bild 3 Resultat der Präqualifika-tion mit den WKK-Anlagen

Quelle: Alpiq AG

Bild 4 Simulation des Lastgangs der Kläranlage Werdhölzli, Lastprognose und effektive Mes-sung in MW, Niederschläge in mm Quelle: Alpiq AG

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Von den ursprünglich 4 WKK-Anlagen können 2 mit einer Gesamtleistung von rund 1,8 MW nun seit Oktober 2016 für das Lastspitzenmanagement eingesetzt werden. Ermöglicht wird dies durch eine von Alpiq als Cloud-Service betriebene, vollautoma-tische Spitzenlastregelung, die für den Kläranlagenbetrieb relevante Regenereig-nisse und deren Auswirkung auf den Leis-tungsbedarf der Anlage in Echtzeit prog-nostiziert und dem Prozessleitsystem der Kläranlage einen kostenoptimalen WKK-Einsatz mit hinreichendem Vorlauf über-mittelt. So können die WKK-Anlagen rechtzeitig hochgefahren und kostenrele-vante Leistungsspitzen vermieden werden. Zudem wurde auf dem Klärwerk Werd-hölzli der Nachweis für die Erbringung der Minutenreserve erbracht.

Stromkostenoptimierung und Tertiär-regelleistung Wasserversorgung

Das Tool zur Stromkostenoptimierung wird durch die Wasserverbund Region Bern AG (WVRB) seit April 2016 im Dauerbetrieb eingesetzt. Durch die Verlagerung des Pumpbetriebes auf Stunden mit geringem Strompreis konnten die Strombezugskosten um über 10 % gesenkt werden. Der Nach-weis für die Erbringung der Minutenreserve wurde im Frühling 2017 erbracht.

Abschluss Leuchtturmprojekt

Der Abschluss des InfraWatt-Leuchtturm-projekts erfolgte Ende 2017. Im Anschluss daran verbreitet der Verein InfraWatt die Er-gebnisse schweizweit in der Wasserversor-gungs- und Abwasserbranche und die Pro-jektpartner Ryser Ingenieure und Alpiq trei-ben die weitere Markterschließung voran, um weitere Anlagen in den Regelpool zu in-tegrieren.Die im Rahmen des Leuchtturmprojekts ent-wickelten technischen Lösungen sollen bei entsprechender Nachfrage auch außerhalb der Schweiz Anwendung finden.

LITERATUR/1/ Müller, E.A.; Kobel, B.; Hurni, A.; Frei, U.; Moser,

R.; Kernen, M., et al. (2013): Potenzial der Schweizer Infrastrukturanlagen zur Lastverschie-bung. InfraWatt mit Unterstützung vom Bundesamt für Energie, BFE

/2/ Moser, R.; Hurni, A.; Müller, E. A. (2013): Lastverschiebung. Aqua & Gas

/3/ Müller, E.A. (2014): Leuchtturmprojekt gestartet. Umweltperspektive

/4/ Kilchmann, A.; Kobel, B.; Marugg, R.; Loeffel, P.; Baumann, R.; Müller, E.A. et al. (2004): Energie in der Wasserversorgung, Ratgeber zur Energieko-sten- und Betriebsoptimierung. BFE und SVGW

/5/ Müller, E.A.; Kobel, B.; Schmid, F.; Levy, G.A.; Moser, R., et al. (2008/2010): Energie in ARA. Leitfaden zur Energieoptimierung auf Abwasser-reinigungsanlagen. VSA und BFE

/6/ Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) (2014): Ein Strommarkt für die Ener giewende. Diskussionspapier des Bundesminis-teriums für Wirtschaft und Energie (Grünbuch)

/7/ Reithofer, T.; Bühlmann, B.; Giuliani, T.; Osswald, R.; et al. (2013): Anbindung von Regelpools an den Schweizer DSL-Markt. Hrsg. VSE

/8/ Nabe, C.; Trinkner, U.; Bons, M. (2015): Zukünftige Energiemärkte und die Rolle der Netzbetreiber, Endbericht. Swiss Economics und Ecosys, im Auftrag des BFE

/9/ Müller, E. A.; Osswald, R.; Hurni, A.; Moser, R.; Boller, R.; Käser, M. (2015): Regelpooling mit Infrastrukturanlagen – Ein Leuchtturmprojekt von InfraWatt, Alpiq und Ryser Ingenieure. Aqua & Gas No. 12/2015

/10/ Pinnekamp, J., Hrsg. (2017): Gewässerschutz-Wasser-Abwasser 245, Lastverschiebung mit Infrastrukturanlagen, A. Hurni, Ryser Ingenieure AG. Tagungsband der 50. Essener Tagung

KONTAKTAndreas Hurni / Ernst A. MüllerRyser Ingenieure AG, Bern / InfraWatt, SchaffhausenKirchhofplatz 128200 Schaffhausen/Schweizwww.infrawatt.ch

Bild 5 Vergleich Vorschlag und effektiver Pumpbetrieb sowie Prognose und Messung der Reservoirvolumina Quelle: Alpiq AG