Ein Schwarm stromproduzierender «Heizungen» für die Energiewende

Eine zentrale Herausforderung der Energiewende ist es, die schwankende Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen auszugleichen. Eine Machbarkeitsstudie zeigt nun für drei Schweizer Kantone auf, wie ein Verbund von Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen kurzfristige Engpässe überbrücken und Gebäude mit Strom und Wärme versorgen kann.

Wärme-Kraft-Kopplung liefert Strom und Wärme.  
Mit Biogas betriebene Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) können fluktuierenden Solarstrom kompensieren und Gebäude beheizen. (Bild: Fotolia / Eisenhans)

Die Schweiz will ihren Elektrizitätsbedarf künftig vermehrt mit Sonnenenergie decken. Weil Solarstrom aber fluktuiert, also nur fliesst, wenn die Sonne scheint, benötigen Netzbetreiber im Energiesystem der Zukunft auf Abruf verfügbare Produktionsleistung, um kurzfristig auftretende Versorgungslücken zu schliessen. Dafür wurden bislang vor allem neue Gaskombikraftwerke und verschiedene Formen der Energiespeicherung diskutiert. Wir – ein interdisziplinäres Team der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts PSI – schlagen nun einen nachhaltigen Systemansatz für die Schweiz vor: Künftig könnte man eine akute Unterversorgung im Stromnetz mit einem Verbund biogen befeuerter Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) kompensieren. Im Projekt «CHPswarm» untersuchten wir die technische Machbarkeit sowie die Wirtschaftlichkeit eines solchen WKK-Schwarms für drei Schweizer Kantone – mit vielversprechendem Ergebnis. [1]

Strom erzeugen und gleichzeitig heizen

Unter einer WKK-Anlage versteht man vereinfacht kleinere oder grössere «Kraftwerke», die aus einem Konverter sowie einem Generator bestehen und mit Gas befeuert gleichzeitig Wärme und Strom produzieren. Mit der Wärme lassen sich Gebäude oder industrielle Prozesse beheizen. Im Gegensatz zur klassischen Elektrizitätsproduktion mittels thermischer Kraftwerke, welche die Abwärme an die Umwelt abgeben, wird bei WKK also praktisch 100 Prozent des Brennstoffs sinnvoll genutzt. Insbesondere kolbenmotorische WKK-Anlagen lassen sich flexibel innert Minuten zu- und abschalten und decken mit wenigen Kilowatt bis zu mehreren 100 Megawatt ein breites Leistungsspektrum ab, was sie geeignet macht, um das Stromnetz zu stabilisieren. Als Installationsorte, das heisst primär als Wärmeabnehmer, kommen vom Einfamilienhaus bis hin zur Grossindustrieanlage alle Standorte mit einem Gasanschluss in Frage.

WKK als Technologie ist an sich nicht neu und wurde auch schon unter diversen Gesichtspunkten untersucht – allerdings meist nur für Einzelanlagen und Kleinstverbünde. Das Besondere an «CHPswarm» ist unser systemischer Ansatz mit Fokus auf den Verbund: An Stelle einer Grossanlage kann eine Energiefirma die erforderliche Produktionsleistung auf einen Schwarm kleinerer Maschinen verteilen. Das schafft Skalierbarkeit, indem sich der Verbund flexibel erweitern oder verkleinern lässt. Zudem speisen die dezentralen WKK-Anlagen den produzierten Strom wie die fluktuierende Photovoltaik auf der unteren Netzebene ein, dem Gebäudeanschluss.

Potential für drei Schweizer Regionen analysiert

Wir prüften das Potenzial und die Praxistauglichkeit von WKK-Schwärmen anhand der Kantone Luzern, Thurgau und Basel-Stadt. Dazu schätzten wir die absetzbare Wärme für jedes ans Gasnetz anschliessbare Gebäude einzeln ab und legten geeignete WKK-Anlagen aus. Aus allen möglichen Installationsorten stellten wir dann einen Schwarm zusammen, der die verfügbare Gasmenge mit maximalen Profiten umsetzt. Im Sinne eines nachhaltigen Betriebs sollte dafür Biogas verwendet werden; entsprechend darf die jährlich bezogene Gasmenge die im Kanton maximal produzierbare Biogasmenge nicht überschreiten. Letztere bezifferten wir anhand einer räumlichen Inventur der Gülle-, Holz- und Bioabfallvorkommen.

Die Rechnung geht auf

Unsere Fallstudien zeigen, dass sich mit den Biogaspotentialen der Kantone Luzern und Thurgau jeweils 15 bis 20 Prozent der existierenden Heizenergie (nur Wärme produzierende Gasbrenner) durch WKKs ersetzen liessen. Der damit zusätzlich produzierte Strom entspricht 10 bis 16 Prozent des kantonalen Elektrizitätsbedarfs. Im städtischen Umfeld von Basel-Stadt fiel das Potential von WKK-Schwärmen aufgrund der wenigen land- und forstwirtschaftlichen Biomasselieferanten gering aus. Es könnte aber in der Praxis durch «Biogas-Importe» erhöht werden. 

Insgesamt zeigt die Potenzialanalyse für die drei Kantone, dass biogene WKK-Anlagen etwa ähnlich viel Strom produzieren könnten wie die Photovoltaik im Jahr 2050 gemäss Erwartungen des Bundesamt für Energie BFE – hochgerechnet auf die gesamte Schweiz entspräche das 10 Prozent des gesamten Elektrizitätsbedarfs. Mengenmässig könnten WKK-Schwärme die Photovoltaik also durchaus kompensieren; sie reichen aber alleine bei weitem nicht aus, um die gesamte Strom-Nachfrage zu decken. 

Saisonaler Energiespeicher

Aufgrund des gesteigerten Wärmebedarfs produzieren WKK-Anlagen im Winter mehr Elektrizität als im Sommer. Eine Grobabschätzung eines Gasnetzbetreibers ergab, dass die Leitungssysteme über Druckanpassungen im Sommer produziertes Biogas durchaus bis zum Winter speichern könnten – das Gasnetz könnte somit als saisonaler Energiespeicher dienen.

WKK-Schwarm und Photovoltaik im Jahresverlauf.
Die Grafik zeigt die additiven Leistungen der Photovoltaik (PV) und des WKK- Schwarms für den Kanton Luzern im Jahresverlauf. Der WKK-Schwarm verhält sich saisonal komplementär zur Photovoltaik, da er seine Produktion nach dem Wärmebedarf der Gebäude richtet, der im Sommer tief und im Winter hoch ist. Die PV-Produktion ist vor allem im Sommer hoch. (Grafik: ETH Zürich / Philipp Vögelin)

Schliesslich analysierten wir die Wettbewerbsfähigkeit unserer Idee und identifizierten Gaskombikraftwerke als primäre Konkurrenten im Strommarkt. Im Wärmemarkt beobachteten wir eine ähnliche Situation mit Gasheizungen. Allgemein begünstigten hohe Gaspreise und restriktive umweltpolitische Randbedingungen den Einsatz von WKK. Zudem stellte sich heraus, dass WKK-Schwärme ein synergetisches Verhältnis mit Wärmepumpen eingehen können, da diese bei einer Überversorgung Elektrizität aus dem System ziehen und somit das komplementäre Gegenstück zu WKKs bilden. 

Wir sind daher der Meinung, dass Schwärme dezentraler und biogen befeuerter WKK-Anlagen eine interessante Option für die Schweiz darstellen, wenn es künftig darum geht, kurzfristige und bis zu einem gewissen Grad auch saisonale Schwankungen der Photovoltaikproduktion auszugleichen.

Weiterführende Information

[1] Studie CHPswarm: Philipp Vögelin, René Buffat, Giovanni Beccuti, Evangelos Panos, Gil Georges, «System modelling for assessing the potential of decentralised biomass-CHP plants to stabilise the Swiss electricity network with increased fluctuating renewable generation – Final report”, BFE, Volltext

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Gil Georges

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27.05.2017
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