Energieketten optimieren Eis-Energiespeicher: Letztes Kettenglied vor der Netzeinspeisung

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Zur Umsetzung einer CO2-freien und effizienten Energienutzung arbeitet Phoenix Contact in seinem neuen Gebäude in Blomberg mit einem Eis-Energiespeicher. Wie dieser funktioniert, erläutert dieser Beitrag.

Sechs Meter tief in der Erde, 19 Meter im Durchmesser, ein Fassungsvolumen von 1.700 Kubikmetern Wasser und im Inneren 32 Kilometer verlegte Kunststoffrohre, die in direkter Verbindung mit vier Wärmepumpen stehen. Drei Millionen Euro lässt sich Phoenix Contact seinen Eis-Energiespeicher am neuen Gebäude 60 (G60) in Blomberg kosten. Realisiert hat das Projekt Viessmann, Anbieter von Wärmepumpen- und Eis-Energiespeicher aus Allendorf (Eder). Rund 35 Millionen Euro sind es insgesamt, die Phoenix Contact am Stammsitz in das Technologiezentrum investiert. Das 125 mal 88 Meter große Gebäude 60 schafft 18.485 Quadratmeter neue Fläche für 400 Arbeitsplätze. Hauptnutzer ist der unternehmenseigene Maschinenbau. Hinzu kommen die Geschäftseinheit für industrielle Schaltschranklösungen, Logistikfläche und eine Kantine.  

Erlebbare Blaupause für skalierbare Lösungen

Die Besonderheit an G60: Phoenix Contact zeigt auf weltweit einzigartige Weise die Vernetzung der Sektoren Energie, Mobilität, Infrastruktur und Gebäude. Hierbei entsteht eine erlebbare Blaupause für skalierbare Lösungen, mit der sich Quartiere im Sinne einer All Electric Society vernetzen lassen. Vor diesem Hintergrund zeigt das Gebäude 60 die heutigen Möglichkeiten für optimierte Energieketten von der Erzeugung über die Verteilung bis zur Speicherung und zum Verbrauch. Automatisierungstechnisch umgesetzt wird das Projekt weitgehend aus dem Produktportfolio von Phoenix Contact.

Berücksichtigung des Wärme- und Kältebedarfs

Den Kern des thermischen Netzwerks bildet ein Verbund aus dem Eis-Energiespeicher und Wärmepumpen. Diese Technik verfolgt nicht nur den Zweck, das Gebäude zu beheizen. Vielmehr geht es darum, den Bedarf an Wärme, Kälte und das Aufkommen von Abwärme aus den Prozessen so zu integrieren, dass ein Austausch von Enthalpien, also der Energie eines thermodynamischen Systems, möglich ist. Rainer Schmalenberg, im Vertrieb für Eis-Energiespeicher bei Viessmann tätig, sieht die Rolle des Speichers innerhalb einer thermischen und ebenfalls elektrischen Sektorenkopplung aus gutem Grund vielfältig. Der Projektleiter zieht als Argumentation die unterschiedlichen Möglichkeiten heran, regenerativ erzeugte Energie so effizient wie möglich nutz- und haltbar zu machen. Der Eis-Energiespeicher fungiert dabei als latenter Pufferspeicher. Die Wärmepumpen wiederum speichern Energie ein oder entnehmen sie, je nach Bedarf.

Industrielles Gleichstromnetz im Einsatz

Zur Verdeutlichung: Auf dem Dach von G60 befindet sich eine Photovoltaikanlage mit 1.100 kW/p Leistung. Hinzu kommt eine Freiflächenanlage mit noch einmal 1.500 kW/p. Die Intention von Phoenix Contact besteht vor allem darin, den generierten elektrischen Strom direkt in den Grundlastbedarf des Gebäudes fließen zu lassen. Damit die von den Solarmodulen erzeugte Gleichspannung mit maximalem Wirkungsgrad verwendbar ist, kommt ein industrielles Gleichstromnetz zum Einsatz, mit dem Ziel, Wandlungsverluste zu reduzieren. Doch wie sieht die Situation aus, wenn der Grundlastbedarf den generierten Solarstrom nicht in Gänze benötigt? „Der typische Fall sind sonnige Tage am Wochenende oder während der Sommerferien“, erklärt Matthias Unruhe, Projektleiter für Gebäude 60 bei Phoenix Contact.  

Mit diesem Szenario vor Augen lassen sich die Vorteile der energetischen Sektorenkopplung anschaulich erläutern. Ziel ist es, die regenerativ erzeugte Energie der Dach- und Freiflächenanlage so weit wie möglich selbst zu nutzen. Der Eigenverbrauch steht somit an oberster Stelle. Ist der bereits erwähnte Grundlastbedarf zu gering, kommen elektrische Energiespeicher zur Anwendung, als große Batterien. Hierbei kann es sich zum einen um stationäre Speicher handeln und zum anderen auch um die Speicher von Elektrofahrzeugen, die an den Ladesäulen des Gebäudes betankt werden. Sind alle Batteriespeicher gefüllt und ist weiterhin ungenutzte Energie vorhanden, bliebe die Einspeisung in das Versorgungsnetz. Die Vergütung liegt allerdings bei nur wenigen Cent, weshalb sich die Einspeisung aus wirtschaftlichen Erwägungen als unattraktiv erweist.

Integrale Lösungen mehr denn je gefragt sind, um nicht nutzbare Energie zu erhalten. 

Daniel Kloster

Externe Speichererweiterung mit niedrigen Betriebskosten

Mit dem Eis-Energiespeicher steht nun ein Reservoir zur Verfügung, das ebenfalls in der Lage ist, Strom zu puffern, nicht direkt, aber über den Umweg von Wärmepumpen. Sie setzen im Sommer zum Beispiel Kälte ein, damit der Speicher für die Gebäudekühlung verwendbar ist. „Im Winter können sie Wärme in den Speicher zurückführen, um ihn für den eigentlichen Heizbetrieb zu regenerieren“, erklärt Matthias Unruhe. Auf diese Weise gibt es eine Verbindung zwischen elektrischer und thermischer Energie. Für Daniel Kloster, Spezialist für intelligente Gebäude- und Quartiersautomation, gehören daher die elektrische und die thermische Sektorenkopplung untrennbar zusammen.

In der praktischen Umsetzung überwachen die vier Viessmann-Wärmepumpen vom Typ Vitocal 300-G Pro in der Technikzentrale von G60, ob sie mit dem verfügbaren regenerativen Strom zunächst den thermischen Bedarf des dreistöckigen Gebäudes decken können. Sind sämtliche Verbraucher versorgt und der Batteriespeicher voll, speisen die Wärmepumpen den Eis-Energiespeicher. „Der außerhalb des Gebäudes liegende Puffer ist das letzte Glied in der Kette vor der Netzeinspeisung“, sagt Rainer Schmalenberg. Gesteuert wird der Prozess mit etablierter Regelungstechnik sowie allgemein erhältlicher Sensorik. „Bei allen eingesetzten Produkten handelt es sich um Großserien, was die Sektorenkopplung einfach realisierbar macht“, betont Daniel Kloster und weist darauf hin, dass „integrale Lösungen mehr denn je gefragt sind, um nicht nutzbare Energie zu erhalten“. Den Eis-Energiespeicher betrachtet Kloster als externe Speichererweiterung mit niedrigen Betriebskosten.

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Integration von Vorhersagedaten

Rund wird das gesamte Projekt, wenn in der Automatisierungsebene des Gebäudes über die Fertigung bis zur kompletten Liegenschaft außerdem Vorhersagen einfließen. Hierbei geht es um Daten aus der Produktionsplanung und dem Lastmanagement genauso wie um Wetterprognosen oder Preiserwartungen auf dem Energiemarkt. In einer Zeit, in der in Deutschland mit der Abkehr von Kohle- und Atomkraftwerken große Grundlasterzeuger wegfallen, „müssen wir mit Speichern arbeiten“, sagt Daniel Kloster.  

Ob eine Batterie im Container oder der Eis-Energiespeicher im Erdreich: Beide leisten ihren Beitrag, damit auf Angebot und Nachfrage wirtschaftlich reagiert werden kann. Darüber hinaus haben die Speicher den Charme, dass sie Lasten abpuffern, was am Ende des Tages die Stromnetze stabilisiert. Diese Antworten auf sich verändernde Rahmenbedingungen seien für ihn nur eine Frage der Steuerung, die aufgrund der verknüpften Daten die richtigen Entscheidungen trifft, ob etwa Energie zugekauft wird, Speicher vorsorglich gefüllt oder leer gefahren werden oder möglicherweise auch Energie verkauft wird. „Es handelt sich darum, sich frühzeitig vorbereiten zu können. Dafür brauche ich Prognosen und eine zielführende Auswertung“, schließt Daniel Kloster.  Das Einsatzbeispiel zeigt, dass Eis-Energiespeicher in Verbindung mit Wärmepumpen deutlich mehr können, als lediglich den Wärme- und Kältebedarf eines Gebäudes zu decken. Die Speichererweiterungen sind vielmehr ein wichtiges Element für eine umfassende Sektorenkopplung – thermisch wie elektrisch.