photovoltaik Ausgabe: 01-2017

Ein echter Balanceakt

Energiemanagement — Im Osten Wiens entsteht ein neuer Stadtteil. Für die Entwickler von Versorgungskonzepten ist er ein riesiges Labor, um neue Lösungen für Gebäude und Quartiere zu finden und zu testen. Sven Ullrich

Inhaltsübersicht

  1. Ein echter Balanceakt
  2. ASCR

So weit raus kommt normalerweise kaum ein Besucher der österreichischen Bundeshauptstadt. Doch wer es auf sich nimmt und die U-Bahn-Linie 2 bis ganz zum Ende fährt, landet in einem der größten Stadtentwicklungsgebiete Europas: in der Seestadt Aspern. Bis zum Jahr 2028 sollen auf dem 280 Hektar großen Areal ungefähr 10.500 Wohnungen für 20.000 Menschen gebaut werden. Dazu kommen noch 15.000 Büroarbeitsplätze sowie 5.000 Arbeitsplätze in Gewerbe, Wissenschaft, Forschung und Bildung.

Das Entwicklungsgebiet soll nicht zu einer Schlafstadt verkommen. Vielmehr soll hier ein neuer und vor allem lebendiger Stadtteil entstehen, eine Stadt des 21. Jahrhunderts, in der Urban Gardening ebenso einen Platz findet wie Nachbarschafts- und Kulturprojekte.

Gebäude mit Energiemarkt verknüpfen

Wien braucht den Wohnraum genauso dringend wie die Arbeitsplätze. „Wien wächst im Schnitt um 20.000 Personen pro Jahr“, rechnet Bernd Richter von Wien Energie vor. Er ist Prokurist und Infrastrukturverantwortlicher bei Aspern Smart City Research (ASCR). Das Forschungsinstitut begleitet den Aufbau des Energiekonzepts der Quartiere wissenschaftlich und technisch.

Der Kern ist die Erstellung einer urbanen Versorgung mit erneuerbaren Energien. „Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Energieoptimierung im Gebäude aus Sicht des Gebäudebetreibers“, erklärt Richter.

Das heißt nicht nur, dass die Erzeugungsanlagen auf den Verbrauch im Gebäude abgestimmt werden, sondern dass die Gebäude eine Schnittstelle zum Energiemarkt bekommen. „Denn es gibt potenzielle Flexibilitäten auf Gebäudeebene, die genutzt werden können, um ein virtuelles Kraftwerk zu erstellen, in dem viele Gebäude diese Flexibilitäten zusammen gestalten“, bringt Bernd Richter das Ziel auf den Punkt.

Energieinfrastruktur für drei Häuser

Die Forscher und Entwickler von ASCR haben drei Gebäudekomplexe mit einem speziellen Energiekonzept versehen und für jeden dieser Komplexe eine eigene Energieinfrastruktur aufgebaut. So haben sie auf dem Dach eines neu gebauten Studentenwohnheims eine große Photovoltaikanlage montieren lassen. Diese leistet 221 Kilowatt und versorgt das Gebäude mit seinen 300 Bewohnern.

Um die Energieerzeugung auf den Verbrauch abzustimmen, wurde außerdem noch ein Speicher mit einer nutzbaren Kapazität von 120 Kilowattstunden installiert. Dazu kommt noch ein Heizkonzept, das grundsätzlich auf der Nutzung von Fernwärme beruht. Da das Gebäude im Passivhausstandard errichtet wurde, ist der Wärmebedarf ohnehin niedrig.

Sieben verschiedene Wärmepumpen

Um möglichst viel Solarstrom im Gebäude zu verbrauchen, ergänzen zwei Elektroheizstäbe die Wärmeversorgung. Sie gleichen die Zirkulationswärmeverluste aus, die bei der Nutzung der Fernwärme im Gebäude entstehen. Jeder der beiden Heizstäbe hat eine Leistungsaufnahme von acht Kilowatt.

Damit ist es möglich, auch Solarstrom zu nutzen, wenn der Speicher voll ist und im Gebäude kein sonstiger Strombedarf besteht, der mit den Photovoltaikanlagen auf dem Dach gedeckt werden könnte, diese aber immer noch produzieren, weil die Sonne weiterhin scheint.

Die Wiener Forscher setzten bei ihren Konzepten sehr stark auf die Nutzung überschüssigen Stroms zur Wärmeversorgung. „Denn nur die Kombination von Elektrospeichern und Wärmespeichern bringt die Erneuerbaren ins Gesamtsystem“, begründet Bernd Richter den Ansatz.

Diesen verfolgen die Wiener auch im zweiten Gebäudekomplex, den sie mit ihrem Energiekonzept ausgestattet haben. Es ist eine Anlage mit 213 Mietwohnungen, die über keinen Fernwärmeanschluss verfügt. Die gesamte Wärmebereitstellung erfolgt durch dezentrale Erzeuger. Herzstück ist dabei eine Kombination aus sieben verschiedenen Wärmepumpen, die insgesamt eine thermische Leistung von 800 Kilowatt haben.

Dazu gehören vier Grundwasserwärmepumpen, die das Grundwasser als Wärmequelle nutzen. Zudem gibt es noch zwei Solewärmepumpen, die einen Erdspeicher als Wärmequelle nutzen. Er kann 40.000 Kilowattstunden Wärme bunkern.

In der Tiefgarage der Wohnanlage ist außerdem noch eine Luftwärmepumpe installiert. „Sie macht sich die Abwärme der Fahrzeuge und Personen als Quelle zunutze sowie einen Teil des Erdspeichers, welcher unmittelbar in die Garage ausstrahlt, um Wärme zu erzeugen“, begründet Richter den Aufstellort.

Doppelpack für Strom und Wärme

Der Warmwasserbereich mit den hohen Temperaturen ist mit dem Niedertemperaturkreislauf zur Wohnraumheizung verknüpft. Dadurch können sämtliche Wärmepumpen sowohl in den jeweiligen Ring einspeisen als auch die sechs Warmwasserspeicher mit einem Volumen von jeweils 2.000 Litern für Hochtemperatur und Niedertemperatur befüllen.

Der Erdspeicher wird von einer Anlage mit Hybridkollektoren auf dem Dach gespeist. Die kombinierten Paneele aus Solarzellen mit einem darunter liegenden thermischen Absorber liefern sowohl Strom als auch Wärme. Die Solarzellen haben eine elektrische Leistung von insgesamt 16,2 Kilowatt. Unter ihnen liegt in jedem Kollektor noch ein Absorber, der sowohl die Solarzellen kühlt als auch gleichzeitig deren Abwärme sowie die Wärmestrahlung der Sonne mit einer thermischen Leistung von 60 Kilowatt in den Speicher einspeist. Zusätzlich dazu ist noch eine große solarthermische Anlage installiert, die ihre Wärme mit einer Leistung von 90 Kilowatt entweder direkt in die Ringleitung einspeist oder die Wasserspeicher befüllt.

Ergänzt wird dieser Teil der Gebäudetechnik durch einen kleinen Stromspeicher, der überschüssigen Solarstrom aus den Hybridkollektoren sowie einer reinen Photovoltaikanlage auf dem Dach zwischenspeichern kann. Mit dem Strom werden hauptsächlich die Wärmepumpen und zwei zusätzliche Elektroheizstäbe mit einer Leistung von vier Kilowatt betrieben.

Solaranlage treibt Wärmepumpen

Ein drittes Gebäude ist ein Komplex, in dem eine Volksschule und ein Kindergarten untergebracht sind. Auch dieses hat – wie die Wohnanlage – keinen Fernwärmeanschluss, sodass die gesamte Wärme durch die Kombination aus dezentralen Erzeugungsanlagen bereitgestellt wird. Sie besteht aus zwei Wärmepumpen mit einer Leistung von insgesamt 510 Kilowatt und einer solarthermischen Anlage auf dem Dach. Die Solaranlage beliefert mit einer thermischen Leistung von 90 Kilowatt zusammen mit den Wärmepumpen und zwei Heizpatronen, die jeweils 35 Kilowatt leisten, verschiedene Warmwasserspeicher. Den Strom für die Wärmepumpen und die Heizpatronen liefert wiederum teilweise eine Photovoltaikanlage auf dem Dach.

Zehn Erzeuger koordinieren

Die Herausforderung ist dabei, diesen immensen Mix an vielen verschiedenen Gebäudetechnikkomponenten so zu steuern, dass möglichst wenig selbst produzierter Solarstrom ins Netz abfließt und auch eine möglichst geringe Strommenge aus dem Netz entnommen werden muss. Das bedeutet einen riesigen Aufwand für die Steuerung der gesamten Anlagentechnik.

Immerhin müssen in der Wohnanlage nicht weniger als zehn verschiedene Erzeuger, bestehend aus sechs unterschiedlichen Technologien, und drei verschiedene Speicher in einer Kombination mit 213 Verbrauchern ausgeregelt werden. Das ist nicht trivial. Um die gesamte Gebäudetechnik möglichst effizient auf den Energieverbrauch im Gebäude abzustimmen, wurde sie mit einer intelligenten Steuerung versehen.

Die Entwicklung einer solchen Informations- und Kommunikationstechnologie zur Steuerung der extrem komplex aufgebauten Gebäudetechnik ist ein zweiter Forschungsschwerpunkt der Ingenieure von ASCR. „Die Herausforderung ist dabei, die gesamten Daten in Übereinstimmung zu bringen und die Anlagen entsprechend der Erzeugung und dem Verbrauch zu steuern“, erklärt Bernd Richter. „Deshalb haben wir viele Sensoren verbaut, die die Daten liefern, die wir danach analysieren und auswerten.“

Daten ausgewertet

Der dritte Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines intelligenten Netzes. „Das ist gerade auf der Niederspannungsebene relevant, weil die meisten fluktuierenden Erzeuger an dieses Netz angeschlossen sind“, sagt Bernd Richter. Das wird zu einer immer größeren Herausforderung für die Netzbetreiber, die ihre Netze trotz der steigenden Anzahl kleiner, volatiler Erzeuger stabil halten müssen.

Die ersten Datenauswertungen aus der Gebäudesteuerung liegen bereits vor. Bernd Richter macht sie anhand des Batteriespeichers deutlich, der im Studentenwohnheim installiert ist und dort zusammen mit der Photovoltaikanlage und zwei Heizpatronen kommunizieren muss. Der Lithium-Eisenphosphat-Speicher stammt von BYD. Die Wiener haben ihn vom Speicheranbieter Fenecon gekauft, der für den chinesischen Hersteller den Vertrieb übernommen hat.

Vier Batterieschränke im Keller

Die Installateure von Eqos haben den Speicher in einen extra dafür vorbereiteten Versorgungsraum im Keller des Gebäudes gebaut. Er ist besser ausgestattet, als es die Vorgaben für den Aufstellort eines Lithium-Ionen-Speichers fordern, inklusive einer Doppelschleuse als Zugang sowie einer Entlüftungsanlage. Das liegt daran, dass der Gebäudeeigentümer ursprünglich geplant hatte, einen Bleispeicher im Keller aufzustellen.

Jetzt stehen dort die vier Batterieschränke mit einer Speicherkapazität von nominal 171 Kilowattstunden. Der Batteriewechselrichter kann den gespeicherten Strom mit einer Leistung von 150 Kilowatt ins Hausnetz einspeisen, um die Elektroheizstäbe und die Verbraucher im Gebäude zu versorgen.

Beginnt die Photovoltaikanlage auf dem Dach, früh Solarstrom zu produzieren, wird dieser zunächst über Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Er fließt dann in einen Verteiler, der im Batterieraum steht. Von dort füllt er erst einmal die Batterie, die sich über Nacht geleert hat. Ist sie voll, versorgt die Anlage die Verbraucher im Gebäude über einen Hauptspannungsverteiler. Deshalb ist eine gleichstromseitige Einbindung des Speichers nicht vorteilhaft, denn dann müsste der gesamte Solarstrom über den Batteriewechselrichter fließen. „Wir unterscheiden dabei zwischen flexiblen und fixen Verbrauchern“, beschreibt Richter die Hierarchie.

Die flexiblen Verbraucher werden dann zugeschaltet, wenn zu viel Solarstrom vorhanden ist. Produziert die Solaranlage keinen Strom und ist die Batterie leer, werden diese Verbraucher wiederum abgeschaltet. Die fixen Verbraucher sind diejenigen, die nicht in dieses sogenannte Demand-Side-Management einbezogen werden können. So laufen die elektrischen Geräte in den Zimmern der Studenten auch weiter, wenn der Solarstrom fehlt.

Das Gehirn im Gebäude

Dann beziehen sie den Strom über das Verteilnetz von Wiener Netze, dessen Anschluss über den Stromwandler ebenfalls mit dem Hauptspannungsverteiler verbunden ist. Dorthin fließt auch der Solarstrom, wenn die Batterie voll ist und die Heizstäbe und die gesamten elektrischen Verbraucher im Gebäude zu wenig Strom nutzen können.

Das Gehirn ist ein Gebäudeleittechniksystem von Siemens, neben Wiener Netze und dem Versorger Wien Energie einer der Beteiligten an ASCR. „Dort ist die Logik integriert, wie das Gesamtsystem gefahren wird“, erklärt Bernd Richter. „Wir haben auch das Batteriemanagementsystem entmündigt und die Steuerung der Batterie auf die Ebene der Regelleittechnik gehoben. Darüber kommunizieren die unterschiedlichen Erzeugungsanlagen und Verbraucher miteinander. Wir versuchen dabei, den Energieverbrauch zu optimieren.“

Speicher muss schnell umschalten

Das ist schon ganz gut gelungen. Denn mit dem Gebäudeleitsystem und der Optimierung der Energieflüsse haben die Wiener Forscher den Eigenverbrauchsanteil mit der Batterie von 36 auf 55 Prozent gehoben. Doch das ist längst nicht das Optimum. Denn zum einen ist es kein optimaler Betrieb, die Batterie voll zu laden und dann erst die Verbraucher zuzuschalten. Zum anderen ist es schwierig, die gesamte Gebäudetechnik so auszuregeln, dass so wenig wie möglich Strom ins Netz fließt – trotz der Tatsache, dass der Speicher innerhalb von 100 Millisekunden zwischen Laden und Entladen umschalten kann.

Die Experten von ASCR haben schon einige Fortschritte mit dem bestehenden Gebäudeleitsystem gemacht. „Wir hatten am Anfang enorme Sprünge in der Kurve zwischen Einspeisung und Netzbezug drin“, erinnert sich Bernd Richter. „Wir haben viel Arbeit reingesteckt, um überhaupt in die Nähe eines ausgeglichenen Verlaufs zwischen Erzeugung und Verbrauch zu kommen. Das beschäftigt uns immer noch. Aber es ist schon viel besser geworden.“

Energiemanagement fürs Quartier

Vor Kurzem wurde außerdem ein neues optimiertes Leitsystem installiert. „In die neue Regelung sind noch mehr Algorithmen und auch eine Wettervorhersage integriert“, sagt Richter. „Wir arbeiten jetzt viel mehr mit Prognosedaten und werden so das System anders betreiben.“ Das soll die Energieerzeugung und den Energieverbrauch im Gebäude noch besser aufeinander abstimmen. Damit wollen die Wiener Forscher den Eigenverbrauch weiter nach oben treiben.

Ist diese Aufgabe erledigt, kommt schon die nächste Herausforderung. Denn die Idee hinter der gesamten Forschung ist, das Energiemanagement vom Einzelgebäude auf die Ebene eines ganzen Quartiers zu heben. Hier soll das System nicht nur die Versorgung vor Ort übernehmen, sondern auch Asymmetrien zwischen den einzelnen Phasen an den Netzanschlusspunkten ausgleichen.

Tertiärregelmarkt im Blick

Zudem wird noch die schon vorhandene Schnittstelle zur Energiewirtschaft – das Decentralized Energy Management System (DEMS) – aktiviert. Mit diesem bietet das Gebäude über den Pool von Wien Energie Tertiärregelenergie an.

Um diese Aufgaben zu meistern, wird noch ein weiteres, dann netzdienliches Speichersystem installiert. Dieses arbeitet mit Wechselrichtern von Refu. „Der Hersteller entwickelt für unsere Ansprüche die Funktionalität für den Ausgleich von Asymmetrien im Vier-Quadranten-Betrieb“, begründet Richter die Wahl.

Am Ende wollen die Forscher mit ihren Lösungen die urbane Energieerzeugung und den Energieverbrauch optimieren. Das Ziel ist es, den Ausstoß von Treibhausgasen auf ein Minimum zu reduzieren. Die Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt werden auch auf komplette Städte anwendbar sein. Zudem wollen die Wissenschaftler auf der Basis der Erfahrungen der Bereitstellung von Regelenergie Vorschläge für ein entsprechendes Marktdesign erarbeiten. Denn bisher fehlen solche einheitlichen Regelungen zur Vermarktung von Systemdienstleistungen und zum Zugriff auf Flexibilitäten auf der Verteilnetzebene völlig. Die Forscher von ASCR wollen ihren Beitrag dazu leisten, dass sich dies bald ändert.

www.aspern.seestadt.at

Literatur

Fussnoten

Foto: ASCR

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