Strom und Wärme – auch ohne Sonne

Im Projekt „PowerLand 4.2“ entwickelten die Universität Hohenheim, die Hochschule Reutlingen und die Firma Novatech die Steuerung für eine vollständig automatisierte Biogasanlage, die Erneuerbaren Strom und Wärme bedarfsgerecht insbesondere in den Produktionslücken von Sonne und Wind liefert. Die Steuerung wurde erfolgreich in einem Reallabor getestet. Dank Energiebedarfsprognosen und einer angepassten, flexiblen Fütterung können Biogasanlagenbetreiber mit diesem Ansatz Investitionen in größere Gasspeicher einsparen.

Mit Strom aus flexibilisierten Biogasanlagen lassen sich Lücken zwischen der wetterabhängigen Stromerzeugung aus Wind und Sonne und dem tatsächlichen Bedarf (auch als Residuallast bezeichnet) gezielt schließen. Der Biogasbetreiber orientiert sich dabei üblicherweise an den Preisen der Strombörse. Im Projekt „PowerLand 4.2“ wollten die Forscher einen Schritt weiter gehen und mit einer Biogasanlage den Bedarf einer konkreten Ansiedlung im Zusammenspiel mit Sonnenenergie decken. Dabei sollte dieser Ausgleich möglichst vollständig für Strom und Wärme und außerdem automatisiert erfolgen.

Sinnvolle Fahrpläne nicht nur durch Börsenstrompreis

Dafür reichen Börsenstrompreise als Signale nicht aus. Stattdessen braucht es eine intelligente Steuerung für das Blockheizkraftwerk (BHKW) der Biogasanlage. Diese muss Informationen über den lokalen Strom- und Wärmebedarf, Füllstände der Biogas- und Wärmespeicher und die Erzeugung aller sonstigen Erneuerbaren-Anlagen vor Ort für die nächsten Tage kennen, verarbeiten und daraus sinnvolle Fahrpläne für das BHKW und vorausschauende Fütterungspläne für die Fermenter ableiten. In Süddeutschland sind bei den sonstigen Erneuerbaren-Anlagen vor allem Photovoltaik (PV)-Anlagen relevant, Windenergie spielt nur eine geringe Rolle.

Eine der Zielgrößen im Projekt war eine netzdienliche, stromoptimierte Fahrweise, bei der die Aufgabe der Wärmebereitstellung als „Leitplanke“ fungierte. Das bedeutet, dass das BHKW zwingend einschalten musste, sobald ein Wärmebedarf vorlag und der Wärmespeicher leer war, auch wenn gerade keine Residuallast benötigt wurde. In allen anderen Fällen aber sollte das BHKW die „Stromlücke“ schließen. Außerdem galt es, die Biogasanlage so „smart“ zu füttern, dass mit dem trägen Biogasprozess zur richtigen Zeit die richtige Menge Gas für die BHKW-Fahrpläne bereitstand.

Im Ergebnis steht nun ein praxistaugliches Vorhersagemodell der Biogasproduktion bei gegebener Fütterung zur Verfügung sowie eine darauf basierende Methode, um zum Gasbedarf passende Fütterungspläne zu entwerfen. In einem mehrwöchigen, realen Testlauf an der Forschungsstation Unterer Lindenhof der Uni Hohenheim stellte das System schließlich seine Praxistauglichkeit unter Beweis. Die Station verfügt über eine Biogasanlage, ein Wärmenetz und einen Energieverbrauch, der etwa dem eines 130-Einwohner-Dorfes entspricht. Eigens für den Testlauf wurde zusätzlich eine PV-Anlage installiert, deren Produktion in die Vorhersagemodelle mit einfloss. Es zeigte sich, dass die Prognosedaten nahe an der Realität lagen und das BHKW die entsprechenden Fahrpläne gut umsetzte.

Insgesamt lag die Abweichung zwischen berechnetem und tatsächlichem Strombedarf bei 4,4 %, beim Wärmebedarf zwischen 7 und 9 %. Es stellte sich zudem heraus, dass das BHKW die Netze entlastete, ohne dabei seine Aufgabe als Wärmelieferant zu vernachlässigen: Es wurde deutlich weniger überschüssiger Strom in das umliegende Netz abgeben und bei Engpässen deutlich weniger Strom daraus importiert.

Weniger Speichervolumen und höhere Erlöse

Die in „PowerLand 4.2“ entwickelte BHKW- und Biogasanlagensteuerung lässt sich auch an anderen Standorten einsetzen und bietet sich insbesondere für Anlagen an, die Wärmeabnehmer versorgen. Benötigt werden lediglich die Betriebsdaten, die man in der Regel ohnehin erfasst. „Der wesentliche Vorteil unseres Ansatzes gegenüber einer klassisch flexibilisierten Anlage besteht darin, mithilfe der bedarfsgerechten Fütterung teure Investitionen in größere Gasspeicher einzusparen. Im Vergleich zur nichtflexibilisierten, im Dauerbetrieb laufenden Biogasanlage erzielen die Betreiber auch höhere Stromerlöse“, erläutert Projektleiter Privatdozent Dr.  Andreas Lemmer von der Uni Hohenheim. „Der Rechenaufwand zum Berechnen der Fütterungspläne ist erstaunlich gering und die Genauigkeit des Systems richtig gut. Ein großer Vorteil ist, dass der Betreiber fortlaufend Informationen über die Relation zwischen Fütterung und resultierender Gasproduktion erhält. Ändert sich diese Relation, kann das ein Hinweis auf eine beginnende Prozessstörung sein.“ Dr. Johannes Krümpel, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Uni Hohenheim, ergänzt: „Das Vorhalten von schnell verdaulichen Substraten oder eine Sub­strataufbereitung sind nicht notwendig. Die Modellierungen orientieren sich an dem zuvor eingesetzten Substratmix.“

Das Vorhaben wurde im Rahmen des Förderaufrufs „Systemintegration von Bioenergie“ des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft unterstützt. Ziel war es, die besonderen Stärken der Bioenergie noch mehr und „smarter“ für die Energiewende zu nutzen. Insgesamt wurden 19 Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, teilweise mit Reallaboren, gefördert.

Der Abschlussbericht steht auf fnr.de unter den Förderkennzeichen 22404717, 22404618 und 22404718 zur Verfügung. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)