Ein Schwarm stromproduzierender «Heizungen» für die Energiewende

Die Schweiz will ihren Elektrizit?tsbedarf k¨¹nftig vermehrt mit Sonnenenergie decken. Weil Solarstrom aber fluktuiert, also nur fliesst, wenn die Sonne scheint, ben?tigen Netzbetreiber im Energiesystem der Zukunft auf Abruf verf¨¹gbare Produktionsleistung, um kurzfristig auftretende Versorgungsl¨¹cken zu schliessen. Daf¨¹r wurden bislang vor allem neue Gaskombikraftwerke und verschiedene Formen der Energiespeicherung diskutiert. Wir ¨C ein interdisziplin?res Team der ETH Z¨¹rich und des Paul Scherrer Instituts PSI ¨C schlagen nun einen nachhaltigen Systemansatz f¨¹r die Schweiz vor: K¨¹nftig k?nnte man eine akute Unterversorgung im Stromnetz mit einem Verbund biogen befeuerter W?rme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) kompensieren. Im Projekt ?CHPswarm? untersuchten wir die technische Machbarkeit sowie die Wirtschaftlichkeit eines solchen WKK-Schwarms f¨¹r drei Schweizer Kantone ¨C mit vielversprechendem Ergebnis. [1]

Strom erzeugen und gleichzeitig heizen

Unter einer WKK-Anlage versteht man vereinfacht kleinere oder gr?ssere ?Kraftwerke?, die aus einem Konverter sowie einem Generator bestehen und mit Gas befeuert gleichzeitig W?rme und Strom produzieren. Mit der W?rme lassen sich Geb?ude oder industrielle Prozesse beheizen. Im Gegensatz zur klassischen Elektrizit?tsproduktion mittels thermischer Kraftwerke, welche die Abw?rme 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 prim?r als W?rmeabnehmer, 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 ¨C allerdings meist nur f¨¹r Einzelanlagen und Kleinstverb¨¹nde. 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 l?sst. Zudem speisen die dezentralen WKK-Anlagen den produzierten Strom wie die fluktuierende Photovoltaik auf der unteren Netzebene ein, dem Geb?udeanschluss.

Potential f¨¹r drei Schweizer Regionen analysiert

Wir pr¨¹ften das Potenzial und die Praxistauglichkeit von WKK-Schw?rmen anhand der Kantone Luzern, Thurgau und Basel-Stadt. Dazu sch?tzten wir die absetzbare W?rme f¨¹r jedes ans Gasnetz anschliessbare Geb?ude einzeln ab und legten geeignete WKK-Anlagen aus. Aus allen m?glichen Installationsorten stellten wir dann einen Schwarm zusammen, der die verf¨¹gbare Gasmenge mit maximalen Profiten umsetzt. Im Sinne eines nachhaltigen Betriebs sollte daf¨¹r Biogas verwendet werden; entsprechend darf die j?hrlich bezogene Gasmenge die im Kanton maximal produzierbare Biogasmenge nicht ¨¹berschreiten. Letztere bezifferten wir anhand einer r?umlichen Inventur der G¨¹lle-, 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 W?rme produzierende Gasbrenner) durch WKKs ersetzen liessen. Der damit zus?tzlich produzierte Strom entspricht 10 bis 16 Prozent des kantonalen Elektrizit?tsbedarfs. Im st?dtischen Umfeld von Basel-Stadt fiel das Potential von WKK-Schw?rmen aufgrund der wenigen land- und forstwirtschaftlichen Biomasselieferanten gering aus. Es k?nnte aber in der Praxis durch ?Biogas-Importe? erh?ht werden. 

Insgesamt zeigt die Potenzialanalyse f¨¹r die drei Kantone, dass biogene WKK-Anlagen etwa ?hnlich viel Strom produzieren k?nnten wie die Photovoltaik im Jahr 2050 gem?ss Erwartungen des Bundesamt f¨¹r Energie BFE ¨C hochgerechnet auf die gesamte Schweiz entspr?che das 10 Prozent des gesamten Elektrizit?tsbedarfs. Mengenm?ssig k?nnten WKK-Schw?rme 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 W?rmebedarfs produzieren WKK-Anlagen im Winter mehr Elektrizit?t als im Sommer. Eine Grobabsch?tzung eines Gasnetzbetreibers ergab, dass die Leitungssysteme ¨¹ber Druckanpassungen im Sommer produziertes Biogas durchaus bis zum Winter speichern k?nnten ¨C das Gasnetz k?nnte somit als saisonaler Energiespeicher dienen.

Schliesslich analysierten wir die Wettbewerbsf?higkeit unserer Idee und identifizierten Gaskombikraftwerke als prim?re Konkurrenten im Strommarkt. Im W?rmemarkt beobachteten wir eine ?hnliche Situation mit Gasheizungen. Allgemein beg¨¹nstigten hohe Gaspreise und restriktive umweltpolitische Randbedingungen den Einsatz von WKK. Zudem stellte sich heraus, dass WKK-Schw?rme ein synergetisches Verh?ltnis mit W?rmepumpen eingehen k?nnen, da diese bei einer ?berversorgung Elektrizit?t aus dem System ziehen und somit das komplement?re Gegenst¨¹ck zu WKKs bilden. 

Wir sind daher der Meinung, dass Schw?rme dezentraler und biogen befeuerter WKK-Anlagen eine interessante Option f¨¹r die Schweiz darstellen, wenn es k¨¹nftig darum geht, kurzfristige und bis zu einem gewissen Grad auch saisonale Schwankungen der Photovoltaikproduktion auszugleichen.