Microgrids für eine erfolgreiche Energiewende
Kleine Netze, großes Potential
Das alte Bild vom unidirektionalen Stromfluss - vom Erzeuger über das Netz zum Verbraucher - verliert zunehmend an Gültigkeit. Stattdessen sind Strategien dafür gefragt, als Prosumer Energie lokal zu produzieren und selbst optimal zu nutzen. Um eine solche (Teil-)autarkie effizient umzusetzen, braucht es aber ein lokales und intelligentes Energiesystem: das Microgrid.
Bild: Pierre Olivier Deschamps / Agence VUNach Angaben des Umweltbundeamtes waren energiebedingte Emissionen im Jahr 2020 für etwa 83 Prozent der deutschen Treibhausgas-Emissionen verantwortlich. Mit über einem Drittel entfiel die Mehrheit dieser Emissionen auf die Energiewirtschaft, zu der auch die öffentliche Strom- und Wärmeerzeugung gehört. Die Forderung nach mehr Nachhaltigkeit regt hier zur Suche nach Alternativen an. Aber auch die infolge geopolitischer Ereignisse massiv gestiegenen Strom- und Gaspreise motivieren Unternehmen und Gebäudebesitzer, neue Wege einzuschlagen. Soll ein Gebäude nachhaltiger und energieeffizienter werden, bietet die Kombination von Gebäudeleittechnik (GLT) und Elektroleittechnik (ELT) mittels Gebäudeautomatisierung und Energiemanagement bereits große Chancen. Diese intrinsische Optimierung ist allerdings darauf beschränkt, den Energieverbrauch zu reduzieren. Noch größeres Einsparpotential lässt sich erschließen, wenn Gebäude ihren eigenen Strom erzeugen und damit möglichst viel an vormals zugekaufter Energie ersetzen. Etwaiger Überschuss wird idealerweise lokal gespeichert und später, wenn Bedarf entsteht, verbraucht. Microgrids machen eine solche Einheit von Erzeuger und Verbraucher möglich und sorgen für eine zumindest teilweise Unabhängigkeit vom Stromnetz.
Bild: Schneider Electric GmbHEnergie selbst erzeugen und einsetzen
Der Begriff Microgrid beschreibt ein integriertes Energiesystem aus vernetzten Lasten und verteilten Energieressourcen (distributed energy resources, DER) bei einem Endverbraucher. Es wird innerhalb klar definierter elektrischer Grenzen als Einheit gesteuert und kann parallel zum Netz oder in einem gewollten Inselbetrieb laufen. Als nach außen abgeschlossene Einheit lässt sich das Microgrid dann unter Einbeziehung externer Daten (Wettervorhersage, variabler Energiepreise) steuern, um maximale Effizienz zu erreichen. Die Verwendung eines intelligenten Energiemanagements im Microgrid macht es möglich, den lokal produzierten Strom über ein entsprechendes Management von Erzeugern und Verbrauchern, und unter Verwendung entsprechender Speicher, nach ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten optimal einzusetzen. Einige Beispiele: Wenn die PV-Anlage auf dem Gebäudedach tagsüber große Mengen an Solarstrom generiert, dieser aber nicht direkt durch den Erzeuger wieder verbraucht wird, erfolgt normalerweise eine Rückeinspeisung ins Netz, die sich zunehmend nicht mehr rentiert und zusätzlich die elektrische Infrastruktur belastet. Nachts oder bei Regen würde der Betrieb dann Strom aus dem Netz entnehmen, der möglicherweise fossil erzeugt ist. Stattdessen erlaubt ein eigener Batterie- und/oder Wärmespeicher es Gebäudebetreibern, überschüssige Energie vor Ort zu speichern und später selbst zu nutzen. Da Microgrids auf digitaler Gebäude- und Energieleittechnik aufbauen können, sind weitere Synergien möglich. So ist es z.B. denkbar, dass Wärmepumpen erst etwas zeitversetzt die Wärmespeicher füllen, wenn laut Wetterbericht die Sonne scheint. Sie müssen dann nicht sofort teure Energie aus dem Netz beziehen. Selbstverständlich unterliegt eine solche Regelung aber vorgegebenen Grenzparametern, sodass die Behaglichkeit jederzeit gewährleistet ist. Oder die Rollläden fahren am Morgen rechtzeitig herunter, damit sich ein Gebäude nicht übermäßig aufheizt - so benötigt es weniger Kühlleistung.
Bild: Schneider Electric GmbHVon Bestandaufnahme zum Microgrid
Microgrids von Schneider Electric sind mehrheitlich Brownfield-Projekte, in denen eine existierende Anlage zusätzlich mit Photovoltaik-Anlage und Batteriespeicher ausgestattet wird. Auch im Bestand ist die Einrichtung eines Microgrids also möglich. Zwecks Überwachung und Steuerung des lokalen Netzes müssen dafür alle relevanten Komponenten IoT-fähig sein. Das heißt aber nicht zwangsläufig, dass Gebäudebetreiber bei einer Nachrüstung der Gebäudeenergieleittechnik alle Wände aufreißen lassen müssen: Für zahlreiche Anwendungsfälle in der Gebäudeautomation und Messtechnik gibt es Funklösungen, die den Einsatz intelligenter Mess- und Steuerungstechnik ohne die aufwändige Verlegung neuer Kabel ermöglichen. Auch die Einbindung eines thermischen Speichers ist relativ einfach: Manche Gebäude verfügen sogar bereits über einen potentiellen Speicher, ohne dass dies den Betreibern klar ist, etwa in Form eines Wassertanks für die Sprinkleranlage. Der erste Schritt für die Einrichtung eines Microgrids muss daher immer eine Bestandsaufnahme sein, aus der ersichtlich ist, welche bestehenden Infrastrukturen eingebunden werden können. Daraus entwickeln Tech-Experten dann ein Gesamtkonzept. Sie berechnen, wie die Energieverteilung im Gebäude auf neue Einspeisungen oder zusätzliche Abnehmer anzupassen sind, wenn etwa eine PV-Anlage, ein Batteriespeicher oder Ladesäulen für Elektroautos hinzukommen. Auch Kommunikationsinfrastrukturen sind dabei zu berücksichtigen, und zum Teil ist es nötig, sie zu ergänzen. Zwecks dieser ganzheitlichen Bestandsaufnahme bietet sich eine MPS-Begehung an. Diese technische Begutachtung ermittelt, welche vorhandenen Assets nutzbar sind und welche fehlen oder nicht eingebunden werden können. Alle Daten fließen dann wieder in die Netzberechnung, also die Grundlage der Umbauten, ein.
Alles aus einer Hand
Ist die Bestandsaufnahme abgeschlossen und der Fahrplan für die Einrichtung des Microgrids erstellt, steht der Einbau und Anschluss neuer Geräte an. Hier macht sich eine ganzheitliche Herangehensweise bezahlt. Schneider Electric erarbeitet mit seinen Kunden eine integrierte Lösung, die vom Anschlusspunkt an die Energieversorgung über die Integration von Blockheizkraftwerk oder Batteriespeicher bis zur Gebäudeautomation alle Aspekte des Microgrids mit Lösungen aus einer Hand abdeckt. Daraus ergeben sich zwei Vorteile: Erstens ist ein Projekt weniger risikobehaftet, wenn nicht zahlreiche unabhängige Lieferanten mit ihren Teillösungen beteiligt sind. Zweitens entfallen die oft unterschätzen Kosten, die anfallen, wenn ein Systemintegrator nachträglich viele (nicht dafür ausgelegte) Bausteine zu einem Gesamtsystem zusammenfügen muss.
Bild: Schneider Electric GmbHKI und digitaler Zwilling
Eine komplexe Infrastruktur profitiert bei der Steuerung enorm vom Einsatz künstlicher Intelligenz, weil ein Mensch die im System vorhandene Menge an Daten gar nicht mehr verarbeiten kann. Wenn also PV-Anlage, Batteriespeicher, Ladesäule und Heizsystem gekoppelt werden sollen, ist ein gewerbliches Energiemanagementsystem (CEMS, Commercial Energy Management System) erforderlich. Eine solche, maschinell lernende Unterstützung des Gebäudemanagers bietet Schneider Electric z.B. im Rahmen von EcoStruxure Building Operation als Building Advisor an. Diese Lösung verwaltet einen digitalen Zwilling des Gebäudes, in dem jedem Gerät Eigenschaften zugewiesen wurden. In Echtzeit werden die von Sensoren gelieferten Daten mit dem Modell verglichen, wodurch kostspielige Fehler schnell auffallen. Als Wächter der Systemsicherheit (System Health) wirft der Advisor z.B. einen Fehler aus, wenn Heizung und Kühlung zugleich laufen, obwohl die vom Temperatursensor ermittelte Temperatur mit dem Modell übereinstimmt - denn der ebenfalls getrackte Energieverbrauch ist in einem solchen Fall deutlich zu hoch.
Ein Schritt zum grünen Gebäude
Unter den Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz ist die Einrichtung eines Microgrids nach Energiekostenreduzierung, Optimierung des Verbrauchs, Neuplanung der elektrischen Infrastruktur und Optimierung der Gebäudeautomation eine wirklich fortgeschrittene Möglichkeit. Im Inselbetrieb genutzt, sorgt sie im Fall eines Stromausfalls zudem für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung. Unter Beachtung von Wetter- und Strompreisdaten ermöglicht das Microgrid darüber hinaus eine kontinuierliche Optimierung der Ressourcennutzung in der Energie- und Gebäudeleittechnik. Und in Kombination mit Consulting-Leistungen von Schneider Electric ist der Meilenstein Green Building damit wieder einen Schritt näher gerückt.
Das alte Bild vom unidirektionalen Stromfluss - vom Erzeuger über das Netz zum Verbraucher - verliert zunehmend an Gültigkeit. Stattdessen sind Strategien dafür gefragt, als Prosumer Energie lokal zu produzieren und selbst optimal zu nutzen. Um eine solche (Teil-)autarkie effizient umzusetzen, braucht es aber ein lokales und intelligentes Energiesystem: das Microgrid.
Bild: Pierre Olivier Deschamps / Agence VUNach Angaben des Umweltbundeamtes waren energiebedingte Emissionen im Jahr 2020 für etwa 83 Prozent der deutschen Treibhausgas-Emissionen verantwortlich. Mit über einem Drittel entfiel die Mehrheit dieser Emissionen auf die Energiewirtschaft, zu der auch die öffentliche Strom- und Wärmeerzeugung gehört. Die Forderung nach mehr Nachhaltigkeit regt hier zur Suche nach Alternativen an. Aber auch die infolge geopolitischer Ereignisse massiv gestiegenen Strom- und Gaspreise motivieren Unternehmen und Gebäudebesitzer, neue Wege einzuschlagen. Soll ein Gebäude nachhaltiger und energieeffizienter werden, bietet die Kombination von Gebäudeleittechnik (GLT) und Elektroleittechnik (ELT) mittels Gebäudeautomatisierung und Energiemanagement bereits große Chancen. Diese intrinsische Optimierung ist allerdings darauf beschränkt, den Energieverbrauch zu reduzieren. Noch größeres Einsparpotential lässt sich erschließen, wenn Gebäude ihren eigenen Strom erzeugen und damit möglichst viel an vormals zugekaufter Energie ersetzen. Etwaiger Überschuss wird idealerweise lokal gespeichert und später, wenn Bedarf entsteht, verbraucht. Microgrids machen eine solche Einheit von Erzeuger und Verbraucher möglich und sorgen für eine zumindest teilweise Unabhängigkeit vom Stromnetz.
Schneider Electric GmbH
Dieser Artikel erschien in GEBÄUDEDIGITAL 3 (Mai) 2023 - 07.06.23.Für weitere Artikel besuchen Sie www.gebaeudedigital.de
