In Sondershausen werden im iKWK-System eine Solarthermieanlage und Blockheizkraftwerke miteinander kombiniert, deren Betrieb KI-gestützt aufeinander abgestimmt ist (Quelle: Stadtwerke Sondershausen)
Die intelligente Kopplung der Sektoren Strom und Wärme ist entscheidend für eine nachhaltige und wirtschaftliche Energieversorgung und für das Gelingen der Wärmewende. Für die Integration von Wärme aus erneuerbaren Energien in ein bestehendes Wärmenetz ist das iKWK-System in Sondershausen ein hervorragendes Beispiel. Im Sommer liefert die Solarthermie erneuerbare Wärme, die BHKW laufen flexibel zu Zeiten von Strompreisspitzen. Im Winter decken die BHKW bei durchgängig höheren Strompreisen die Grundlast, die Solarthermie liefert an sonnigen Wintertagen eine Rücklaufanhebung, um die Wärme effizient zu erzeugen.
Die Komplexität liegt im Zusammenspiel der planbaren und wetterabhängigen Wärmeerzeuger und im intelligenten Wärmemanagement über verschiedene Standorte hinweg – für einen Menschen ist diese Komplexität nicht mehr zu bewältigen. Das Projekt demonstriert dabei eindrucksvoll, wie durch intelligente Betriebsoptimierung mit Optimierungsmodellen, Prognosen und KI ein hocheffizientes Gesamtsystem realisiert werden kann, das die Wärmewende in Deutschland vorantreibt.
Projektstruktur und Herausforderungen
Die Optimierung des Wärmeverbunds in Sondershausen ist durch seine drei räumlich getrennten Standorte besonders anspruchsvoll. Die drei Standorte haben jeweils eigene Wärmeerzeuger und Speicher, die sich in ihrer Betriebsweise und Lastanforderung unterscheiden. Diese Struktur erfordert eine feinabgestimmte, ganzheitliche Betrachtung aller Wärmeströme und Speicherzustände. Um eine effiziente Gesamtsteuerung zu ermöglichen, müssen sowohl die Wärmeanforderungen der angeschlossenen Verbraucher als auch die mögliche Einspeisung der Solarthermie tagesaktuell prognostiziert und koordiniert werden (Bild 1).
Eine zusätzliche Komplexität ergibt sich aus der schwankenden Verfügbarkeit der Solarthermieleistung. Die wetterabhängige Einspeisung kann nicht gesteuert werden, was besondere Anforderungen an die vorausschauende Speicherbewirtschaftung stellt. Um die wetterabhängige Solarthermie zuverlässig in das Gesamtsystem einzubinden, müssen die Ladezustände aller Speicher und die resultierenden Wärmeflüsse kontinuierlich überwacht werden. Nur so kann einerseits eine Überlastung des Systems bei hoher Solarwärmeproduktion vermieden und andererseits das volle Potenzial der erneuerbaren Energie effizient ausgeschöpft werden.
Auch der förderkonforme Einsatz der BHKW innerhalb des iKWK-Systems erfordert eine strategische Steuerung. Nur wenn die Betriebszeiten und Leistungen der gekoppelten Einheiten optimal geplant werden, können die maximal möglichen Fördererlöse realisiert werden. Benötigt wurde also eine übergeordnete Betriebsoptimierung, die sowohl die Einhaltung regulatorischer Vorgaben gewährleistet, als auch eine flexible und wirtschaftliche Nutzung aller Systemkomponenten ermöglicht.
Betriebsoptimierung komplexer Systeme
Für die operative Steuerung des komplexen iKWK-Systems wählten die Stadtwerke Sondershausen VK Energie als Dienstleister. VK Energie besitzt langjährige Erfahrung in der Betriebsoptimierung von komplexen Energiesystemen. Die Steuerung wird bei der VK Betriebsoptimierung auf Grundlage kontinuierlich weiterentwickelter mathematischer Modelle vorgenommen, die sowohl reale Messwerte als auch Prognosen integrieren. Dabei kommen beim Projekt iKWK Sondershausen KI-gestützte Prognosen zum Einsatz, die sowohl den zukünftigen Wärmebedarf als auch die wetterabhängige Solarthermieproduktion voraussagen. Diese Prognosen sind essenziell, um die Betriebsweise der BHKW, die Speicherbewirtschaftung und die Wärmeflüsse optimal auszurichten. Ergänzt wird das automatisierte System durch das Operationsteam von VK Energie: Ein Team aus Ingenieuren betreut das Projekt aktiv und steht mit einer 24/7-Bereitschaft für Rückfragen, Störungen oder Eingriffe zur Verfügung. So ist sichergestellt, dass nicht nur Algorithmen, sondern auch erfahrene Fachleute die Verantwortung für den Betrieb tragen.
Optimierung im Day-Ahead-Markt
Die Betriebsführung des iKWK-Systems in Sondershausen basiert auf einer Optimierung im Day-Ahead-Markt. Dabei werden die BHKW gezielt dann betrieben, wenn am Folgetag hohe Strompreise prognostiziert werden. Die zugrunde liegende Logik folgt einem einfachen Prinzip: Wenn die Sonne nicht scheint, sind die Strompreise in der Regel hoch. Dann lohnt sich der Einsatz der BHKW. Umgekehrt: Scheint die Sonne, steht aufgrund der Solarthermie ausreichend Wärme zur Verfügung. Gleichzeitig sind die Strompreise niedrig, wodurch sich der BHKW-Betrieb wirtschaftlich nicht rechnet.
Diese Synergie zwischen BHKW und Solarthermie bildet das Rückgrat des wirtschaftlichen Betriebsmodells. Durch die vorausschauende Planung auf Basis von Strompreis- und Wetterprognosen gelingt es, die BHKW gezielt an den wirtschaftlich sinnvollsten Zeitpunkten einzusetzen. Im Vorfeld der Projektumsetzung wurde dabei angenommen, dass die Solarthermieanlage in den Sommermonaten allein die Wärmeversorgung sicherstellen könnte. Die Praxis zeigte jedoch, dass durch die intelligente Steuerung auch in diesen Monaten die BHKW zu Spitzenstrompreisen wirtschaftlich eingesetzt werden konnten. Möglich wird das durch ein patentiertes, aktives Wärmespeichermanagement, das jederzeit eine ausreichende Aufnahmekapazität der Pufferspeicher sicherstellt, damit auch bei starker Sonneneinstrahlung zuverlässig Wärme aus der Solarthermieanlage aufgenommen werden kann. So lässt sich eine Überhitzung der Anlage vermeiden. Gleichzeitig ermöglicht die Flexibilität eines Speichers mit aktivem Wärmespeichermanagement den gezielten Einsatz der BHKW selbst in den Sommermonaten. Auf diese Weise entsteht eine effiziente Aufgabenteilung zwischen wetterabhängiger Solarthermie und marktgesteuertem KWK-Einsatz (Bild 2).