Um die Energiewende und die Energiestrategie 2050 umzusetzen, ist der weitere Zubau von PV-Anlagen auf Gebäudedächern unerlässlich. Besonders in den Wintermonaten sollen diese Anlagen möglichst viel Strom liefern. Der PV-Strom sorgt jedoch bereits heute regelmässig für Überlastung des Stromnetzes. Das zeigt sich daran, dass an sonnigen Tagen im Sommer die Handelspreise an der Strombörse zum Teil bis ins Negative sinken.

Wie kann dieser überschüssige Strom nutzbar gemacht und das Stromnetz wirksam entlastet werden?

Lösungsstrategien

Eine Möglichkeit ist, die Kapazität des Stromnetzes und die Trafostationen auszubauen. Das gesamte Netz auf die Spitzenlast auszulegen, ist allerdings weder zielführend noch wirtschaftlich. Über das ganze Jahr betrachtet, treten die hohen Überschüsse nur selten auf: im Sommerhalbjahr, tagsüber und bei klarem Sonnenschein.

Alternativ können die Wechselrichter während der Stromspitzen gedrosselt oder sogar abgeschaltet werden. Für grosse PV-Anlagen behält sich der Netzbetreiber vor, diese abzuregeln, um das Stromnetz stabil zu halten. Abgeregelte Energie, die zu einem späteren Zeitpunkt gebraucht werden könnte, ist unnötig verlorene Energie.

Aus diesem Grund ist die beste Lösung, Speichertechnologien im lokalen Ortsnetz auszubauen. Batterien, Wasserstoffproduktionsanlagen oder Wärmeerzeuger für Industrie- und Fernwärme (Power-to-Heat) können die Stromüberschüsse zwischenspeichern, sodass sie nicht zu Überschusszeiten ins Stromnetz eingespeist werden müssen.

Das Abfangen von Stromspitzen

Damit das Netz auch kurzfristig möglichst wirkungsvoll entlastet werden kann, sind von der Speichertechnologie eine schnelle Regelbarkeit und die Aufnahmefähigkeit hoher Spitzenlasten gefordert. Darüber hinaus sollte die Anlage in wenigen Jahresbetriebsstunden amortisiert, technisch ausgereift und auf Ortsebene einsetzbar sein.

An den Orten, wo auch im Sommer Wärmebedarf besteht, bspw. in Industrie- und Landwirtschaftsbetrieben oder in Fernwärmeanlagen, erfüllt Power-to-Heat (P2H bedeutet: Strom in Wärme umwandeln) die genannten Kriterien. Für P2H-Anwendungen kommen in den meisten Fällen Elektroheizstäbe zum Einsatz. Sie erfüllen die hohen Anforderungen an die Leistung und schnelle Regelbarkeit, dürfen jedoch ausschliesslich Überschüsse verheizen oder allenfalls als Notheizung zum Einsatz kommen. Solange Strom einer sinnvollen, höherwertigeren Anwendung zugeführt werden kann, sollte das, sofern wirtschaftlich vertretbar, vorgezogen werden.

Ziele und Nutzen

Der wirtschaftliche Nutzen von P2H-Anlagen ist am höchsten, wenn sich verschiedene Anwendungen überschneiden. Diese können von Anfang an im System vorgesehen werden, aber auch problemlos nachträglich ergänzt werden.

Ihr Einsatz ist ökologisch am besten, wenn mit der Anlage fossile Energien wie Gas oder Heizöl substituiert werden. Zudem ist es sinnvoll, wenn sie dazu beiträgt, dass im Sommer Holz gespart wird. Die Energieressource Holz darf nicht schneller abgebaut werden als sie nachwächst und sollte daher als saisonaler Energiespeicher betrachtet werden, welcher nur im Winter verwendet wird. So können noch weitere Holzfeuerungen realisiert werden.

Regelenergiemarkt

Die Flexibilität einer P2H-Anlage erlaubt noch eine weitere Anwendung: In Kombination mit der Teilnahme am Regelenergiemarkt kann eine P2H-Anlage einen wichtigen Beitrag zur nationalen Netzstabilisierung leisten und sich dadurch schneller amortisieren.

Aufgrund ihrer schnellen Regelbarkeit können P2H-Anlagen als Sekundär- und Tertiärregelleistung Minus (SRL–, TRL–) eingesetzt werden. Abhängig davon, wie viel und wie häufig Regelleistung abgerufen wird, treten unterschiedliche Vergütungstarife in Kraft.

Solange sich die maximale Abnahmemenge unter 5 MW beläuft, muss die Anlage bei einem Pool (bspw. Primeo Energie) angemeldet sein. Dieser stellt Zusammenschlüsse her, die gemeinsam 5 MW ergeben und sich so der Swissgrid anbieten. Für die Qualifizierung am Regelenergiemarkt werden vorgängig Zuverlässigkeitstests durchgeführt.

Technische Umsetzung

Es gibt vier verschiedene Varianten, P2H-Lösungen ins Wärmenetz einzubinden. Die nachfolgenden Varianten sind auf dem Schema von links nach rechts abgebildet.

1. Power-to-Heat in der Wärmezentrale

Ist in der Zentrale ein genügend grosser Speicher vorhanden, kann dieser mit einem Elektroeinsatz erwärmt werden. Es ist sinnvoll, den Elektroeinsatz oben im Speicher zu montieren, wo er ein kleines Volumen schnell auf hohe Temperaturen aufheizt, bevor anschliessend mit einer Umschichtpumpe die Wärme von oben nach unten gefördert wird.

Eine Beladung von oben nach unten ist zudem für eine allfällige Kesselmodulation vorteilhaft. Eine bereits bestehende Wärmezentrale kann mit einer P2H-Anlage im «Durchlauferhitzer»-Prinzip erweitert werden. Sie wird wie ein weiterer Kessel eingebunden und belädt den Speicher von oben nach unten mit Wärme.

2. Dezentrale Power-to-Heat-Anlage auf den Rohrleitungen

Auch auf Fernleitungen kann eine P2H-Anlage nach dem «Durchlauferhitzer»-Prinzip eingebunden werden.

Variante 1: Mit einer starken Pumpe kann aus dem Rücklauf Wasser entnommen, erwärmt und in den Vorlauf gepumpt werden.

Variante 2: Eine Temperaturanhebung, durch eine «serielle» Einbindung auf dem Vorlauf, kann für Bezüger mit Bedarf an erhöhten Vorlauftemperaturen (bspw. Käserei, Spital, Hotel usw.) sinnvoll sein.

Variante 3: Eine Rücklauftemperaturanhebung bewirkt die Ladung des Speichers in der Zentrale.

3. Dezentrale Einbindung und Speicherung

Die Einbindung von P2H kann auch über einen dezentralen Speicher erfolgen. Dieser ist als Kapazität einfacher kontrollierbar als das Wärmenetz. Dezentrale Speicher in Fernwärmenetzen sind in Ländern wie Deutschland oder Dänemark bereits eine zentrale Komponente der Energiewende.

Sie können z. B. genutzt werden, um Spitzenlasten in Teilsträngen abzufangen oder nahe einer Trafostation oder PV-Anlage Überschüsse ins Wärmenetz abzugeben.

4. Einbindung bei den Übergabestationen

PV-Strom kann auch in den Unterstationen verwendet werden. So können PV-Anlagebesitzer ihren eigenen Strom im Sommer zur Warmwasserbereitung nutzen.

Beispiel 1: Gewerbepark mit Fernwärme
Auf dem Areal eines Gewerbeparks in Hasle Rüegsau sind knapp 2,5 MWp Photovoltaik installiert, wovon 480 kW mit einer P2H-Anlage in Wärme umgewandelt werden können. Zusätzlich liefert ein Schnitzelkessel weitere 700 kW Wärmeleistung.

Der Gewerbepark bildet seinen eigenen Wärmeverbund. Mit einem Power-to-Heat-Modul im Durchlauferhitzer-Prinzip können abhängig von den Überschüssen bis zu 480 kW Wärme in den Wärmespeicher eingebracht werden.

Beispiel 2: Wärmeverbund mit P2H für Regelenergie
Der Wärmeverbund Tagelswangen hat einen 88 500 Liter grossen thermischen Energiespeicher installiert, dessen Elektroeinsätze lediglich mit Regelenergie gespeist werden (vier Elektroeinsätze à 150 kW, bis zu 600 kW Regelenergie zu Heizzwecken).

Die Einbringung im unteren, also kälteren Bereich des Speichers stellt sicher, dass immer die nötige Speicherkapazität vorhanden ist, um die Regelenergie aufzunehmen. Neben der elektrischen Wärmeerzeugung wird die Fernwärme mit 3,6 MW aus Holz und einem BHKW versorgt.