Ludwigshafen – TWL beteiligt sich im Rahmen der Wachstumsstrategie TWL 2020 aktiv an Lösungen zur Bewältigung der Energiewende. Dazu zählt die Aufgabe, das Energieangebot und den Verbrauch auszugleichen, damit die Stromversorgung weiterhin stabil betrieben werden kann.
Hier setzt die Power-to-Heat-Anlage von TWL an. Sie wandelt Strom in Wärme um und sorgt so dafür, dass ein zeitlich begrenztes Überangebot an Strom abgeführt und sinnvoll genutzt werden kann.
26,2 Prozent des Bedarfs in Deutschland konnten im Jahr 2014 mit Strom aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden. Bis ins Jahr 2050 sollen es jedoch 80 Prozent werden. Da die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft und Photovoltaik witterungsabhängig ist, unterliegt die Energieproduktion großen Schwankungen und ergibt entsprechende Prognose- und Fahrplanabweichungen. Wenn ein Überangebot an Strom vorherrscht, kann es zur Stabilisierung der Netze sogar notwendig werden, dass klimafreundliche Erzeugungsanlagen vom Netz genommen werden müssen.
So funktioniert die Power-to-Heat-Anlage
Um dies zu vermeiden, muss das temporäre Überangebot an Strom abgeführt und sinnvoll genutzt werden. Dazu kann TWL mit der neuen Power-to-Heat-Anlage einen Beitrag leisten. Wenn die Strommenge im Netz zu groß ist, geht sie in Betrieb. Die Power-to-Heat-Anlage besteht aus zwei Prozesserhitzern mit einer Leistung von je 5 Megawatt (MW), in denen strombetriebene Heizröhren Wasser erhitzen – ähnlich wie bei einem Durchlauferhitzer. Die Prozesserhitzer können stufenlos geregelt werden. Die beiden Erhitzer sind strömungstechnisch parallel geschaltet und direkt in das Fernwärmenetz eingebunden. Sie können jeweils auch einzeln betrieben werden. Die Wassereintrittstemperatur beträgt etwa 70 Grad Celsius und wird am Austritt bei einem maximalen Volumenstrom von 260 Kubikmeter pro Stunde auf maximal 130 Grad Celsius erwärmt. Die Energieversorgung der Power-to-Heat-Anlage erfolgt auf der Mittelspannungsebene über ein Doppelsammelschienensystem an zwei Mittelspannungstransformatoren mit jeweils 6.000 Kilovoltampere (kVA). Besteht im Fernwärmenetz gerade kein Bedarf, etwa im Sommer, wird die produzierte Wärme im angeschlossenen Wärmespeicher zwischengespeichert. Dieser fasst 1.200 Kubikmeter Fernwärmewasser, was einer Leistung von 40 MW entspricht, die er bei Bedarf ans Netz abgeben kann. Die Infrastruktur von TWL mit Fernheizwerk, Wärmespeichern und Wärmenetzen bietet optimale Voraussetzungen für den Einsatz von Elektroerhitzern.
TWL profitiert in zweierlei Hinsicht: durch die Vermarktung der Regelleistung und durch den Wärmegewinn für das Fernwärmenetz. Eine Besonderheit der Power-to-Heat-Anlage ist ihre kurze Reaktionszeit: In weniger als fünf Minuten ist die geforderte Leistung erreicht. Dadurch kann TWL erstmals hochwertige, sekundäre Regelleistung (SRL) anbieten.
Zudem sind die elektrischen Erhitzeranlagen schnell regelbar, haben einen hohen Wirkungsgrad, laufen emissionsfrei und sind außerdem kostengünstig in der Wartung.
Intelligente Lösungen für bauliche Herausforderungen
Damit die Power-to-Heat-Anlage reibungslos läuft, mussten vorab einige Herausforderungen gemeistert werden: So musste die Anlage in ein in Betrieb befindliches Kraftwerk integriert werden. Außerdem war eine Lösung gefragt, damit das Mittelspannungsnetz, in welches das Kraftwerk seine Energie einspeist, nicht durch das Ab- oder Einschalten der Anlage beeinträchtigt wird. Die hohen elektrischen Ströme, resultierend aus der Betriebsspannung von 690 Volt bei 5.000 Kilowatt (kW), führen zu hohen Kabelquerschnitten. Deshalb mussten die Kabelwege so kurz wie möglich gehalten werden, um den Spannungsverlust zu reduzieren.
Um die hohen Einschaltströme („Einschaltrush“) zu vermeiden, werden die beiden Transformatoren über eine Vormagnetisierungseinheit eingeschaltet. Der Leistungsteil jeder Stufe wird über einen Leistungsschütz geschaltet. Pro Erhitzeranlage stehen elf Schaltstufen mit 250 kW beziehungsweise 500 kW zur Verfügung. Die Feinregelung erfolgt über Thyristorsteller. Somit können die Erhitzer stufenlos gesteuert werden. Die Belastung für das Stromnetz wird reduziert. Ohne die Vormagnetisierungseinheit können die Einschaltströme um das bis zu 10-fache des Nennstroms ansteigen. Durch die Vormagnetisierung reduziert sich der Einschaltrush auf das 0,05-fache. Die Transformatoren können somit ohne Auswirkungen auf das Mittelspannungsnetz zugeschaltet werden.
Die Steuerung der Elektroerhitzer erfolgt über eine eigene SPS (speicherprogrammierbare Steuerung), deren Funktionsablauf TWL selbst entwickelt hat: Zuerst wird eine 500-kW-Thyristor-Stufe zugeschaltet und hochgeregelt. An deren Stufenende wird eine Leistungsstufe mit 250 kW zugeschaltet. Mit steigender Anforderung wird die Leistung der Thyristor-Stufe erhöht, bis der Maximalwert erreicht ist. Danach wird eine 500 kW Leistungsstufe zugeschaltet, die 250 kW Leistungsstufe abgeschaltet und erneut bis zum Maximalwert der Thyristor-Stufe hochgeregelt. Die Aktivierungszeit bis zum Maximalwert von 5.000 kW beträgt 160 Sekunden. Die Rückschaltung bei Deaktivierung der Anlage erfolgt entsprechend in umgekehrter Reihenfolge. Wird der minimale Leistungswert erreicht, wird die feste Stufe abgeschaltet, die variable Stufe arbeitet mit einer Leistung entsprechend dem Wert der abgeschalteten Gruppe weiter. Die Steuerung ist mit der Querverbundleitwarte von TWL verbunden, die – wenn Regelenergie angefordert wird – die reibungslose Lieferung überwacht. Die beiden Prozesserhitzer können jedoch auch direkt über Panels an den Schaltanlagen bedient und beobachtet werden. Die Vorgabe des Leistungssollwertes und das Einschalten bei Regelenergieanforderung erfolgt bei Bedarf direkt durch den Übertragungsnetzbetreiber oder den beauftragten Händler.
TWL investierte etwa 1,5 Millionen Euro in die Power-to-Heat-Anlage sowie 1,2 Millionen Euro in den Wärmespeicher.