Eigenstromnutzung und Spitzenlast-Kappung gewinnen an Fahrt
PV in Verbindung mit Speichern wird zur TGA-Komponente
Die Wilsdruffer Maschinen- und Anlagenbau GmbH (WIMA) bei Dresden entwickelt, konstruiert und produziert bis zu 150 Maschinen für die Rohstoffindustrie pro Jahr. Mit Photovoltaik-Anlagen und Gewerbespeicher sollen in Zukunft Stromkosten gesenkt werden. Dazu muss auch ein möglichst flexibles Energie- und Batteriemanagementsystem beitragen, das jederzeit und sicher an wechselnde Anforderungen angepasst werden kann. Das Thema Eigenstromnutzung und Spitzenlast-Kappung gewinnt im produzierenden Gewerbe an Bedeutung. Es entwickelt sich zu einem festen Bestandteil der TGA in diesem Bereich.
Mit rund 600.000 kWh Strombedarf pro Jahr ist Energie bei der WIMA ein erheblicher Kostenfaktor. Im Jahr 2021 hatte der mit einer Energiekostenanalyse beauftragte Energieberater dem Maschinenbauunternehmen empfohlen, mit Photovoltaik (PV) und Stromspeichern steigenden Stromkosten entgegenzuwirken. Im Jahr 2022 beauftragte WIMA die Powertrust GmbH aus Bremen, eine wirtschaftliche Eigenerzeugung mit PV und Stromspeicher sowie Ladeinfrastruktur für Elektro-PKW zu realisieren. Bereits im September 2023 wurde das System in Betrieb genommen, bestehend aus einer PV-Anlage mit rund 390 kWp, einem Gewerbestromspeicher mit 320 kWh Netto-Kapazität und zehn Ladepunkten mit jeweils 11 kW Leistung.
Berechnungen, Überlegungen und Kalkül
Die Planer statteten das Energiesystem mit einer Netto-Speicherkapazität von 320 kWh (400 kWh Brutto) aus. Davon sollten ursprünglich 170 kWh für den eigenen Strombedarf zur Verfügung stehen, während 150 kWh zur Kappung von Lastspitzen eingeplant waren.
Nach wiederholter Prüfung der aktuellen Verrechnungssätze für Nieder- und Mittelspannung stellte sich heraus, dass es derzeit wirtschaftlicher ist, die gesamte Kapazität des Stromspeichers für den Eigenverbrauch zu nutzen. In Absprache mit dem Kunden wurde der Stromspeicher dementsprechend programmiert. Sollten sich in Zukunft die Verrechnungssätze beim Netzbetreiber ändern, kann das Energiemanagement jederzeit an sich verändernde Rahmenbedingungen angepasst werden.
Als Dauerlast können die im Speicherkonzept verbauten acht „HawkTower“ von Powertrust 0,8 C liefern. Die C-Rate beschreibt die Lade- und Entladeleistung eines Stromspeichers pro Zeiteinheit. Je größer die C-Rate ist, desto mehr Leistung kann ein Speicher pro Zeiteinheit aufnehmen und abgeben.
Verortung
Untergebracht ist der Gewerbespeicher – inklusive drei Wechselrichtern von SolarEdge mit einer AC-Nennleistung von 90 kW – in einem „EagleNest“. Ein EagleNest ist die Übergabestation der HawkTower-Batteriespeicher. Darin werden das Speichersystem, die Wechselrichter, die Unterverteilung sowie eine Klimatisierung eingebaut. Die aktuelle Bauart ist vergleichbar mit einer Fertigbaugarage. Im Zusammenhang mit der Photovoltaik-Eigenerzeugung und dem Gewerbespeicher wurde entschieden, die Infrastruktur für Elektromobilität hinzuzufügen. Es wurden zehn Ladepunkte mit je 11 kW Ladeleistung, verteilt auf insgesamt fünf Ladesäulen des Wallbox- und Ladesäulenherstellers ABL installiert.
Sicherheitskonzept
Bei den in den „HawkTower“ verbauten Speicherkomponenten handelt es sich um Lithium-Eisen-Phosphat -Zellen (LiFePO4). Zehnmal pro Sekunde überprüft das Batterie-Management-System die Spannung, den Strom und die Temperatur jeder einzelnen Akku-Zelle eines der Stromspeicher. Der Speicher hat 6 Sicherheitsschütze, 1 Hauptschütz und 5 Ebenenschütze. Die engmaschige Abfrage der Systemparameter soll zusätzlich zur Batterietechnologie nicht nur hohe Sicherheit durch kontinuierliches Zell-Monitoring bieten, sondern auch der Wartung und Pflege dienen. Das Batterie-Management-System verschickt binnen Millisekunden Warnmeldungen und leitet selbstständig Gegenmaßnahmen ein.
Gewerbe-Stromspeicher stehen für hohe Kapazität und Leistung, weshalb Hersteller hier eine besondere Verantwortung haben, Mensch und Material zu schützen. Aus diesem Grund können die Türen der Stromspeicher nur von befugtem Personal geöffnet werden und sie sind zusätzlich mit einem Türkontakt gesichert, der die Speicher beim Öffnen stromlos schaltet. Das Gleiche geschieht im Falle einer Überflutung. Obwohl alle Standorte vor der Installation auf Sicherheit geprüft werden, gibt es diverse äußere Umstände, wie z. B. Klimaveränderung und Starkregenereignisse, auf die Planer bzw. Hersteller keinen Einfluss hat.
Thema Foliendächer
Last but not least ist das Projekt auch beispielhaft für viele bzgl. der baulichen Ausgangssituation. Es sind meist Gewerbehallen mit Foliendächern, (umgangssprachlich) Flachdächern. Photovoltaikanlagen auf Foliendächern werden klassischerweise mit einer ballastierten Unterkonstruktion belegt. Der Vorteil besteht darin, dass die Foliendächer unbeschädigt bleiben, während der Nachteil darin liegt, dass die Gebäudestatik das zusätzliche Gewicht des Ballasts auffangen muss.
Dies hätte im vorliegenden Fall bis zu einer Dachneigung von 5° funktioniert, jedoch handelt es sich bei dem Gebäude der WIMA um ein Foliendach mit 8° Neigung. Deshalb wurden zusätzlich Montagefüße mit fester Verbindung zur Dachkonstruktion eingeplant. Die Montagefüße wurden von einer auf Foliendächer spezialisierten Dachdeckerei installiert, mit einer Folie abgedeckt und mit dem Foliendach witterungssicher verbunden. Der Oberbau wurde vom Powertrust-Team mit drei tragenden UK-Schienen ausgeführt, auf denen das Ost-West-System montiert und der Ballast aufgebracht wurde.
tab fragt nach
Mit unserem „tab fragt nach“ wollen wir Aspekte vertiefen. Unsere Fragen zielen auf die Themen Speicherkapazität, Wirtschaftlichkeitsberechnung und Batterietechnik/-sicherheit. Die Antworten dazu kommen von Jens Dräger, CEO der Powertrust GmbH.
tab: Die Planer statteten das Energiesystem mit einer Netto-Speicherkapazität von 320 kWh (400 kWh Brutto) aus. Bitte erläutern Sie doch kurz den Zusammenhang zwischen Brutto und Netto und warum hier unterschieden werden muss.
Jens Dräger: Die Bruttokapazität beschreibt die gesamte speicherbare Energie einer Batterie, während die Nettokapazität die tatsächlich verfügbare Energie ist, die unter Berücksichtigung von Verlusten und Sicherheitsreserven genutzt werden kann. Dieser Unterschied ist wichtig für die Bewertung der Batterie-
leistung und -effizienz sowie für die praktische Anwendung und Lebensdauer der Batterie.
tab: Im WIMA-Projekt wurde berechnet und es hat sich ergeben, dass die vollständige Nutzung des Eigenstroms wirtschaftlicher ist, als Teile davon ins Netz einzuspeisen. Können Sie dazu ein paar Zahlen aus den Berechnungen liefern, wo der Schwellenwert lag und welche Rolle dabei insbesondere das Thema Spitzenlastkappung spielt?
Jens Dräger: Ohne PV-Anlage und Speicher hatte WIMA im Jahr 2023 einen Nettostrompreis von ca. 22 ct/kWh (inkl. Steuern, Netzentgelten und der Energie). Die Einspeisevergütung einer Volleinspeiseanlage in dieser Größenordnung (ca. 390 kWp) liegt bei knapp unter 10 ct/kWh. Die Verdrängung des Netzbezugs durch Eigenerzeugung hat also einen Kostenvorteil von ca. 12 ct/kWh. Konkret sinkt der Strompreis des Kunden in der Gesamtbetrachtung inkl. PV-Anlage und Speichernutzung auf ca. 16 ct/kWh. Dabei ist auch die Direktvermarktung des nicht selbst verbrauchten Stroms berücksichtigt. In Summe liegt die Einsparung bei rd. 35.000 €/a. Das Thema Spitzenlastkappung war ursprünglich der Anreiz für die Installation der Erzeugungs- und Speicheranlage. Die Voraussetzungen haben sich zwischen 2020 und 2023 aber grundlegend verändert. Der Leistungsbedarf des Kunden hat sich in den 3 Jahren mehr als verdoppelt, dabei ist der Verbrauch aber eher leicht gesunken. Das heißt, das Stromnutzungsprofil hat sich gewandelt – und dementsprechend auch die Einordnung des Netznutzungstarifs. Hinzu kommt die Zusammenlegung zweier Netzbetreiber (ENSO und Drewag Netz zu SachsenNetze) und die Neuberechnung der Netzentgelte. Im Jahr 2020 lag der anzulegende Leistungspreis bei 118,79 €/kW – im Jahr 2023 nur noch bei 25,80 €/kW. Das Potential der Einsparung, z. B. bei Kappung von 100 kW, reduzierte sich so um fast 10.000 € auf nur noch ca. 2.500 € pro Jahr. Dementsprechend ist der Kostenvorteil bei der Eigenverbrauchsoptimierung durch die gestiegenen Gesamtkosten bei der Energie deutlich höher zu bewerten.
tab: Zwei Fragen zur Technik in einer: Das Management-System überprüft relevante Werte zehnmal pro Sekunde. Dieser Wert scheint unglaublich häufig. Ist das eine Notwendigkeit und wenn, warum? Außerdem war von der C-Rate die Rede. Würden Sie dazu mehr technische Hintergrundinformationen ausführen, welche Rolle die C-Rate bei der Speichertechnologie einnimmt und wie das qualitativ am Ende zu bewerten ist?
Jens Dräger: Wenn man den Anspruch an sich selbst stellt den sichersten Batteriespeicher auf den Markt zu bringen, dann ist eine BMS, die jede einzelne Zelle 10-mal pro Sekunde prüft, eine Notwendigkeit. Viele Menschen lesen nur die Schlagzeilen von explodierenden oder brennenden Batteriespeichern und lassen sich von diesen Beiträgen verunsichern. Batteriespeicher sind aber ein äußerst wichtiger Teil, die Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen und in der Realität deutlich sicherer als es die Presse vermuten lässt. Bei Powertrust steht das Thema Sicherheit an erster Stelle. Unsere Kunden müssen sich sicher und gut fühlen, wenn unser Speicher bei ihnen auf dem Gelände steht. Höhere C-Raten ermöglichen in der Regel eine höhere Leistungsabgabe, können jedoch die Batteriezellen stärker belasten und so langfristig zu einer schnelleren Verschlechterung der Batteriegesundheit führen. Deshalb ist es entscheidend, eine Batterie mit einer passenden C-Rate auszuwählen, die auf die kundenspezifische Anwendung abgestimmt ist. Eine verallgemeinernde Aussage, welcher C-Wert gut ist oder nicht, kann deswegen nicht pauschal getroffen werden.
