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Optimierter Betrieb von Wärmeerzeugungsanlagen

Bevor wir auf die Charakteristiken und Unterschiede der einzelnen Anlagen sowie den optimierten Anlagenbetrieb zur Wärmeerzeugung eingehen, richtet sich unser Blick auf den Wärmebedarf und die Strompreise, die den Betrieb unserer Anlagen maßgeblich beeinflussen.

Abb. 1: Fernwärmebedarf Flensburg, Quelle: Stadtwerke Flensburg GmbH

Abbildung 1 zeigt den beispielhaften Verlauf des Wärmebedarfs an zwei aufeinanderfolgenden Wintertagen. Der Wärmebedarf ist nicht konstant und unterliegt starken Schwankungen. In den frühen Morgenstunden sowie in den Abendstunden sind Nachfragespitze auszumachen. Tagsüber nimmt der Bedarf ab und in den Nachtstunden ist er am niedrigsten. Sowohl im Jahresverlauf als auch innerhalb einer Woche weist die Fernwärmenachfrage signifikante Unterschiede auf. So unterscheiden sich beispielsweise nicht nur Winter- und Sommertage erheblich voneinander. Wochen-, Sonn- oder Feiertage haben ebenfalls andere Tagesverläufe. Wir müssen nicht nur die absoluten Wärmemengen berücksichtigen, sondern auch die Zeiten mit dem höchsten Wärmebedarf.

 

Welche Rolle spielt der Strompreis bei der Wärmeversorgung?

Abb. 2: Strompreis, Quelle: Stadtwerke Flensburg GmbH

Obwohl der im Vorwege vorgestellte Fernwärmebedarf mit höchster Priorität bedient und bereitgestellt wird, spielt auch der Strompreis eine entscheidende Rolle für den optimierten Anlagenbetrieb. Der Strompreis weist eine stark fluktuierende Charakteristik im Tagesverlauf auf. Jede Stunde hat einen eigenen Preis. Auch beim Strompreisverlauf sind morgens und abends Spitzen zu erkennen. Durch die erhöhte Produktion aus erneuerbaren Energiequellen sinkt der Preis im Laufe des Tages häufig. In der Nacht ist die Stromnachfrage am niedrigsten, was sich wiederum im Strompreisniveau wiederspiegelt. So ist es keine Seltenheit, dass sich der Strompreis innerhalb von 24 Stunden um mehr als 30 Euro/MWh unterscheidet. Die Schwankungen im Strompreis werden durch den wachsenden Einfluss erneuerbarer Energien stark beeinflusst.

Im Kraft-Wärme-Kopplungsprozess (KWK) wird neben der Wärme gleichzeitig Strom produziert. Dieser kann zu dem jeweiligen Marktpreis an der Strombörse, dem sogenannten Spotmarkt, veräußert werden. Je höher der Strompreis am Spotmarkt, desto höher fallen die Erlöse aus. Vereinfacht gesagt, ist es immer dann besonders wirtschaftlich viel Wärme und Strom zu produzieren, wenn der Strompreis hoch ist. Umgekehrt ist die gekoppelte Produktion von Wärme und Strom bei niedrigen oder sogar negativen Strompreisen am kostenintensivsten.

 

Ist eine Entkopplung von Wärmebedarf und Produktion möglich?

An vielen Tagen liegen die Nachfragespitzen für Wärme und Strom, die sogenannten „Peaks“, im gleichen Zeitraum. Aus wirtschaftlichen Gründen und um den Bedarf zu decken, streben wir eine hohe Produktion an.

Wie verhält es sich jedoch, wenn die höchste Wärmenachfrage in niedrigen Strompreisstunden auftritt oder die besten Strompreisstunden in Zeiten liegen, in denen die Wärmenachfrage minimal ist? Die Lösung für diese Herausforderung ist ein Speicher für thermische Energie.

Abb. 3: Wärmespeicher der Stadtwerke Flensburg GmbH, Quelle: Stadtwerke Flensburg GmbH

Mithilfe eines solchen Wärmespeichers entkoppeln wir Wärmeproduktion und Bedarf zeitlich voneinander. Das bedeutet, dass wir Zeiten mit hohen Strompreisen neben dem regulären Wärmebedarf auch zusätzliche Wärme erzeugen, um einen Speicher zu beladen. Die erhöhte Strommenge verkaufen wir am Spotmarkt zu einem guten Preis. Umgekehrt minimieren wir in Stunden mit besonders niedrigen oder sogar negativen Strompreisen die gekoppelte Produktion. Zu diesen Zeiten stellen wir die Differenz aus Produktion und Bedarf aus dem Wärmespeicher und entladen diesen.

Durch die Entkoppelung von Produktion und Bedarf ist es möglich, die Wärmenachfrage jederzeit sicher und zuverlässig bereitzustellen. So ist eine wirtschaftliche Optimierung der Anlagenfahrweise möglich, ohne dabei die Versorgung zu gefährden.

 

Wie können verschiedenen Erzeugungsanlagen verglichen werden?

Die Anlagen der Stadtwerke Flensburg unterscheiden sich erheblich voneinander, beispielsweise beim eingesetzten Brennstoff oder der anteiligen Wärme- und Stromerzeugung. Je höher die anteilige Stromproduktion einer Erzeugungsanlage, desto stärker hängt der wirtschaftliche Betrieb vom Strompreis ab. Umgekehrt sind hingegen Spitzenlastanlagen mit ausschließlich thermischer Erzeugung komplett unabhängig vom Strompreis.

Um die einzelnen Erzeugungsanlagen miteinander vergleichen und eine kostenoptimierte Einsatzplanung umsetzen zu können, berechnen wir für jede Anlage im Heizkraftwerk (HKW) Flensburg stundenscharf die sogenannten Wärmegestehungskosten (WGK). Diese Kosten fallen für die Erzeugung einer MWh Wärme an. Hierfür verrechnen wir die Kosten für den eingesetzten Brennstoff mit den Stromerlösen. Da jede Stunde ihren eigenen Strompreis hat, variieren die Wärmegestehungskosten von Stunde zu Stunde in Abhängigkeit vom Strompreis.

Damit die Kalkulation der Wärmegestehungskosten und die einhergehende Einsatzoptimierung der Anlagen möglichst aktuell sind, lesen wir täglich neue Strompreise sowie die tagesaktuellen Brennstoffpreise ein. Außerdem berücksichtigen wir Entwicklungen auf den unterschiedlichen Märkten in der Einsatzplanung.

 

Wie verhalten sich Wärmegestehungskosten bei unterschiedlichen Strompreisen?

Abb. 4: Wärmegestehungskosten Kohle und Erdgas im Vergleich, Quelle: Stadtwerke Flensburg GmbH

Abbildung 4 zeigt beispielhaft den Verlauf der Wärmegestehungskosten (y-Achse) von zwei verschiedenen Erzeugungsanlagen in Abhängigkeit zum Strompreis (x‑Achse) auf. Die orangene Linie zeigt den Verlauf der Wärmgestehungskosten einer gasbetriebenen Anlage und die schwarze Linie die einer Kohleanlage.

Bei niedrigen Strompreisen sind die Wärmegestehungskosten beider Anlagen hoch und weisen einen fallenden Verlauf bei steigenden Strompreisen auf. Die Wärmegestehungskosten der Gasanlage liegen bei niedrigen Strompreisen über den Kosten des Kohlekessels, da der Brennstoff Gas in diesem Beispiel teurer als Kohle ist. Zusätzlich bewegen sich die Stromerlöse, die dem Brennstoffeinsatz gegenüberstehen, lediglich auf einem schwachen Niveau. Da die anteilige Stromproduktion bei der Gasanlage jedoch deutlich höher ist als beim Kohlekessel, fallen im weiteren Verlauf die steigenden Stromerlöse sehr viel stärker ins Gewicht. Hierdurch nimmt die orangene Linie der Erdgasanlage einen steileren Verlauf als die schwarze Linie des Kohlekessels. Wo die Linien sich überschneiden, sind die Wärmegestehungskosten der beiden Anlagen genau gleich. Dieser Strompreis wird als „Grenzpreis“ bezeichnet. Bei Strompreisen über dem Grenzpreis wird die Gasanlage wirtschaftlicher als der Kohlekessel. Umgekehrt, ist der Kohlekessel bei Strompreisen unterhalb des Grenzpreises im Vorteil.

Für die optimale Einsatzplanung der Anlagen zur Wärme- und Stromerzeugung berechnen wir die Wärmegestehungskosten auf Basis der tagesaktuellen Brennstoff- und Strompreise. In Abhängigkeit von der Einsatzreihenfolge der verschiedenen Erzeugungsanlagen gilt es dann, den jeweils abzuschätzenden Wärmebedarf kostenoptimiert bereitzustellen.

 

Fallbeispiel: Einsatzplanung im Dezember 2018

 

Abb. 5: Strompreisoptimierte Fahrweise im Winter 2018, Quelle: Stadtwerke Flensburg GmbH

Abbildung 5 zeigt beispielhaft die strompreisorientierte Fahrweise vom Heizkraftwerk Flensburg für den Zeitraum vom 12.12.2018 bis 13.12.2018 auf Stundenbasis. Hierbei wird ersichtlich, dass sich die in blauen Balken dargestellte Wärmeproduktion nicht unmittelbar an der roten Linie des Fernwärmebedarfs der Stadt Flensburg orientiert. Viel mehr richtet sich die Fahrweise des Kraftwerks nach den in orange dargestellten variierenden Strompreisen. Deshalb ist die Produktion in Zeiten hoher Strompreise (Tagesstunden) auch höher als in Zeiten niedriger Strompreise (Nachtstunden). Die Wärmeproduktion geht in den Tagesstunden über den Fernwärmebedarf hinaus, wohingegen die Produktion in den Nachtstunden unter dem Wärmebedarf der Stadt liegt. Bei Überproduktion beladen wir den Wärmespeicher (grüne Linie) und entladen ihn anschließend nachts wieder. So nutzen wir beispielsweise eine hochflexible, gasbetriebene Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage dazu, die höchsten Strompreisstunden abzufahren, indem wir sie täglich morgens starten und abends wieder abfahren.

War die gasbetriebene Anlage zunächst nur als Spitzenlastanlage geplant, setzen wir sie tatsächlich im Zusammenspiel mit den Steinkohlekesseln auch als Grundlastanlage ein. In Abhängigkeit von der Situation auf den Brennstoff- und Strommärkten kann die gasbefeuerte Anlage einen Kohlekessel ersetzen und zeitgleich die Gesamtwirtschaftlichkeit erhöhen. Unter gewissen Umständen ist der Betrieb der Gasanlage günstiger als die alternative Erzeugung durch einen Kohlekessel.

Die flexible Einsatzplanung hatte beispielsweise zur Folge, dass in den Sommermonaten der Jahre 2017, 2018 und 2019 zum ersten Mal in der Geschichte der Stadtwerke Flensburg statt der Kohlekessel ausschließlich eine gasbetriebene Anlage in Betrieb war.

 

Thomas Heß

Kraftwerkseinsatzplaner

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