Der Energie- und Zukunftsspeicher

MSR-Technik ermöglicht flexibles Beladungsmanagement

Für Städte und Ballungszentren ist der Energie- und Zukunftsspeicher Heidelberg ein Modell zur Flexibilisierung des Energiesystems. 12.800 m3 Wasser aus dem Fernwärmenetz mit einer Temperatur von bis zu 115 °C werden hier zwischengelagert und zur Versorgung der Anschlussnehmer eingesetzt, wenn es energiewirtschaftlich sinnvoll ist. Die Anlagensteuerung für das Laden und Entladen des Speichers sowie die Kopplung mit dem Fernwärmenetz ist komplex. Als Teil der Versorgungsinfrastruktur muss sie hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen.

Für das Beladungsmanagement haben die Stadtwerke Heidelberg einen erfahrenen Partner gefunden. Die gesamte MSR-Technik wurde von der PGA Gesellschaft für Prozess- und Gebäudeautomatisierungstechnik mbH ausgeführt. Die ersten Erfahrungen während der Inbetriebnahme haben gezeigt, dass der Energie- und Zukunftsspeicher sehr gut dafür geeignet ist, Kältespitzen durch Wärme aus erneuerbaren Energien abzufahren.

Energie- und Zukunfts-speicher Heidelberg

Der 55 m hohe Energie- und Zukunftsspeicher im Heidelberger Stadtteil Pfaffengrund ist ein weithin sichtbares Zeichen für den Umbau des Energiesystems in Heidelberg. Die Anlage funktioniert wie eine riesige Thermoskanne: Sie speichert heißes Wasser aus dem Fernwärmenetz und bildet damit einen Puffer im Versorgungssystem. Zudem ermöglicht sie, dass an besonders wind- oder sonnenreichen Tagen Strom aus Windkraft und Photovoltaik mit einer Power-to-Heat-Anlage in Wärme umgewandelt und zwischengespeichert werden kann.

Der Energiespeicher wird in mehreren Phasen realisiert. Der Anschluss an das Fernwärmenetz fand 2019 statt. 2020 war das Jahr der Testläufe und der Ausrüstung des Technikgebäudes. Die Power-to-Heat-Anlage wurde installiert, ebenso eine Kältezentrale für die Versorgung der Stadtwerke Heidelberg am Standort Pfaffengrund und deren Nachbarn. Mit den technischen Inbetriebnahmen im Laufe des Jahres 2021 werden alle funktionalen Gewerke fertiggestellt. Vollendet wird der Energie- und Zukunftsspeicher 2022, wenn der Dachaufbau mit einer dekorativen Krone und der Einrichtung eines Dachrestaurants abgeschlossen ist.


Anspruchsvolle Automatisierungstechnik und Versorgungssicherheit

Die Regelungs- und Automationsalgorithmen im Energie- und Zukunftsspeicher Heidelberg sind anspruchsvoll, müssen sie doch zahlreiche Anlagen, verschiedene Energiesituationen und Versorgungsvorgaben unter einen Hut bringen. Das Gesamtsystem soll jederzeit die Wärmemenge bereitstellen, die von den Stadtwerken Heidelberg als Energieversorger benötigt wird. Um den Füllstand in dem an sich drucklosen Speicher konstant zu halten, werden, abhängig vom Netzdruck und der Betriebsart, die Be- und Entladepumpen mit den dazugehörigen Regelventilen aktiv.

Rund 75 % der Fernwärme in Heidelberg kommen aus Mannheim aus einem Kraft-Wärme-Kopplungs-Kraftwerk sowie zu einem weiteren Teil aus einer Anlage zur thermischen Abfallverwertung. Rund 25 % erzeugen die Heidelberger in einem Holz-Heizkraftwerk sowie in mehreren Biomethan- und Erdgas-Blockheizkraftwerken selbst. Durch unterschiedliche Fahrweisen im Sommer und im Winter wird der Anlagenbetrieb jahreszeitlich optimiert. Die Anlagen in Heidelberg decken die Grundlast: Im Sommer sinkt damit der Anteil aus Mannheim deutlich.

Die Power-to-Heat-Anlage mit einer Leistung von 2 MW kommt zum Einsatz, wenn günstige elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Diese Anlage wandelt grünen Strom aus Wind- und Photovoltaikanlagen in grüne Wärme um. Somit kann diese Energie auch in Zeiten eines erhöhten Angebots an Strom aus erneuerbaren Energien in das Energiesystem integriert werden. Dank der von PGA ausgeführten Automatisierungslösung wird der Elektrodenkessel zur zentralen Komponente des Power-to-Heat-Systems, das die Sektorenkopplung voranbringt.

Besondere Anforderungen an die Automatisierungslösung stellt der Betreiber im Hinblick auf die Versorgungssicherheit. Als zentrale Komponente des Energiespeichers ist die Steuerung ein Teil der öffentlichen Energieversorgung. Die „Intelligenz“ der Anlagen muss jederzeit funktionieren, die Funktion des Energiespeichers ist rund um die Uhr an 365 Tagen des Jahres zu gewährleisten. Entsprechend hoch ist die Sicherheitsanforderungsstufe nach EN 61508. Für die Automatisierungslösung des Energiespeichers ist sie auf den Safety Integrity Level (SIL) 3 festgelegt. Ab dieser Stufe muss die Sicherheit von einem unabhängigen Dritten zertifiziert werden.


Lösungen für die betriebssichere Anlagensteuerung

Um die hohen Anforderungen an die Anlagensteuerung und Automatisierungstechnik zu erfüllen, beauftragten die Stadtwerke Heidelberg mit der PGA einen erfahrenen Systemintegrator. Die PGA mit Sitz in Sinsheim brachte nicht nur 20 Jahre Erfahrung in der Prozess- und Gebäudeautomatisierung mit, sondern auch Referenzen aus Sicherheitsbereichen von Kraftwerken, Flughäfen und Industrieunternehmen. Mit diesem komplexen Know-how war die PGA der Partner, der das Energiespeicher-Team optimal unterstützen konnte.

Der Startschuss zur Ausführung der MSR-Technik durch die PGA fiel Anfang 2019. Die fünf wesentlichen von PGA gelieferten Automatisierungssysteme umfassen

- die sicherheitsgerichtete SPS-Automatisierungslösung zur Steuerung und Regelung des Energiespeichers, der Kessel, aller Pumpen, Regelventile und Klappen,
- die übergeordnete Zentralsteuerung für die Koordination des Datenaustauschs zur Verbundleitstelle und sonstigen übergeordneten externen Anlagen,
- die Pumpensteuerungen im Technikgebäude,
- die Automatisierungssysteme für Kälteversorgung, Lüftungsanlagen und Nebenaggregate,
- das SCADA-System zur Steuerung und Überwachung der Gesamtanlage.

Herzstück des Energie- und Zukunftsspeichers

Die geforderten Vorgaben an die Sicherheit und Sicherheitsfunktionen der Steuerung erfüllte die PGA mühelos. Die sicherheitsrelevante SPS-Steuerung hatte die PGA gemeinsam mit dem Planer und Auftraggeber nach den Vorgaben des TÜV Süd realisiert. Die erforderlichen Nachweise der Sicherheitsfunktionen, Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit nach SIL 3 wurden erbracht und bestätigt.

Heiko Faulhammer, der Technische Geschäftsführer der Stadtwerke Heidelberg Umwelt, ist mit dem Beitrag der PGA zur Energiewende in Heidelberg sehr zufrieden: „Die Anlagensteuerung ist das Herzstück des Energie- und Zukunftsspeichers. Wegen höchster Anforderungen an die Automatisierungstechnik benötigten wir für die Ausführung einen erfahrenen Partner. Die Erfahrung der PGA konnte uns überzeugen. Für alle Aufgaben hat sie vorbildliche Lösungen geschaffen.“

Im Frühjahr 2021 wurde die technische Inbetriebnahme abgeschlossen. PGA hat mit der Automatisierung zur Anlagensteuerung im Energie- und Zukunftsspeicher Heidelberg alle Anforderungen erfüllt und in der geplanten Zeit umgesetzt. Für das komplexe Energiemanagementsystem realisierte die PGA das automatisierte Management, das zur Sektorenkopplung und zur Flexibilisierung der Energiesysteme beiträgt.

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