Regenerativer Strom für ein Klinikum

Inhalt der Untersuchung

In einem Klinikum zur medizinischen Grundversorgung mit 430 Belegungsbetten wurden zur Minimierung der Strombezugskosten bereits erste Effizienzmaßnahmen umgesetzt. Dazu wurde im Jahr 2007 ein BHKW mit einer elektrischen Leistung von 240 kW zur Eigenstromerzeugung installiert. Um den erheblichen Anteil der Stromkosten anteilig zu senken, wurden seitens des Klinikums Überlegungen angestellt, den Anteil der regenerativen Eigenstromerzeugung zu erhöhen. Hierzu wurde als erster Schritt die Installation einer Photovoltaikanlage auf der Dachfläche des Gebäudes 1 lokalisiert. In diesem Kontext wurde die Potthoff GmbH beauftragt, technisch und betriebswirtschaftlich zu untersuchen, ob die Installation einer Photovoltaikanlage sinnhaft ist. Wenn ja, so ist es beabsichtigt, die Nutzung der regenerativen Stromerzeugung auszubauen.

Beschreibung der bestehenden Örtlichkeiten

Im Rahmen einer Vor-Ort-Begehung wurde die Bestands­situation aufgenommen.

Gebäude/Dachfläche:

Bei dem Gebäude 1 handelt es sich um einen Neubau, der im Jahr 2014 fertiggestellt wurde. Somit bestehen nach Rücksprache mit den Fachgremien keine Restriktionen bzgl. der Dachstatik und des baulichen Brandschutzes.

Das Dach ist ein Flachdach mit Attika, das mit einer Kiesschicht bedeckt ist. Die Dachfläche beträgt ca. L x B = 42 x 20 m. Auf dem Dach befinden sich Aufbauten wie die Außenluftansaug- und die Fortlufttürme, Kühler und eine Wetterstation.

Das Gebäude 1 ist mit einer Blitzschutzanlage, die nach Klasse II errichtet wurde, ausgerüstet.

Netzanbindung

Die Netzanbindung an das öffentliche Stromnetz erfolgt über eine Transformator- und Mittelspannungsanlage mit der Spannung 10 kV/0,4 kV. Die räumliche Anbindung der Photovoltaikanlage ist in einer Niederspannungsunterverteilung (NSUV) innerhalb des Gebäudes 1 möglich. Die NSUV wird von der zentralen Nie­der­span­nungs­haupt­ver­tei­lung (NSHV) gespeist. Die versorgenden zwei Stromkabel haben jeweils den Querschnitt 70 mm². Die Installation der Wechselrichter ist in der unterhalb des Daches befindliche Lüftungszentrale möglich.

Von den Wechselrichtern ausgehend bis in das KG des Gebäudes 1 wurde ein Weg auf zum größtenteils Bestandskabelwannen bis zur NSUV lokalisiert. Die Verkabelung zwischen der Transformator- und Mittelspannungsschaltanlage sowie der NSUV erfolgt ebenso über vorhandene Kabelwannen. Für die Erweiterung der vorhandenen NSUV zur Einbindung der Photovoltaikanlage ist genügend Platz vorhanden.

Analyse des Strombezugs

Der Strombezug, bezogen auf das Referenzjahr 2017, sowie die maximale elektrische Leistung des Klinikums, sind in Bild 1 enthalten. Es wurden die viertelstündlichen Messwerte als Jahresdauerlinie ausgewertet. Da ein vorhandenes BHKW den Strom innerhalb des Klinikums einspeist, wurde der erzeugte Strom bei Erstellung der Jahresdauerlinie berücksichtigt. In Tabelle 1 sind die Daten des Strombezugs enthalten.

Konzeption der Photovoltaikanlage

Auf Basis der übergebenen Baupläne des Gebäudes 1 wurde das Dach mit einer Simulationssoftware nachgebildet; die zuvor beschriebenen Dachaufbauten wurden dabei berücksichtigt.Der Blitzschutz ist unter Berücksichtigung der Einbindung der Photovoltaikanlage anteilig zu erneuern. Dies bedeutet, dass der vorhandene Blitzschutz auf der Dachfläche zu demontieren und der neue Blitzschutz in Form von Fangstangen neu zu installieren ist. Die auf der Attika vorhandenen sowie die senkrechten Ableitungen vom Dach können weitergenutzt werden. Daraus ergibt sich die nutzbare Fläche für die Aufstellung der Photovoltaikmodule (Bild 2).

Ein weiteres, wesentliches Kriterium ist die Ausrichtung der Module. Mithilfe der Simulationssoftware wurde der Solarertrag für eine Süd- und eine Ost-West-Ausrichtung untersucht. Das Ergebnis war, dass die Photovoltaikmodule mit Ost-West-Ausrichtung die höchsten Solarerträge erbringen, da so eine höhere Belegung der Dachfläche ermöglicht wird.

Photovoltaikmodule

Bei der Auswahl der Photovoltaikmodule wurden zwei Typen (Varianten) berücksichtigt. Mit der Simulationssoftware wurde dabei ein polykristallines mit einem monokristallinen Photovoltaikmodul verglichen. Der Vergleich ist von Bedeutung, um ein Optimum zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit der Module zu ermitteln:

In Bild 3 ist beispielhaft eine Zuordnung der Zellen zu den Bypass-Dioden dargestellt. Die Darstellung zeigt, dass bei Verschattung einer Zelle oder eines Zellenbereiches der Stromfluss über die zugeordnete Diode geführt wird und das Modul so nur einen Teil seiner Leistung einbüßt. In Tabelle 2 sind die Kenndaten der betrachteten Module aufgetragen.

Ein ganz wesentlicher Aspekt ist die Prüfung einer möglichen Verschattung der Module. Werden Module verschattet, so führt dies zu Sperrspannungen oder Rückströmen. Im Letzteren fließt der Strom entgegengesetzt zum normal fließenden Strom (Photostrom). Dies führt zu einer Reduzierung des Maximum Power Point (MPP) des Strings.

Wie zuvor beschrieben, wird durch die Zuordnung der Zellen zu den Bypass-Dioden obiger Sachverhalt teilweise eliminiert. Ein Komplettausfall eines Photovoltaikmoduls, im Fall einer Teilverschattung, wird dadurch vermieden.

Zur Vermeidung der Verluste durch Verschattung wurde die Dachfläche in Abhängigkeit der Nachbarbebauung und der Sonnenbahn mit der Simulationssoftware einer Verschattungsanalyse unterzogen. Die Eigen­verschattung wurde dabei beachtet.

Wechselrichter

Bei der Auswahl des Wechselrichters wurden  drei verschiedene Modelle berücksichtigt, deren Kenndaten in Tabelle 3 aufgeführt sind. Unter den Kriterien wie Lieferumfang, Wirkungsgrad und Preis wurde sich für den Wechselrichtertyp „Sun2000-33KTL-A“ entschieden.

Zusätzlich zeichnet sich der gewählte Wechselrichtertyp durch einen hohen Wirkungsrad über die Leistung aus, und ist zusätzlich mit einem Wechselstrom-Überspannungsschutz serienmäßig ausgerüstet.

Die Auslegung des Wechselrichters erfolgt unter Berücksichtigung des Auslegungsfaktors, gemäß Formel (1) :

SR_AC = P_STC / P_{AC_N}⇥GL (1)

Der Auslegungsfaktor sollte zwischen 1,0 bis max. 1,1 betragen, um Momentanwerte der Einstrahlung im Sekundenbereich zu erfassen und um die Energieerträge nicht zu reduzieren. Mit obigem Ansatz wird vermieden , dass die Wechselrichter, bezogen auf ein Jahr, so gering wie möglich nicht im Überlastbetrieb arbeiten, in denen ein Abfall des Wirkungsgrades stattfindet [2].

Eine weitere Größe zur Auslegung des Wechselrichters ist die maximale zulässige Spannung je String des Wechselrichters, gemäß Formel (2):

N_max,UMPP = U_max,MPP / U_{MPP,Modul, -10 / + 70 °C ⇥}GL (2)

Somit wird der Wechselrichter im besten Arbeitspunkt bei -10 °C und im schlechtesten Arbeitspunkt bei + 70 °C ausgelegt und die min. und max. zulässig anschließbare Anzahl an Photovoltaikmodulen ermittelt. [2]

Die zuvor aufgeführten Rahmenbedingungen werden zur Auslegung des Wechselrichtres in der Simulationssoftware berücksichtigt.  

Netzanschluss

Wechselrichter müssen bestimmte technische Anforderungen erfüllen, um an das Stromversorgungsnetz angeschlossen werden zu dürfen. Die Photovoltaikanlage wird netzparallel zum Stromversorgungsnetz betrieben.

Mittelspannungsrichtlinie

Wie bereits beschrieben wird das Klinikum über zwei 10-kV-Ringleitungen und eine zentrale Mittelspannungsschaltanlage mit nachgelagertem Transformator versorgt.

Der Anschlusspunkt der Photovoltaikanlage befindet sich mit Absprache des Netzbetreibers auf der Mittelspannungsebene, sodass die Anforderungen der Mittelspannungsrichtlinie einzuhalten sind. Für die Einhaltung ist eine Entkupplungsschutzeinrichtung am Übergabepunkt vorzusehen.

Aufgabe der Entkupplungsschutzeinrichtung ist es, zum Schutz der Photovoltaikanlage, bei gestörten Betriebszuständen innerhalb des öffentlichen Stromversorgungsnetzes, wie z.B. Netzfehler, Inselnetzbildung etc., diese vom Netz sicher zu trennen.

Dies bedeutet, dass die Netzkriterien am Anschlusspunkt wie:

zu überwachen sind und bei Abweichung auf einen Kuppelschalter wirken.

Für die Umsetzung der zuvor beschriebenen Netzschutzfunktionen werden zus. eichfähige Wandler nach Maßgabe des Netzbetreibers installiert, die auf ein Relais zur Auswertung der Netzkriterien wirken. Das Relais wertet die gemessenen Netzkriterien aus und löst bei Über- oder Unterschreiten der zulässigen Werte den Kuppelschalter aus.

Der Kuppelschalter ist in einem neuen Stromkreisverteiler und Zählplatz zentral in der NSUV im Gebäude 1 installiert.

Niederspannungsschutz (Anlagenschutz)

Auf der Niederspannungsseite ist ein Netz- und Anlagenschutz nach VDE-AR-N 4105 (NA) gefordert. Mit einer Scheinleistung von > 30 kVA ist dieser zentral auszuführen.

Dies bedeutet, dass die Netzkriterien am Anschlusspunkt wie:

zu überwachen sind und bei Abweichung auf zwei in Reihe geschaltete Schalteinrichtungen (Kuppelschalter) wirken.

Der zentrale NA-Schutz ist am zentralen Zählerplatz abzugreifen. Bedingt durch die Netzform TT sind RCD-Einrichtungen (Kurzschluss, Überlastschutz, und Schutz vor elektrischem Schlag) zu berücksichtigen. Der Kuppelschalter ist auch hier in dem neuen Stromkreisverteiler und Zählplatz zentral in der NSUV im Gebäude 1 vorgesehen.

Da nicht sichergestellt werden kann, dass der gesamte Photovoltaikstrom innerhalb des Gebäudes 1 genutzt wird, wurde geprüft, ob der gesamt erzeugte Photovoltaikstrom über die Bestandsleitungen weiter in das Klinikum transportiert werden kann. Dies ist möglich.

Der Netzbetreiber ist berechtigt, in Abhängigkeit seiner Netzkriterien die Photovoltaikanlage abzuregeln. Dieses erfolgt mit einer Tonfrequenz-Rundsteuerung (TRA). Hierzu wurde ein Rundsteuergerät mit einem Empfänger in dem Schaltschrank, in dem die Wechselrichter untergebracht sind, vorgesehen.

In Bild 4 ist die Photovoltaikanlage mit den zuvor beschrieben Anlagenkomponenten funktional dargestellt.

Kenndaten der Photovoltaikanlage

Die in der Tabelle 4 aufgeführten Daten wurden mit der Simulationssoftware für jede Variante ermittelt und sind Basis für die Wirtschaftlichkeitsberechnung. Bild 5 zeigt den anteilig erzeugten Photovoltaikstrom für das Gebäude 1. Bei der Berechnung der in Tabelle 4 enthaltenen Daten wurden die Gesamtverluste der Photovoltaikanlage, sowie der lineare Leistungsverlust über 20 Jahre berücksichtigt. Der erzeugte Photovoltaikstrom wird insgesamt eigen verbraucht.

Darüber hinaus wurde eine Betrachtung vorgenommen, welches das Gesamtpotential an Photovoltaikstrom, bezogen auf die Dachflächen des gesamten Klinikums, erzielt werden könnte.

Ausblick für den Ausbau

regenerativer Eigenstromerzeugung

Wie aus Bild 5 ersichtlich wird, kann der Strombedarf unter konservativem Ansatz zu ca. 17 % mit Photovoltaikstrom, also regenerativ, gedeckt werden. Voraussetzung hierfür ist die Installation von erheblichen Speicherkapazitäten.

In diesem Segment ist derzeit eine starke Weiterentwicklung von Speicherkonzepten feststellbar. So werden derzeit z.B. Stromspeicher-Gesamtkonzepte (Second-Use-Speicher) mit der Autoindustrie, entwickelt.

Insbesondere sind derzeit die Rahmenbedingungen für den wirtschaftlichen Einsatz, z.B. durch die zweifache Vergütung der EEG-Umlage für das Ein- und Ausspeisen des eigenerzeugten und -genutzten Strom, erschwert.

Die Bereitstellung von elek-trischer Energie sowie die Darbietung Netzsystemdienstleistungen durch Batteriespeicher ermöglichen dieselben netzstabilisierende Eigenschaften wie konventionelle Kraftwerke.

Darüber hinaus bieten sie weitere sektorübergreifende Möglichkeiten zur Nutzung des Photovoltaikstroms, z.B. im Wärmemarkt oder in der E-Mobilität.

Bezogen auf die gesamt mögliche Eigenstromerzeugung, also inkl. des BHKW-Stroms, könnte ein Eigenstromanteil von ca. 63 % erzielt werden.

Dieser Strom könnte wiederum durch Nutzung von „Biomethan“ zu 100 % regenerativ erzeugt werden. Auch wäre die Rückverstromung von mit regenerativem Überschuss-Strom erzeugtem Wasserstoff (Power-to-Gas) denkbar.

Auf Basis obiger Ansätze würde der Reststrombezug und gleichzeitig die Strombezugskosten des Klinikums zukünftig deutlich auf ca. 37 % reduziert.

Somit wäre durch eine dezentrale Eigenstromerzeugung, auch eine deutliche Entlastung der lokalen Mittel- und Niederspannungs-Stromverteilnetze möglich.

Wirtschaftlichkeitsberechnung

Die nachfolgende Wirtschaftlichkeitsberechnung beinhaltet die ökonomische Bewertung der dargestellten Versorgungsvarianten bzgl. des Gebäudes 1. Die Wirtschaftlichkeitskriterien der jeweiligen Variante sind die statische Kapitalrücklaufzeit sowie die spezifischen Stromgestehungskosten. Die Berechnung wurde in Anlehnung an die VDI 2067-T1 vorgenommen. Sie beinhaltet die Ermittlung der Kostenarten wie die kapital-, betriebs-, verbrauchsgebundenen- und sonstigen Kosten. Als finanzmathematisches Verfahren wurde die „Annuitätenmethode“ angewendet.

Ermittlung der kapitalgebundenen Kosten

Zur Ermittlung der kapitalgebundenen Kosten wurden die Anschaffungskosten für die Photovoltaikanlage und für die sonstig beschriebenen elektrotechnischen Maßnahmen zugrunde gelegt. Ein Fremdkapitalzinssatz in Höhe von 2 % sowie eine technische Nutzungsdauer der Maßnahmen mit 20 Jahren, wurden in Ansatz gebracht.

Ermittlung der betriebsgebundenen Kosten

Die betriebsgebundenen Kosten wurden mit 1,5 % bezogen auf die Investitionen berücksichtigt. Die Aufwendungen für Begehung und Reinigung der Anlagen wurden auf Basis eines mittleren Stundensatzes in Höhe von 26,60 €/h ermittelt.

Ermittlung des Strompreises

Die Ermittlung des Strompreises (Jahr 2017), wurde auf Basis der Jahres-Schlussrechnung ermittelt und betragen 17,00 ct/kWh (netto).

Anteil EEG-Umlage bei Eigenverbrauch

Nach derzeitigem Stand der Verhandlungen zwischen der Europäischen Union und dem Bundes-Wirtschafts-Ministerium (BMWI) kann derzeit davon ausgegangen werden, dass rückwirkend ab dem 1. Januar 2018 von einer EEG-Umlage in Höhe von 40 % zukünftig auszugehen ist. Demnach würde die anteilige EEG-Umlage 0,0272 €/kWh betragen.

Ermittlung der Erlöse

Die Erlöse beinhalten die eingesparten Stromkosten aus der Differenz des Vollstrombezugs und des Reststrombezuges (Stromerlöse).

Ermittlung der CO₂-Einsparung

Für die Ermittlung der CO₂-Einsparungen wurde ein Emissionsfaktor für den Strommix Deutschland im Jahr 2017 von 489 g/kWh zugrunde gelegt.

Ergebnisse

In Tabelle 5 sind die betriebswirtschaftlichen Daten der Varianten einander gegenübergestellt. Des Weiteren sind die CO₂-Einsparungen ausgewiesen. Die Preisbestandteile in Tabelle 5 verstehen sich als Nettopreise, also exklusive der gesetzlichen Mehrwertsteuer. Als Ergebnis ergibt sich aus Tabelle 5 der wirtschaftliche Einsatz der Photovoltaikanlage, da sich ab dem zehnten Jahr die Anlage refinanziert hat. Hinsichtlich der Variantenbetrachtung ist als Ergebnis festzustellen, dass Variante 2 die höchste Wirtschaftlichkeit aufweist. Das unternehmerische Risiko ist demnach, unter Berücksichtigung einer technischen Nutzungsdauer von 20 Jahre, gering.

Die in Tabelle 5 ausgewiesenen Stromgestehungskosten sind im Vergleich mit bekannten Marktanalysen um ca. 17 % höher. Diese höheren Kosten werden z. B. durch das Bauen im Bestand und durch Kosten bedingt durch die Erfordernisse der Mittelspannungsrichtlinie, hier insbesondere durch die kostenintensive Verkabelung, verursacht.

Sensitivitätsanalyse

Die Sensitivitätsbetrachtung hat zum Inhalt, die wesentlichen Risiken der Wirtschaftlichkeitsberechnung zu bewerten. Als Parameter, der großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat, wurde die Veränderung des Strompreises und des Photovoltaik-Modulpreises bewertet. Auch hier zeigt sich als Ergebnis, dass bei Veränderung des Strompreises um +/– 50 % die Variante 2 vorteilhaft ist. Das gleiche ist bei der Veränderung des Modulpreises um ebenfalls +/- 50 % festzustellen

Auf Basis der Untersuchungsergebnisse hat sich das Klinikum als 1. Schritt für die Installation einer Photovoltaikanlage gemäß Variante 2 entschieden.

Bezogen auf den weiteren Ausbau der regenerativen Eigenstromerzeugung kann die zuvor dargestellte wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit auf das gesamte Klinikum mit geringen Abweichungen skaliert werden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten:

Literatur