Leitfaden "Energie in ARA" Kapitel "Lastverschiebung"

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1 Leitfaden "Energie in ARA" Kapitel "Lastverschiebung" Mit Unterstützung von

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3 Bern, 26. Juni 2018 Auftraggeber: InfraWatt Kirchhofplatz 12 CH 8200 Schaffhausen Tel Autoren: Ryser Ingenieure AG Andreas Hurni Engestrasse 9 Postfach 3001 Bern Tel , andreas.hurni@rysering.ch Rytec AG Rafael Osswald Alte Bahnhofstrasse Münsingen Hunziker Betatech AG Ruedi Moser Pflanzschulstrasse 17 Postfach 8411 Winterthur Mit Unterstützung von: EnergieSchweiz Bundesamt für Energie BFE 3003 Bern EnergieSchweiz: BFE-Vertragsnummer: Herr Christoph Blaser, Leiter Aus- und Weiterbildung SI/ Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren dieses Berichtes verantwortlich.

4 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 1 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung Stromversorgung Schweiz Freier Marktzugang Strombörse / Stromgrosshandel 6 2 Übersicht Handlungsoptionen und Vorgehen für ARA Übersicht Handlungsoptionen Vorgehen und Anforderungen Regelenergie als Systemdienstleistung Betriebliches Lastmanagement Kombination Regelpooling und Lastspitzenmanagement Neuer Stromliefervertrag Messanordnung von Stromverbrauch und -produktion 12 3 Sekundär-/Tertiärregelleistung Teilnahme am Sekundär-/Tertiärregelenergiemarkt Präqualifikation Ansteuerung der BHKW Negative Effekte durch Anfahr- und Stoppzeiten Betriebserfahrungen Sekundärregelpooling 15 4 Mögliche andere einsetzbare Stromverbraucher 16 5 Lastspitzenmanagement Voraussetzung an BHKW Voraussetzung Verbraucher Betriebserfahrungen Lastspitzenmanagement mit BHKW 17 6 Zukunft Strommarkt 18

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6 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 3 1 Einleitung Die Energiewende in Europa erfordert einen Netzstabilisierungs-Beitrag der Endverbraucher und Energieversorger, um die Nachfragelast ausgeglichener zu verteilen, Lastspitzen zu glätten bzw. zu verschieben oder die Lastkurve an fluktuierende und schwer prognostizierbare Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien anzugleichen. Flexibilität im Verbrauch und der Speicherung von elektrischer Energie gehören zu den grossen Herausforderungen der nächsten Jahrzehnte. Im Interesse der Versorgungssicherheit und der Handelstätigkeit der Stromkonzerne ist die Schweiz stark an einer aktiven Rolle im europäischen Markt interessiert. Abwasserreinigungsanlagen gehören neben den Wasserversorgungen zu den grössten Stromverbrauchern der Gemeinden. Insgesamt verfügen schätzungsweise 150 bis 200 der aktuell insgesamt noch rund 750 bis 800 Kläranlagen in der Schweiz über ein signifikantes Potential zur Lastverschiebung und ermöglichen es den Betreibern, entsprechende Einsparungen oder Zusatzerlöse zu generieren. Interessant sind Anlagen (v.a. Blockheizkraftwerke (BHKW)), die über eine verschiebbare Leistung bzw. Last von mindestens 100 kw verfügen. Diese Leistungen sind üblicherweise in Kläranlagen ab einer Grösse von etwa Einwohnerwerten (EW), bei Anlagen mit Co-Vergärung von organischem Material in Ausnahmefällen bereits ab etwa EW vorhanden. Das Thema Klärgas-Verstromung oder Aufbereitung und Einspeisung ins Gasnetz wird hier nicht behandelt. Für die Klärgasaufbereitung braucht es heute starke gasmarktseitige Anreize, da durch die Verstromung auf der ARA Kosteneinsparungen bei der Wärmeversorgung, den Netzkosten und dem Leistungspreis oder Erlöse durch Einspeisevergütung und Bereitstellung von Regelenergie erzielt werden können. Daneben gibt es seit Anfang 2018 Investitionsbeiträge für den BHKW-Ersatz. Weitere Optionen stellen der Eigenverbrauch des auf der ARA produzierten Stromes sowie die Direktvermarktung dar. Das vorliegende Dokument muss aufgrund der sich schnell wandelnden regulatorischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen im Strommarkt regelmässig überprüft und etwa alle 3 Jahre aktualisiert werden. 1.1 Stromversorgung Schweiz Die Stromversorgung der Schweiz wird durch 900 Stromversorgungsunternehmen sichergestellt. Diese sind für die Produktion und die Verteilung des Stromes zuständig. Seit dem 1. Januar 2013 wird das Höchstspannungs-Übertragungsnetz (220/380 kv, Gesamtlänge 6'700 km) durch die nationale Netzgesellschaft, die Swissgrid AG, betrieben. Die Soll-Frequenz im Übertragungsnetz beträgt in ganz Europa 50 Hertz.

7 Seite 4 Abb. 1: Funktionsschema Systemdienstleistungen (Quelle: Broschüre Systemdienstleistungen, Swissgrid) Damit die Frequenz stabil bleibt, müssen Abweichungen zwischen Verbrauch bzw. Last und Produktion immer ausbalanciert werden. Hierzu kann Swissgrid sogenannte Systemdienstleistungen (SDL) wie die Beschaffung von Regelleistung und den Einsatz von Regelenergie in Anspruch nehmen. Die maximal abgerufene Leistung liegt für die Jahre 2011 bis 2015 bei rund 400 MW (vgl. nachfolgende Abbildung). Abb. 2: Maximal erforderliche Regelleistungen 2011 bis 2015 (Quelle: Netzdaten 2015, Swissgrid)

8 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 5 Die Regelleistung kann auch von Endkunden in Form einer Lastverschiebung erbracht werden. Auch auf der Nachfrageseite wird wie bei den Kraftwerken zwischen positiver und negativer Leistungsvorhaltung unterschieden. Positive Regelleistung wird benötigt, wenn der Stromverbrauch grösser als die Stromproduktion ist (Leistungsdefizit im Netz). Hier erfolgt ein Ausgleich durch: die Erhöhung der Leistung durch den Stromerzeuger oder die Entladung von Speichern. Bsp. ARA: BHKW für bestimmte Zeit mit höherer Leistung betreiben (30 Minuten bis 4 h) die Lastverschiebung von Stromverbrauchern durch Verbrauchsreduktion Bsp. ARA: Kontrolliertes Abschalten von Aggregaten in der Faulung, für kürzere Zeit unter Umständen auch die Reduktion der Leistung oder das Abschalten von Gebläsen in der Biologie oder im Sandfang oder Pumpen bei Hebewerken, allerdings nur, wenn es der Betrieb erlaubt. Negative Regelleistung ist erforderlich, wenn der Verbrauch kleiner als die Produktion ist (Stromüberschuss im Netz). Hier erfolgt ein Ausgleich durch: die Reduktion der Leistung von Stromerzeugern oder Aktivierung von Speichern. Bsp. ARA: Stromproduktion senken oder u.u. Ausschalten der BHKW für eine bestimmte Zeit (15 Minuten bis 8 h) und Speicherung des Klärgases im Gasometer die Lastverschiebung durch die Erhöhung des Stromverbrauches von Aggregaten. Bsp. ARA: Einschalten von Anlagen oder die Erhöhung ihres Leistungsbezuges (z.b. bei Gebläsen). Ist aus betrieblichen Gründen nicht sinnvoll, kann aber in Notlagen (Gefahr eines Blackouts) systemdienlich sein. Des Weiteren wird die Regelleistung nach Abrufbarkeit und Marktgebiet bei einer Frequenzabweichung differenziert in: Primärleistung: Nach Ausfall eines Kraftwerkes kann innerhalb von Sekunden das Gleichgewicht im Netz wiederhergestellt werden. Die Primärregelleistung wird innerhalb der Kraftwerke mittels Turbinenreglern aktiviert und wird europaweit solidarisch geleistet. Sekundärleistung: nach 30 Sekunden beginnt die Regelzone, diese Leistung automatisch abzurufen. Tertiärregelreserve: Nach grösseren längeren Abweichungen wird diese Leistung innerhalb von 15 Minuten eingesetzt, sofern mit der Sekundärregelung keine ausreichende Netzfrequenzstabilisierung erzielt werden konnte. Ihre Aktivierung erfolgt mittels einer Abrufmeldung an die Anbieter durch einen Spezialisten der Netzleitstelle. Mit der Zunahme der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien bleibt der Bedarf planbarer Regelleistung auch in Zukunft hoch, auch wenn international gesehen bereits ein Teil der kurzfristigen Fahrplanabweichungen im Bereich des 15-Minuten-Intraday-Handels ausgeglichen werden kann. Die Bereitstellung von Flexibilität spielt im zukünftigen Energiemarkt eine grössere Rolle als heute, wobei neben dem Regelenergie- und Intraday-Markt auch saisonale Lastverschiebungen eine grosse Bedeutung haben werden. 1.2 Freier Marktzugang Mit der Inkraftsetzung des Stromversorgungsgesetzes (StromVG) im April 2008 begann der erste Schritt zur etappierten Öffnung des Strommarktes in der Schweiz. Eine wichtige Voraussetzung für die Liberalisierung des Schweizer Strommarktes ist die Nutzung der Netze für alle Endkunden zu gleichen Bedingungen.

9 Seite 6 Seit dem 1. Januar 2009 dürfen Grosskunden mit einem Jahresstromverbrauch von mehr als 100'000 kwh ihren Stromversorger frei wählen. Privaten Haushalten und kleinen und mittleren Unternehmen steht der freie Markt bis zur zweiten Liberalisierungs-Etappe nicht offen. 1.3 Strombörse / Stromgrosshandel Durch die Teilmarktöffnung hat das Thema Stromhandel für die grösseren Stromversorger stark an Bedeutung gewonnen. Für sie besteht die Möglichkeit, den Strom auch direkt via die europäische Strombörse EEX (European Energy Exchange) zu beziehen. An der EEX wird neben Strom auch mit Erdgas, Kohle und Emissionszertifikaten gehandelt. Im Strombereich werden folgende Produkte angeboten: Strom Day Ahead (für den Nachfolgetag, Spotmarkt) und Intraday (für den laufenden Tag); Betreiber beider Märkte ist EPEX Spot Strom Futures und Optionen (EEX Power Derivatives), sogenannter Terminmarkt (für Monate, Jahre) Auch in der Schweiz besteht die Möglichkeit über den Grosshandel im sogenannten Overthe-Counter-Bereich grössere Mengen an Strom zu Marktbedingungen zu erwerben. Die meisten Kunden wählen jedoch heute ein geeignetes Stromprodukt eines lokalen Wiederverkäufers und sind aufgrund der hohen Komplexität nicht direkt im Handel tätig. 2 Übersicht Handlungsoptionen und Vorgehen für ARA 2.1 Übersicht Handlungsoptionen Abwasserreinigungsanlagen verfügen über ein beträchtliches Potential zur Lastverschiebung und ermöglichen den Betreibern Einsparungen (Lastspitzen glätten) bzw. Erlöse (durch Sekundärregelleistungs-Angebot) zu generieren. Zu beachten ist, dass die Reinigungsleistung der Kläranlage dadurch nicht beeinträchtigt wird und die vorgeschriebenen Einleitbedingungen eingehalten werden können. Es bestehen im Wesentlichen folgende Lastverschiebungsoptionen: Regelenergieleistung Lastspitzenmanagement Kombination Regelenergieleistung und Lastspitzenmanagement Die nachfolgenden Abbildungen geben einen Überblick über die Handlungsoptionen in Abhängigkeit der auf der ARA gegebenen Voraussetzungen (BHKW vorhanden oder nicht, Förderung Stromproduktion (KEV/Einspeisevergütung) oder nicht):

10 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 7 Variante 1: ARA ohne KEV und ohne BHKW Optionen für die ARA: - Lastspitzenmanagement mit ARA- Verbrauchern nur bedingt möglich Variante 2: ARA ohne KEV mit BHKW Optionen für die ARA: - Lastspitzenmanagement mit ARA-Verbrauchern nur bedingt möglich - Bereitstellung von Regelenergie - Keine Einsparung von Netz- und Energiekosten - Das Herunterregeln des BHKW kann neue Lastspitzen verursachen Variante 3: ARA mit KEV und BHKW Optionen für die ARA: - Lastspitzenmanagement mit BHKW möglich, mit ARA-Verbrauchern nur bedingt - Bereitstellung von Regelenergie - Einsparung von Netz- und Energiekosten - Es werden keine neuen Lastspitzen verursacht Abb. 3: Übersicht Handlungsoptionen für ARA

11 Seite Vorgehen und Anforderungen Häufig werden erste Beratungsgespräche durch die Strommarktpooler angeboten. Dabei werden leider betriebliche Anforderungen eher unterschätzt und potentielle Einnahmen überschätzt. Wir empfehlen für die Überprüfung der Lastverschiebungspotentiale den üblichen Weg über eine Machbarkeitsstudie samt der Begleitung durch einen ARA-Fachingenieur mit Erfahrung bei der Lastverschiebung und Regelenergievermarktung. Die Machbarkeitsstudie sollte folgende Schwerpunkte abdecken: Aufnahme der betrieblichen Rahmenbedingungen: Stromproduktion, Teillastfähigkeitund Effizienz, Rampenfähigkeit, Tarife Stromlieferant, Einfluss auf die Direktvermarktung, Gasanfall und Schwankungen der Gasproduktion, Gasometervolumen, Wärmebedarf, Wärmespeicherung sowie die personellen Ressourcen der ARA für die regelmässige Koordination mit dem Pooler. Modellierung der Flexibilität: Definition der Flexibilität, Rückwirkungen auf die Gasometerbewirtschaftung, Rückwirkungen auf die Effizienz der BHKW, Auswirkungen auf Pflicht zur Direktvermarktung und das Potential für Lastmanagement zur Senkung der Leistungskosten. Wirtschaftlichkeit und Handlungsempfehlung: Qualitative und quantitative Bewertung der Auswirkungen der Lastverschiebung auf die ARA. Projekte mit einer hohen und wirtschaftlichen Umsetzungswahrscheinlichkeit weisen regelmässig folgende Eigenschaften aus: Stabiler und insbesondere planbarer Einsatz der BHKW Regelmässig umsetzbare Leistungsvariation von mindestens 100 bis 200 kw Freies Gasometervolumen für mindestens 1h Volllastproduktion Regelmässiger und planbarer Gasanfall und Lieferung Co-Substrate Planbarkeit für mehrere Tage im Voraus Mehr als 6'000 jährliche Betriebsstunden des BHKW Allerdings ist für jedes Projekt einzeln zu prüfen, ob die Flexibilität nicht über die Direktvermarktung angeboten werden sollte oder bzw. demnächst auch vermarktet werden muss (für BHKW ab 500 kw installierter Leistung ab Pflicht). 2.3 Regelenergie als Systemdienstleistung Die auf einer ARA verfügbare Regelleistung reicht alleine nicht aus, um am Sekundär- oder Tertiärregelmarkt teilzunehmen. Somit können die Leistungsvorgaben nur gemeinsam mit anderen Anlagen erfüllt werden. Es ist entsprechend eine Einbindung in einen sogenannten Regelpool erforderlich. Die für den geplanten Einsatz relevanten Anforderungen sind unter anderem eine zeitliche Vorausplanung der Vorhaltung mit ca. 1 ½ Tagen an Wochentagen und bis zu 3 ½Tagen über das Wochenende für den Dienstag der Folgewoche. Anbieter von Regelpools mit einem grösseren Angebotsportfolio können diese Fristen verkürzen und die Reservation der Leistung innerhalb der verfügbaren Anlagen umbuchen bzw. neu planen. Ebenso gilt es grundsätzlich Regelblöcke im starren 4 Stundenraster (z.b. 0:00 4:00 Uhr) zu belegen. Diese Restriktion wird ebenso durch ein grösseres Angebotsportfolio entschärft.

12 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 9 In der Regel führen zeitliche Beschränkungen und nicht direkt vermarktbare Leistungsangebote und Einsatzrestriktionen zu höheren Abschlägen bei den Ausschüttungsquoten der Anbieter. Ein Vergleich der Konditionen unter mehreren Anbietern ist insbesondere bei Grenzfällen besonders erfolgsversprechend. Die Rollenverteilung für das Regelpooling kann in Anlehnung an die VSE- Branchenempfehlung "Anbindung von Regelpools an den Schweizer SDL-Markt" wie folgt aussehen: Abb. 4: Übersicht Rollenverteilung Regelpooling Wichtigste Abkürzungen: SDV = Regelpoolbetreiber LF/EZ = Lieferant bzw. Erzeuger VNB = Verteilnetzbetreiber BGV = Bilanzgruppenverantwortlicher EZE = Erzeugungseinheit Zwischen dem Kläranlagen- und dem Regelpoolbetreiber wird ein Regelpoolvertrag unterzeichnet. Die letzten 3 Jahre zeigten neben einer hohen Preisvolatilität eine starke Reduktion der realisierbaren Erlöse. Aktuell können je nach Produkt und Verfügbarkeit Einnahmen aus der Leistungsvorhaltung von ca. CHF bis 60'000 pro MW für Sekundärregelleistung erwartet werden. Effektive Leistungsabrufe sind selten und somit entsprechende Zusatzerlöse gering. Verfügbares Potential in ARA der Schweiz Wie gross das Potential von bestehenden Infrastrukturanlagen im Falle der ARA ist, wird nun im Folgenden kurz beschrieben: Anlage Anzahl Anlagen (2012) Stromverbrauch Stromproduktion Installierte Leistungen Verbrauch Installierte Leistung Produktion ARA GWh/a 114 GWh/a MW 30 MW Abb. 5: Infrastrukturanlagen ARA (Quelle: Potential der Schweizer Infrastrukturanlagen zur Lastverschiebung, InfraWatt 2013)

13 Seite 10 Rund einen Viertel des Stromverbrauchs decken ARA heute durch ihren selbst produzierten Strom aus Wärmekraftkopplungsanlagen wie z.b. Blockheizkraftwerke oder Mikrogasturbinen. Die installierte Leistung der Stromverbraucher liegt bei geschätzten MW. Positive Regelleistung während 1 h ARA Potential bei Trockenwetter 30MW 75 MW Potential bei Regenwetter 18 MW 35 MW Negative Regelleistung während 1 h ARA Potential bei Trockenwetter 17 MW 35 MW Potential bei Regenwetter 17 MW 35 MW Abb. 6: Potentiale zur Lastverschiebung im Jahresmittel (Quelle: Potential der Schweizer Infrastrukturanlagen zur Lastverschiebung, InfraWatt 2013) Das Potential zur Lastverschiebung bei ARA wird differenziert nach positiver und negativer Regelleistung und ist abhängig von wetterbedingten Einflüssen. Im Jahr 2012 verfügten Abwasserreinigungsanlagen im Jahresmittel während einer Stunde ein geschätztes Potential von 30 MW positiver bzw. 17 MW negativer Regelleistung. Bei Regenwetter reduziert sich das Potential für positive Regeleistung um 12 MW auf 18 MW. Bei der negativen Regelleistung bleibt das Potential gleich. Die Hochrechnung von 2012 bis 2050 zeigt, dass das Lastverschiebungspotential um rund ein Drittel ansteigt. Das aufgezeigte Potential kann zwischen einer Viertel- und zwei Stunden angeboten werden, die verfügbare Leistung sinkt aber bei längerem Bedarf deutlich ab. Die Abrufbarkeit bei Leistungen für 15 Minuten schwankt zwischen Null und vier Mal täglich. Die meisten, Strom produzierenden, ARA sind mit einem Gasometer ausgestattet, welcher als Zwischenspeicher für das Klärgas dient. Wenn Überschuss im Stromnetz besteht, kann das anfallende Klärgas darin gespeichert und die Stromproduktion reduziert werden. Das Volumen des Gasometers entspricht oft zwischen einem Viertel und der Hälfte einer Tagesproduktion. Die Speicherung der Energie im Gasometer ist derjenigen im Wärmespeicher vorzuziehen, da die Verluste viel geringer sind und nicht alle stromproduzierenden ARA einen planbaren Wärmespeicher betreiben. Allerdings ist die Trägheit der Wärmeseite für gewisse kontrollierte Produktionseingriffe bei der WKK von Vorteil. 2.4 Betriebliches Lastmanagement Lastmanagement gewinnt aufgrund der zunehmenden dezentralen und fluktuierenden Stromerzeugung durch erneuerbare Energien immer mehr an Bedeutung. Tendenziell führt dezentrale Produktion dazu, dass Netzkosten immer weniger über die Energiemenge und immer mehr über die tatsächlich beanspruchte Leistung abgewälzt werden. Lastmanagement im engeren Sinne bedeutet eine kontrollierte, auf einer ARA auch antizipierende Steuerung von Lasten bzw. das Management verschiebbarer Lasten. Mit Hilfe von betrieblichem Spitzenlastmanagement können Kläranlagen ihre Energiekosten durch die Reduktion von Lastspitzen senken. Dies ist für Betreiber wichtig, da der höchste Leistungsmittelwert je Viertelstunde im Monat oder sogar im Jahr die Höhe der Netzkosten anhand des Leistungstarifes bestimmt. Die Analyse der Lastgangdaten der ARA (Viertelstundenwerte über einen repräsentativen Zeitraum) umfasst die Prüfung der möglichen Optionen für die Beeinflussung der Lastspitzen durch die Vermeidung von Einschaltspitzen sowie die Reduktion von Lastspitzen einzelner Verbraucher (u.a. durch die zeitliche Streckung von Prozessen bzw. die Anpassung von Verbräuchen). Wirtschaftlich rentiert sich das betriebliche Lastmanagement bei Anlagen mit einer verschiebbaren Last ab etwa 100 kw.

14 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite Kombination Regelpooling und Lastspitzenmanagement Durch die Kombination von Regelpooling und Lastspitzenmanagement lassen sich zusätzlich flexible Lasten vermarkten und somit zusätzliche Erlöse erzielen. Hierfür werden nicht nur die betrieblichen Lasten im Sinne einer Flexibilisierung der Stromnachfrage betrachtet, sondern auch die Stromerzeugungsanlagen wie BHKW, Mikrogasturbinen und Notstromaggregate. Die Kombination der Vorhaltung von positiver Tertiärregelenergie und dem Lastspitzenmanagement ist möglich, solange die Vorhaltung technisch bzw. durch Messung belegt werden kann. Die Kombination ist wirtschaftlich nur dann sinnvoll, wenn keine Lastspitzen über dem Zielniveau erwartet werden. Die Vorhaltung und der Abruf von Tertiärregelenergie per Telefon, ohne eine explizite datentechnische Anbindung, sind grundsätzlich auch im operativen Betrieb möglich, da bei einer geschickten Bietstrategie von einer tiefen Abrufwahrscheinlichkeit ausgegangen werden kann. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierungsergebnisse mit einer Niederschlagvorlaufzeit von einer Stunde. Dies bedeutet, dass die Lastspitzen im Kernprozess mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit und Qualität vorhergesagt werden können. Dabei werden neben den Niederschlägen auch die Zuflussmenge zur ARA und die Ammoniumkonzentration im Zulauf der Biologie als Inputwerte verwendet. Die blaue Linie zeigt die Niederschläge, die rote den prognostizierten Verlauf und die schwarze Linie den gemessenen Verlauf der Last im Kernprozess. Das Grundmodell ist über den gesamten Datensatz verlässlich. Abb. 7: Niederschlag (in mm), Lastprognose und -messung (in MW) (Quelle: Alpiq) 2.6 Neuer Stromliefervertrag Der Einsatz von Wärmekraftkopplung (WKK) auf Kläranlagen (BHKW oder Mikrogasturbinen) kann sich auch grundsätzlich als Alternative zum Strombezug vom Vorlieferanten lohnen. Die vertragliche Situation für Strom und Gas muss individuell analysiert (z.b. Produktionskostenniveau versus Energietarif) und bewertet werden. Die Energiekosten und die volle Anrechnung der Flexibilität können nur durch Vertragsanpassungen mit dem Vorlieferanten reduziert werden.

15 Seite 12 Eine Eigenerzeugung kann einer ARA eine dauerhafte Preissicherheit für den Strombezug und die Netzkosten geben und führt somit zu einer Reduktion finanzieller Risiken über lange Betrachtungszeiträume. Hier spielt der Zeitwert eines flexiblen BHKW eine wesentliche Rolle. Das Einsparpotential steigt grundsätzlich mit steigender Betriebsdauer der BHKW und einem hohen Eigenverbrauchsanteil. Ebenso sollte geprüft werden, inwiefern die verrechnungsrelevante Leistung reduziert werden kann. Somit könnten die Stromkosten mit erweitertem Einsatz der BHKW gesenkt werden. Dies muss allerdings anlagenspezifisch analysiert werden, denn eine Erhöhung der BHKW-Betriebsstunden bedeutet auch ein früheres Produktionsende oder einen früheren Revisionstermin. Eine weitere Alternative ist die Anschaffung einer leicht überdimensionierten Anlage und deren kostenminimierenden Einsatz im Strommarkt und zur Senkung der Netz- und Leistungskosten. Dabei müssen jedoch die Mindererträge für den Teillastbetrieb gegengerechnet werden. 2.7 Messanordnung von Stromverbrauch und -produktion Die Umsetzung des Lastmanagements hängt stark davon ab, welcher Abrechnungsmodus angewendet wird. Derzeit gibt es zwei Arten von Messanordnungen: Messanordnung A: Separate Messung von Strom-Nettoproduktion und -verbrauch Abb. 8: Anordnung der Zähler ohne Eigenverbrauch (Quelle: BFE) Die obige Abbildung ist die typische Messanordnung zur Trennung der Stromproduktion und des Stromverbrauchs. Sie wurde oft bei Anlagen angewendet, die eine Einspeisevergütung (KEV) beziehen. Hier wird kein Eigenstrom verbraucht bzw. die Produktion wird komplett ins Netz eingespeist, gemessen und vergütet. Die Nettoproduktion ergibt sich aus der gesamten Stromproduktion abzüglich des Eigenbedarfs der Anlage. Für die Lastverschiebung bedeutet dies: Nach diesem Modus ist kein Lastspitzenmanagement mit BHKW möglich, sondern nur mit Stromverbrauchern. Keine Netzkostenersparnis durch das BHKW Es besteht aber die Möglichkeit, Regelenergie als Systemdienstleistung am Markt anzubieten.

16 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 13 Messanordnung B: Überschussmessung mit zusätzlichem Produktionszähler Abb. 9: Anordnung der Zähler bei Eigenverbrauch mit Anschlussleistung > 30 kva (Quelle: BFE) Bei der Messanordnung B erfolgt die Messung in zwei Richtungen: auf der einen Seite die Stromabgabe und auf der anderen Seite der Strombezug. Beides wird separat gemessen und in separaten Registern gespeichert. Bei einer Anschlussleistung > 30 kva muss eine zusätzliche Messung der Nettostromproduktion erfolgen. Bei kleineren Anlagen mit Eigenstromverbrauch ist grundsätzlich kein reiner Produktionszähler erforderlich. Für die Lastverschiebung bedeutet die Messanordnung mit Eigenverbrauch oder Investitionsbeiträgen: Lastspitzenmanagement mit BHKW und Mikrogasturbinen und ev. Stromverbrauchern ist möglich. Das BHKW führt zu einer generellen Netzkostenersparnis Regelpooling kann als Systemdienstleistung angeboten werden 3 Sekundär-/Tertiärregelleistung 3.1 Teilnahme am Sekundär-/Tertiärregelenergiemarkt Folgende Vorgaben für die Erbringung von Tertiärregeldienstleistungen gelten aktuell seitens Swissgrid: Minimal verfügbare Leistung 5 MW während 4 Stunden Verfügbarkeit von % Buchung bis zu 3.5 Tage im Voraus Für die Erbringung von Sekundärregeldienstleistungen hat Swissgrid folgende Vorgaben festgelegt: Dynamische Nutzung (von wenigen Minuten bis zu einigen 15 Minuten am Stück) Vorhaltung und Zusagen grundsätzlich wöchentlich Insbesondere die Sekundärregelung stellt hohe Anforderungen an die Anlagen und die über eine Woche vorgehaltene Leistung. Viele Anlagen können die 168 Wochenstunden Leistungsvorhaltung gar nicht oder nur mit hohen Zusatzkosten abdecken. Daher ist es sinnvoll, gemeinsam mit anderen Anlagen das Regelpooling umzusetzen.

17 Seite 14 Diese Regelleistung ist insbesondere prüfenswert, da im Jahresschnitt nur ca % der vorgehaltenen Leistung im Sekundärregler abgerufen werden, so dass die restlichen 90 % der Produktion unbeeinflusst sind. Ein- oder Ausschalten der BHKW ist auch möglich und kann mit dem Poolbetreiber vereinbart werden. Es kann unter Umständen den Ertrag fast verdoppeln. In diesem Zusammenhang wird auch von vorgehaltener Regelenergie gesprochen. Hierfür eignen sich besonders BHKW mit hohen Jahresbetriebsstunden und einer guten Rampenfähigkeit über das gesamte Leistungsband (0.5 % Leistungsvariation/Sekunde). Um die vorgeschriebenen gewässerschutztechnischen Einleitbedingungen nicht durch die Lastverschiebung zu beeinträchtigen, stehen Massnahmen im Bereich Stromproduktion im Vordergrund und nicht Massnahmen bei den Stromverbrauchern. Bei der Stromproduktion eignen sich auf den Kläranlagen vor allem Wärmekraftkopplungsanlagen (WKK) wie BHKW und Mikrogasturbinen. Um diese zu betreiben, wird das Klärgas aus dem Faulturm verwendet. Da sich die Temperatur im Faulturm nur langsam verändert, muss die Wärme aus den WKK-Anlagen nicht stetig geliefert werden. Dadurch können diese bei Schwankungen im Netz in einem gewissen Rahmen flexibel gesteuert werden. Voraussetzung ist allerdings, dass bei einer neuen Fahrweise (bis hin zum gezielten Ausschalten) der WKK-Anlage gleichzeitig ein Spielraum bei der Gaslieferung bzw. eine Reserve beim Gasbehälter (Gasometer) vorhanden ist. Bei einem Stromüberschuss im Netz kann das anfallende Klärgas darin gespeichert und die Stromproduktion reduziert werden, indem die BHKW bzw. Mikrogasturbinen ihre Leistung absenken. Durch das Einschalten zusätzlicher WKK-Anlagen (Reserve) kann die Stromproduktion für eine bestimmte Zeit mit höherer Leistung betrieben werden (30 Minuten bis 4 Stunden). 3.2 Präqualifikation Die Präqualifikation erfolgt grundsätzlich mit einem Echtzeit-Testverfahren mit Swissgrid als verantwortliche Instanz für die Regelzonenversorgungssicherheit. Für Anlagen im Regelpool können häufig vereinfachte Testverfahren eingesetzt werden, sofern der Regelpooler bereits für die jeweilige Regeldienstleistung präqualifiziert worden ist. Die folgende Darstellung zeigt den üblichen Verlauf des Testsignals und des Toleranzbandes. Das Toleranzband darf nur geringfügig überschritten werden (<1 % der Regelarbeit). Noch wesentlicher für die Präqualifikation ist die Rampengeschwindigkeit von mindestens 0.5 % der Soll-Regelleistung pro Sekunde. Ferner muss der Pool (nicht jede einzelne Anlage selbst) eine hohe Regelgüte bei den tendenziell langsamen Rampen aufweisen. Dies wird in der Regel über eine kontrollierte Ansteuerung mehrerer Anlagen umgesetzt.

18 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 15 Abb. 10: Testsignal Swissgrid 3.3 Ansteuerung der BHKW Ein effizienter Betrieb der BHKW setzt eine intelligente Steuerung und stufenweise Regelung sowie Überwachung voraus. Kurze Anfahr- und Stoppzeiten innerhalb 200 Sekunden (Anforderungen in der Schweiz) müssen gewährleistet werden, sofern ein Abstellen der BHKW aus Betreibersicht in Ordnung ist. Der Datenaustausch erfolgt möglichst über eine gesicherte Internetverbindung. 3.4 Negative Effekte durch Anfahr- und Stoppzeiten Analysen auf der ARA Morgental haben gezeigt, dass eine hohe Rampenfähigkeit von 0.5 % Leistung pro Sekunde, kurze Einsatzzeiten und ein gutes Teillastvermögen möglich sind. Die Auswertungen haben ebenso gezeigt, dass der Einfluss des Stromregelpooling auf den ARA- Betrieb (und Gasometer) minimal ist, da auf ein ständiges Aus- und Einschalten verzichtet werden kann. Dies gelingt, indem die BHKW im Regelbetrieb stufenweise geregelt werden können. Aber auch hier ist eine kontrollierte Regelung notwendig, da bei Unterschreitung der Mindestlast unerwünschte Emissionen entstehen und der Verbrennungsmotor im kritischen Bereich läuft. 3.5 Betriebserfahrungen Sekundärregelpooling Der im Rahmen des Leuchtturmprojektes "Regelpooling mit Infrastrukturanlagen" aufgebaute Regelpool mit BHKW von 4 ARA ist seit Sommer 2017 auf dem Strommarkt. Die ARA müssen dem Regelpoolbetreiber Alpiq jeweils für eine Woche zum Voraus die verfügbare Regelleistung und die Verfügbarkeit der BHKW bekannt geben. Der entsprechende Aufwand ist für die ARA-Betreiber bescheiden. Auch die Investitionen sind klein. Die ARA-Betreiber äusserten sich nach mehrmonatigem Betrieb positiv über das Regelpooling und die zusätzlichen Erlöse und können das Regelpooling weiteren ARA-Betreibern zur Umsetzung empfehlen.

19 Seite 16 4 Mögliche andere einsetzbare Stromverbraucher Die zwei grössten Stromverbraucher auf einer ARA sind die biologische Stufe und die Hebewerke. Kürzere Ausschaltzeiten sind bei folgenden Aggregaten grundsätzlich möglich: Gebläse der biologischen Reinigungsstufe Die Gebläse sind für die Reinigungsleistung der ARA von zentraler Bedeutung. Aus diesem Grund ist eine kontrollierte Lastabsenkung nur in Verbindung mit zusätzlichen Massnahmen zur Sicherung der Funktionalität zu verantworten. Bei Starkregen kommt eine Lastabsenkung nicht in Frage. Abb. 11: (Quelle: Potential von Schweizer Infrastrukturanlagen zur Lastverschiebung, InfraWatt 2013) Da den Verantwortlichen einer Kläranlage auch ein Betrieb ohne häufiges Ein- beziehungsweise Ausschalten der Aggregate wichtig ist und eine möglichst lange Lebensdauer der Pumpen, Gebläse und Armaturen erreicht werden soll, wurde diese Option nicht weiterverfolgt. Sandfanggebläse Bei tiefer Belastung kann das Sandfanggebläse ebenfalls in der Nacht für ca. 30 Minuten und tagsüber ca. 15 Minuten ausgeschaltet werden. Hebewerke Sie werden gebraucht, um z.b. das Abwasser vom Zulauf der Kläranlage auf ein höheres Niveau zu fördern. Sie können bei Trockenwetter bis zu einer halben Stunde und in der Nacht bis zu einer Stunde ausgeschaltet werden. In dieser Zeit kann das Wasser im Pumpensumpf oder im Zulaufkanal gespeichert werden. Negative Regelleistung Das Potential zur negativen Regelleistung ist in den ARA deutlich kleiner. Der Mehrbezug von Strom, z.b. durch eine erhöhte Belüftung in der Biologie, bringt keinen Zusatznutzen und ist daher in der Regel nicht sinnvoll.

20 Leitfaden "Energie in ARA" BFE / InfraWatt / VSA Kapitel "Lastverschiebung" Seite 17 5 Lastspitzenmanagement 5.1 Voraussetzung an BHKW Das Lastspitzenmanagement mit BHKW ist nur mit der Messanordnung B möglich (vgl. Kap. 2.7). Alle ARA, die keine KEV-/ESV-Bezüger sind, müssen für ein Lastspitzenmanagement konzentriert Leistung zur Verfügung stellen. Verrechnungsrelevante Lastspitzen im Netzkostenanteil der Stromrechnung können somit reduziert werden. Das Ausschalten oder unbewusste Herunterregeln der WKK-Anlagen muss gezielt durchgeführt werden, da sonst Lastspitzen generiert werden. 5.2 Voraussetzung Verbraucher Die Möglichkeiten für die Brechung von Lastspitzen mittels Reduktion des Strombezuges der grössten Verbraucher ist grundsätzlich eine Option. Um einen sicheren ARA-Betrieb zu gewährleisten, muss sie sehr genau abgeklärt werden. Die leistungsmässig grössten Verbraucher sind die Gebläse der biologischen Reinigungsstufe sowie allfällig vorhandene Hebewerke. Der Stromleistungsbedarf ist primär abhängig vom Abwasserzufluss. Maximale Abwassermengen und damit Stromverbrauchsspitzen treten im Wesentlichen im Zusammenhang mit Regenereignissen auf. Die Zuflussmengen bei Regenereignissen und die damit auftretenden Lastspitzen sind jedoch grundsätzlich mit modernen Werkzeugen prognostizierbar. Auch ist der Gebläseeinsatz zur Sauerstoffbelieferung der biologischen Reinigungsstufe massgebend für die Reinigungsleistung dieser Stufe verantwortlich. Die freie Schaltbarkeit zur Lastoptimierung ist zwar im Grundsatz möglich, jedoch in Bezug auf das Kosten-Nutzen- und Risikoverhältnis projektbezogen kritisch zu untersuchen. Bei einer Umsetzung sind Massnahmen zur Sicherung der betrieblichen Zwecke notwendig. 5.3 Betriebserfahrungen Lastspitzenmanagement mit BHKW Die ARA Werdhölzli in Zürich speist seit 2016 ihr Klärgas ins Erdgasnetz ein, so dass die BHKW rückgebaut werden sollten. Eine im Rahmen des Leuchtturmprojektes durchgeführte Machbarkeitsstudie zeigte dann auf, dass die BHKW weiterhin sinnvoll und wirtschaftlich für die Brechung der Lastspitzen eingesetzt werden können. Seit Herbst 2016 läuft das Lastspitzenmanagement mit zwei BHKW zur Zufriedenheit der ARA-Betreiber. Stromlastspitzen werden mittels eines Tools, das Meteo- und Abflussdaten berücksichtigt, prognostiziert und die BHKW bei Bedarf gestartet und der externe Strombezug limitiert. Die Einsparungen der Leistungskosten liegen im erwarteten, positiven Bereich.

21 Seite 18 6 Zukunft Strommarkt Die Schweiz hat derzeit noch schärfere Anforderungen an den Sekundärregelleistungs-Markt als die EU. Die Anfahr- und Stoppzeiten der BHKW betragen in der Schweiz 200 Sekunden. In vielen Nachbarmärkten dagegen beträgt die erlaubte Reaktionszeit 300 Sekunden. Eine Anpassung an diese Regeln würde einen vereinfachten Zutritt für ARA auf dem Schweizer Markt bedeuten. Es ist anzunehmen, dass mittelfristig eine separate Vermarktung von positiver und negativer Regelleistung Einzug halten wird. Entsprechende Änderungen der Spielregeln sind zurzeit in Vorbereitung. Bern, 26. Juni 2018 RO/AH