– Zwischenbericht –

Stand: 31.08.2017


Forschungsprojekt

KMU am Regelenergiemarkt (PiloREM)

gefördert durch: WEESBACH-STIFTUNG


Laufzeit:

12/2016 – 05/2018


Projektleitung

Prof. Dr.-Ing. Jörg Meyer


Projektbearbeitung

Raschad Damati, M. Sc.

Tobias Link, B. Eng.


Hochschule Niederrhein

University of Applied Science

SWK E²

Institut für Energietechnik & Energiemanagement


Forschungsprojekt: KMU am Regelenergiemarkt

- Zwischenbericht –


Ziel dieses Projekts ist es, das wirtschaftliche Potential von kleinen und mittleren Unternehmen (kurz KMU) für eine mögliche Teilnahme am Regelleistungsmarkt zu quantifizieren. In diesem Zwischenbericht werden die Ergebnisse des zweiten Arbeitspaketes vorgestellt.


Analyse ausgewählter Prozesse in kleinen und mittelständischen Industriebetrieben

Prädestiniert für die Teilnahme am Regelleistungsmarkt (kurz: REM) sind Unternehmen energieintensiver Industriezweige. Die nachstehende Abbildung stellt den Stromverbrauch verschiedener Industriezweige über die Jahre 2006 bis 2014 gegenüber.

 

Abbildung 1: Stromverbrauch nach Industriezweigen [1]

 

Der Abbildung ist zu entnehmen, dass die theoretisch größten Potenziale nahezu gleichbleibend in der Chemieindustrie, der Papierindustrie, der Baustoffindustrie und der Metallindustrie zu finden sind. Für eine genauere Bestimmung wurde der Verbrauch von Primärenergieträgern durch Wirtschaftszweige mit Daten des Statistischen Bundesamts ausgewertet. Eine Beurteilung kann dabei durch verschiedene Ansätze realisiert werden. Eine hier nicht vorgestellte Möglichkeit ist die Beurteilung potenzieller Branchen durch den Bezug von Energieverbrauch zum Bruttoproduktionswert (BPW).

 

Branchenspezifische Prozesse und deren Eignung zum Einsatz am REM

Besonders energieintensive Prozesse, die über einen hohen Grad an Flexibilität verfügen, besitzen gute Voraussetzungen für die Teilnahme am REM. Eine weitere Möglichkeit der Teilnahme am REM besteht durch das sog. Demand Side Management (kurz: DSM). Der Grundgedanke des DSMs ist die Flexibilisierung der Stromnachfrage, um die Kosten der Besorgung zu reduzieren und/oder flexible Lasten zu vermarkten. Das DSM bietet dabei den Vorteil, nicht zwingend am REM teilnehmen zu müssen. Hierdurch ergeben sich Möglichkeiten einer Kostensenkung ohne den hohen Anforderungen des REMs gerecht zu werden.

Die Deutsche Energie-Agentur (kurz: dena) hat sich zusammen mit den Ländern Baden-Württemberg (DSM-BW) und Bayern (DSM-Bayern) der Integration von DSM in Unternehmen gewidmet und hierzu zwei Pilotprojekte durchgeführt. Als DSM geeignet wurden dabei folgende Prozesse benannt [2]:

 

  • Mahlprozesse, zum Beispiel in Zement- oder Rohmehlmühlen in der Baustoffindustrie
  • Schleifprozesse in der Holzstoffproduktion
  • Chlorherstellung in der Chemieindustrie
  • Zellstoffherstellung oder Altpapieraufbereitung in der Papierindustrie
  • Wärmeerzeugung mithilfe von Strom (z. B. in Öfen, Wassersiedern)   
  • Härtungsverfahren in der metallverarbeitenden Industrie

 

Darüber hinaus eignen sich Prozesse, die im laufenden Betrieb nicht als zeitkritisch oder mit zusätzlichen Zwischenspeichern versehen sind. Möglich wären dabei verschiedene Aufbereitungsverfahren und Transportnetze mit nachgelagerten Bunkern. Hinzu können bedingt auch Querschnittstechnologien gezählt werden wie [2]:

 

  • Prozesskältesysteme
  • Pumpensysteme
  • Druckluftsysteme
  • Belüftungssysteme

 

Bei den Querschnittstechnologien bieten sich vor allem Anlagen an, die durch eine speicher-programmierbare Steuereinheit (SPS) oder vergleichbaren Schnittstelle fernsteuerbar sind. Wenn diese Schnittstelle noch nicht vorhanden ist, beschränkt sich die Einbindung auf größere Anlagen, da eine Nachrüstung ist kostspielig und der finanzielle Aufwand für jede Anlage, unabhängig ihrer Größe, nahezu gleich hoch ist. Dies ist u. a. ein Grund dafür, das kleinere Anlagen nur selten erschlossen werden. Für eine wirtschaftlich sinnvolle Nachrüstung werden daher meistens nur Anlagen mit einer Leistung größer gleich 100 kW und einer jährlichen Arbeit von mindestens 100.000 kWh betrachtet [3].

 

Für eine genauere Untersuchung eines Unternehmens auf dessen Potenzial für DSM, sollten die vorhandenen Prozesse zusätzlich auf folgende Eigenschaften überprüft werden [4]:


  • Verschiebbare Stromlast: am besten hoch in Leistung und Zeitdauer
  • Regelbarkeit der Stromlast: schnelle und stufenlose Regelbarkeit
  • Planbarkeit und Zuverlässigkeit: Strombedarf der Last kann gut vorhergesagt werden
  • Häufige Schaltzyklen: Häufige Schaltzyklen sind ohne technische und organisatorische Probleme möglich
  • Bedeutung des Prozesses für das Unternehmen: Die Prozessrisiken aufgrund von Schaltungen sind für das Unternehmen tragbar
  • Ansteuerbarkeit der Anlagen: möglichst Anbindung an Prozessleittechnik vorhanden

 

Sind einige dieser Punkte oder gar alle erfüllt, kann mit einer Investitionsrechnung fortgefahren werden, um mögliche Erlöse oder Opportunitätskosten einzuschätzen.

 

Analyse eines Unternehmens im Raum Krefeld

Zur Identifikation des tatsächlich realisierbaren Potentials von KMU am REM wurden im Raum Krefeld und Umgebung Unternehmen angesprochen. Ein Unternehmen hat zugestimmt, sich einer Analyse zu unterziehen. Die Ergebnisse dazu werden im Folgenden in anonymisierter Form vorgestellt.

 

Grunddaten

Das betrachtete Unternehmen stellt ein klassisches KMU der Branche Leichtmetallgießereien (nach WZ 2008 unter der Klassifikation 24.53.0) mit etwa 90 Mitarbeitern dar, von denen 70% der Produktion zugeordnet werden können. Gearbeitet wird an 5 Tagen die Woche. Der Strom wird über einen Mittelspannungsanschluss mit einer Bezugsleistung von 950 kW im Jahr 2016 bezogen. Der Anschluss erfolgt über zwei Trafos, welche mit jeweils 630 A abgesichert werden. Die bezogene Arbeit lag 2016 bei etwa 1,6 GWh, wovon 1,1 GWh als HT-Arbeit (HT=Hauptzeit) bezogen wurden. Hieraus ergeben sich für das betrachtete Jahr etwa 1.684 Volllaststunden. Die genannten Daten zeigen auf, dass eine direkte Teilnahme am REM, angesichts der Zugangsvoraussetzungen die Mindestleistung betreffend, nicht in Frage kommt und nur indirekt, z.B. als Teil eines virtuellen Kraftwerks möglich wäre.

Als Problem stellte sich heraus, dass das betrachtete Unternehmen über kein Energie-überwachungssystem verfügt bzw. sich derzeit erst um die Integration eines solchen bemüht. Mithilfe eines Sicherungsplans konnte daher nur eine Abschätzung der installierten Leistung je Anlage durchgeführt und anhand Informationen über Fahrweisen der einzelnen Anlagen Annahmen über mögliche Verbräuche angestellt werden. Die nachstehende Tabelle zeigt die verkürzte Ausführung des Sicherungsplans, bei dem all jene Anlagen mit einer Absicherung von 112 A und mehr aufgeführt wurden.


Tabelle 1: Sicherungsplan mit möglichen Anlagen

Anlagen

Absicherung

Leistung

Sandaufbereitung 1

200 A

71 kW

Sandaufbereitung 2

250 A

89 kW

Induktionsofen

400 A

143 kW

Kompressor 1+2+3

160 A

57 kW

Härteöfen

355 A

127 kW

Spülmaschine

112 A

40 kW


Die Tabelle 1 legt all jene Anlagen des betrachteten Unternehmens dar, die für die Verwendung von Regelleistung in Frage kommen. Dabei ist nicht jede Anlage gleichermaßen für den Einsatz am REM geeignet, da neben der bereitstehenden Leistung auch die Frage nach dem realisierbaren Regelungs- und Automatisierungsgrad geklärt werden muss.

So muss die Sandaufbereitungsanlage täglich händisch ein und wieder ausgeschaltet werden, wohingegen sie während der Schicht vollautomatisch läuft. Diese Anlage ist theoretisch für Regelenergie geeignet, da für jeden Arbeitsplatz Sandbunker nachgeschaltet sind, die einen kurzzeitigen Produktionsstopp zu kompensieren in der Lage sind. Allerdings fehlt der Anlage die notwendige Kommunikationsschnittstelle. 

Beim Induktionsofen handelt es sich, bezogen auf die elektrische Leistung, um die größte Anlage. Der Einsatz erfolgt sporadisch, also weder täglich noch durchgehend. Durch diese Tatsache lässt sich hier ein ungenutztes Potenzial für Regelleistung erkennen. Für negative und positive Regelleistung würde sich ein Temperaturband anbieten, in dessen Rahmen eine kurzeitige Änderung der Leistung bzw. Temperatur nicht zu einer Phasenänderung der Schmelze führen würde.

Die Härteöfen werden i. d. R. nachts betrieben und stellen ebenso wie der Induktionsofen einen potenziellen Prozess dar, welcher sich für den Einsatz von DSM bzw. Regelenergie eignet. Ähnlich wie beim Induktionsofen kann hier ausgegangen werden, dass ein gewisses Wärmeband als thermischer Puffer verwendet werden kann. Hinderlich ist allerdings, dass die Härteöfen nicht automatisiert sind und mithilfe einer Zeitschaltuhr betrieben werden. Dies würde für eine mögliche Erschließung durch ein Prozessleitsystem erst einmal eine zusätzliche Investition bedeuten.

Als Querschnittstechnologien könnten sich die drei Druckluftkompressoren für Regelleistung verwenden lassen. Allerdings stellen diese ein elementares Glied der Produktion dar. Würde die Druckluft ausfallen, würden viele der Anlagen nicht betrieben werden können. Durch fehlende Druckspeicher und ein relativ kleines Druckluftnetz, können die Kompressoren für nicht mehr als 3 Minuten weggeschaltet werden.

Die Spülmaschine (Produktionsanlage) wird derzeit nur von nachts bis nachmittags betrieben, was mit dem aktuellen Arbeitsplan des Unternehmens zusammenhängt. Hierbei handelt es sich allerdings ebenfalls nicht um einen zeitkritischen Prozess, sodass dieser ggf. vorgezogen oder nach hinten geschoben werden könnte. Problematisch könnte es sein, dass dieser Prozess, neben seiner relativ geringen Leistung von 40 kW, händisch und mit einer Zeitschaltuhr betrieben wird. Dies würde auch hier eine Nachrüstung erfordern.

Insgesamt kann festgestellt werden, dass es einige zeitlich unkritische Prozesse gibt, welche sich für die Bereitstellung von SRL und MRL eignen könnten. Es könnte sich anbieten die Prozesse zeitlich aneinander anzupassen, um mehr Leistung für DSM bereitstellen zu können. Als aussichtsreiche Prozesse können sowohl der Induktionsofen, als auch die Härteöfen angesehen werden.

Kritisch muss angemerkt werden, dass das betrachtete Unternehmen zwar über einen Regel-leistungs-Pool am Regelleistungsmarkt teilnehmen könnte, die Opportunitätskosten (durch die notwendigen Investitionen) die möglichen Erlöse des Regelleistungsmarktes (niedrige Preise für Regelleistung) jedoch übersteigen werden. Außerdem werden die Anlagen nur von montags bis freitags betrieben, so dass nur eine Teilnahme am MRL und SRL HT möglich ist. Eine Ausdehnung der Produktion auf Samstag und Sonntag erfordert zusätzliches Personal und diese Kosten würden die zusätzlichen Einnahmen durch REM um ein Vielfaches übertreffen.

Eine gute Gelegenheit wäre das Ersetzen alter Anlagen durch neue, effizientere und mit SPS ausgerüsteter Anlagen. Statt weiterhin mit Heizöl würden diese Öfen zukünftig elektrisch betrieben, wie der Induktionsofen. So wäre ein nützliches Potential für den REM vorhanden.

Bezüglich notwendiger Anschaffungskosten hat DSM-Bayern 2016 in seiner wissenschaftlichen Projektbegleitung Untersuchungen zu Investitionskosten für eine Implementierung von DSM veröffentlicht. Der nachfolgenden Tabelle sind die Daten für drei Beispielunternehmen zu entnehmen, welche verschiedene Unternehmensgrößen darstellen.


Tabelle 2: Kosten für die Implementierung von DSM [5]


Auffällig ist der große Unterschied bei den Investitionen. Dies resultiert aus der bereits genannten Annahme nicht vernetzter Prozesse bei KMU. Mithilfe dieser Tabelle bzw. der Ausarbeitung von DSM-Bayern können die Investitionssummen für Unternehmen grob abgeschätzt werden.


Erlösrechner

Zur Abschätzung der Erlöschancen auf den Märkten für SRL, MRL und abschaltbaren Lasten wird im Rahmen des Projekts ein Excel-Tool erstellt. In starker Anlehnung an den Fragebogen, der innerhalb dieses Projektes zur Unternehmensbefragung angefertigt wurde, berechnet das Tool überschlägige Erlöse durch Leistungs- und Arbeitspreise, sowie voraussichtliche Kosten zur Implementierung eines DSM-Systems und ermittelt daraus die statische Amortisationsdauer und den internen Zinsfuß. Bei den abschaltbaren Lasten werden SOL und SNL zusammengefasst, da die aktuellen Leistungs- und Arbeitspreise identisch sind und sich für SOL lediglich höhere Investitionen durch die erforderlichen Frequenzabschalteinrichtungen ergeben. Tabelle 3 beschreibt die unternehmens- und anlagenspezifischen Eingangsparameter, die durch Ausfüllen des Fragebogens in Erfahrung gebracht werden.

Grundlage der marktbezogenen Eingangsparameter werden noch zu bestimmende Marktdaten der letzten Jahre. Die Erlöse durch die Leistungspreise werden anhand der kumulierten mittleren Leistungspreise der bezuschlagten Angebote ermittelt. Ein Vergleich mit der Abrufdauer des Projektes DSM Bayern wird dabei zur Orientierung herangezogen [5].


Tabelle 3: Ein- und Ausgangsparameter des Excel-ToolsFazit und Ausblick


Dieser Bericht stellt einige geeignete Prozesse für Unternehmen für eine mögliche Teilnahme am REM vor. Zusätzlich wurden Unternehmensbranchen identifiziert, welche wichtige Eigenschaften für die Teilnahme am REM besitzen. So sind Prozesse mit möglichst hoher Leistung besser für den REM geeignet als solche mit niedriger Leistung. Dies begründet sich hauptsächlich durch die fixen Erschließungskosten, welche für eine Teilnahme am REM benötigt werden. Prinzipiell muss jeder Prozess einzeln die aufwendige Präqualifizierung des ÜNB durchlaufen. Eine Erleichterung bietet die Teilnahme an einem virtuellen Kraftwerk.

Es wurden in einem ersten Ansatz die Kosten und Erlöse betrachtet. Insbesondere die Erlössituation (niedrige Preise) ist derzeit eine Hemmnis für einen Ausbau der REM-Teilnehmer. Die theoretischen Kenntnisse konnten in einem Pilotunternehmen untersucht werden. Es kann bei diesem Unternehmen ein weiteres wichtiges Hemmnis benannt werden, nämlich die fehlende Digitalisierung der Arbeitsprozesse und der geringe Automatisierungsgrad aller Anlagen.

In den nächsten Monaten sollen weitere KMU für eine Potentialanalyse gewonnen und die Datenbasis ausgeweitet werden. Ferner sieht das weitere Vorgehen die Weiterentwicklung des Excel-Tools zur Erlösberechnung vor. Es werden Einsparungen, Investitionen, Investitionssummen und Kosten für die Teilnahme am Regelenergiemarkt ermittelt, sowie eine Betrachtung von Hemmnissen und Grenzen des industriellen Lastmanagements vorgenommen. Die Ergebnisse der Einzelbetrachtungen werden hochgerechnet und auf dieser Basis Empfehlungen ausgesprochen.

Quellen:

[1] BUNDESVERBAND DER ENERGIE- UND WASSERWIRTSCHAFT; Energieintensive Branchen;

[2] DEUTSCHE ENERGIE-AGENTUR (DENA); Energieintensive Prozesse; www.dsm-bw.de/demand-side-management/branchen-und-prozesse/; Stand 15.08.2017

[3] NEXT KRAFTWERKE GMBH; Virtuelle Kraftwerke; https://www.nextkraftwerke.de/virtuelles-kraftwerk/faq-virtuelles-kraftwerk; Stand15.06.2017

[4] DEUTSCHE ENERGIE-AGENTUR (DENA); Energieintensive Prozesse; http://www.dsm-bw.de/demand-side-management/potenziale-fuer-dsm/; Stand 18.08.2017

[5] FORSCHUNGSGESELLSCHAFT FÜR ENERGIEWIRTSCHAFT MBH FFE; Wissenschaftliche Projektbegleitung des Projektes DSM Bayern; www.ffegmbh.de/images/stories/Berichte/456_dsm-in-bayern/160809_Wissenschaftliche_Projektbegleitung_DSM-Bayern_final.pdf; Stand 30.07.2017


Abkürzungen:

DSM Demand Side Management

HT Hauptzeit

KMU Kleine und mittlere Unternehmen

MRL Minutenreserveleistung

PRL Primärregelleistung

REM Regelenergiemarkt

SNL Schnell abschaltbare Lasten

SOL Sofortabschaltbare Lasten

SPS Speicherprogrammierbare Steuereinheit

SRL Sekundärregelleistung

TE Technische Einheit

ÜNB Übertragungsnetzbetreiber

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