HESKH: Hybrider Energiespeicher Krankenhaus

Das Problem ist bekannt: Durch den wachsenden Anteil erneuerbarer Energien am Strommix steigt auf der einen Seite das Risiko, dass der Bedarf nicht durchgehend gedeckt werden kann. Auf der anderen Seite gibt es in vielen sonnen- und windreichen Stunden ein Überangebot. Der Lösungsansatz, den die Stadtwerke Bochum GmbH und Fraunhofer UMSICHT untersuchen, ist dagegen neu: Im Projekt »Hybrider Energiespeicher Krankenhaus« – kurz: HESKH – gehen sie der Frage nach, ob und wie die Versorgungsanlagen von Krankenhäusern zum elektrischen Energieausgleich genutzt werden können. Dabei wird neben der Potenzialermittlung an sich unter anderen auch untersucht, wie wichtig genaue Wärmelastprognosen sind, um den flexiblen Anlagenbetrieb zu planen.

In knapp 2000 deutschen Krankenhäusern stehen Versorgungssysteme zur Verfügung – von KWK-Anlagen, Kältemaschinen und zukünftig auch Wärmepumpen bis zu Wärme- und Kältespeichern. Im Vergleich zu anderen Verbrauchern (z. B. Wohn- und Bürogebäude) sind sie aufgrund ihrer Größe hervorragend geeignet, um mit geringem Aufwand Versorgungslücken im Stromnetz auszugleichen oder ein Überangebot aus erneuerbaren Energien wirtschaftlich zu nutzen.

Ziel der Projektpartner ist es daher, das Potenzial von Krankenhäusern für den elektrischen Energieausgleich zu erschließen und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung in den Einrichtungen zu verbessern. Am Beispiel des Evangelischen Krankenhauses Hattingen sowie mit Hilfe von Simulations- und Optimierungswerkzeugen untersuchen sie, wie die vorhandenen Speicherkapazitäten genutzt werden können, um die Lieferung von Wärme und Kälte vom aktuellen Bedarf zu entkoppeln. Durch diese Flexibilisierung kann zum einen die Stromerzeugung in KWK-Anlagen und zum anderen der Stromverbrauch von Kältemaschinen, Wärmepumpen und elektrischen Wärmeerzeugern an die aktuelle Situation im Stromnetz angepasst werden. Indem der Wärmebedarf für die nächsten Tage prognostiziert wird, wird bei der Anlageneinsatzplanung sichergestellt, dass der Wärmebedarf des Krankenhauses jederzeit gedeckt wird und keine Versorgungsengpässe auftreten. Durch die ausführliche Datenerhebung für die Modellierung und die Erstellung eines Simulationsmodells zur Abbildung des Energieverbrauchs sollen weiterhin Effizienzmaßnahmen identifiziert werden.

Für Krankenhäuser können sich durch den optimierten und flexiblen Anlagenbetrieb zusätzliche Erlösquellen ergeben. Über die Analyse der Energieeffizienz des Krankenhauses lassen sich zudem einfach umsetzbare Einsparmaßnahmen identifizieren und quantifizieren, die den Energieverbrauch und die Energiekosten senken. Ein weiterer Vorteil der Energieausgleichskonzepte in Krankenhäusern: Alte, ineffiziente Anlagen, die nicht an den Bedarfen orientiert betrieben werden, können im Zuge einer neuen Konzeptionierung der vorhandenen Systeme ausgetauscht werden. Dadurch lassen sich Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit weiter erhöhen.

Netzbetreiber können Ungleichgewichte im Stromnetz ausgleichen

Für Netzbetreiber ergibt sich eine Möglichkeit, Ungleichgewichte im Stromnetz über den geänderten Einsatz von Verbrauchs- und Versorgungsanlagen ein Stück weit auszugleichen. Dabei sind Krankenhäuser weitaus besser geeignet als Kleinanlagen in Wohnhäusern. Während Mikro- und Mini-BHKW für Wohnhäuser eine elektrische Leistung von ca. 5 bis 20 kW_el haben, liegen die Leistungsgrößen in den meisten Krankenhäusern zwischen 200 und 600 kW_el. Daraus resultieren deutliche Vorteile hinsichtlich der Anlagenakquise und der Umsetzung, da der Aufwand für das Energiemanagement sowie die Anbindung von Informations- und Kommunikationstechnologie im Vergleich zu Kleinanlagen deutlich geringer ist.

In einem ersten Schritt erfassen die Forschenden die relevanten Bestands- und Verbrauchsdaten des Krankhauses in Hattingen und lassen diese in eine Modellierung des aktuellen Bestands einfließen. Daraus erlangen sie ein besseres Verständnis der Zusammensetzung des Energieverbrauchs und können Effizienzmaßnahmen ableiten. Zudem nehmen sie umfangreiche Messungen der elektrischen Leistung sowie der thermischen Energieflüsse vor, um Eingangs- und Vergleichsdaten für die Modellierung zu generieren und auf deren Basis den Wärmebedarf prognostizieren zu können.

Um den Betrieb der Krankenhausanlagen anhand der Anforderungen der Netze und Märkte planen zu können, müssen im nächsten Schritt sowohl ein Betriebsoptimierungsmodell als auch ein Prognosemodell erstellt werden. Mit Hilfe des Prognosemodells kann der Wärmebedarf für die nächsten Tage vorausgesagt werden und in die Anlageneinsatzplanung einfließen. Da keine idealen Prognosen möglich sind, entsteht hierbei immer auch ein Fehler, sodass ein besonderes Augenmerk auf der Untersuchung dieser Auswirkungen auf die Anlageneinsatzplanung liegt. So können Rückschlüsse auf die notwendige Genauigkeit der Modelle getroffen und die Unsicherheiten in der Betriebsoptimierung berücksichtigt werden.

Für die sich anschließende Bewertung der Energieausgleichskonzepte definieren die Projektpartner geeignete Kriterien – z. B. Energieausgleichspotenzial, Flexibilität, Primärenergiebedarf, Kosten und Erlöse. Sie legen auch verschiedene Ausgleichszenarien sowie -ziele fest. Auf dieser Basis entwickeln sie mögliche Ausgleichskonzepte für die nachfolgenden Optimierungsrechnungen. Die Ergebnisse dieser Rechnungen werden hinsichtlich der gewählten Kriterien bewertet und die Konzepte verglichen. In einem letzten Schritt wird die Übertragbarkeit aussichtsreicher Konzepte auf andere Krankenhäuser untersucht und hinsichtlich der technisch-wirtschaftlichen Umsetzbarkeit beurteilt.

Dabei haben insbesondere die Stadtwerke Bochum als Praxispartner eine wichtige Rolle: Sie bewerten die Ergebnisse aus Anwendersicht und stellen somit sicher, dass die erarbeiteten Methoden und Konzepte auch in der praktischen Umsetzung sinnvoll und realisierbar sind.

• Stadtwerke Bochum GmbH
• Evangelisches Krankenhaus Hattingen