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Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien (ELGEVOS)

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Im ELGEVOS-Verbund (bestehend aus IGZ, HU und Fraunhofer IWES) sollen Konzepte für Gewächshäuser entwickelt werden, die sich auf eine zunehmende Nutzung von erneuerbaren Energien einstellen (Ziel der Bundesregierung: 50 % bis 2030) und der damit einhergehenden Volatilität des Stromangebots bzw. der Strompreise begegnen. Die Lösungsansätze sollen den Energiebedarf von Gewächshausanlagen (v. a. zur Belichtung, Heizung und Kühlung) einbeziehen und dabei den hohen Anforderungen der Pflanzenproduktion gerecht werden.
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„Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei
einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien
(ELGEVOS)“
“Power Supply of Greenhouses in an Electricity System with High Share of
Renewable Energy Sources (ELGEVOS)”
Projektlaufzeit
11.05.2015 bis 30.04.2017
Projektkoordinator, Institution
Dr. Hans-Peter Kläring
Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpanzenbau
Großbeeren/Erfurt e.V. (IGZ)
Verbundpartner
Prof. Dr. Uwe Schmidt, Dr. Ingo Schuch
Humboldt-Universität zu Berlin (HU)
Dr. Tundra Margarita Ramírez Jiménez
Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpanzenbau
Großbeeren/Erfurt e.V. (IGZ)
Dipl.-Ing. Patrick Hochloff, Dipl.-Ing. Britta Zimmermann
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
Kassel (IWES)
Kurzfassung
Projektziel
Im ELGEVOS-Verbund (bestehend aus IGZ, HU und Fraunhofer IWES) sollen Konzep-
te für Gewächshäuser entwickelt werden, die sich auf eine zunehmende Nutzung von
erneuerbaren Energien einstellen (Ziel der Bundesregierung: 50 % bis 2030) und der
damit einhergehenden Volatilität des Stromangebots bzw. der Strompreise begegnen. Die
Lösungsansätze sollen den Energiebedarf von Gewächshausanlagen (v. a. zur Belichtung,
Heizung und Kühlung) einbeziehen und dabei den hohen Anforderungen der Panzen-
produktion gerecht werden.
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Realisierung
Am IGZ erfolgt die experimentelle Bestimmung der Auswirkung volatiler Belichtungs-
zeiten auf die Photosynthese, das Wachstum und den Ertrag im Gewächshaus. Zusätzlich
werden Szenarien zur Nutzung von Überschüssen der regenerativen Stromproduktion
simuliert. Dabei wird die energieintensive Belichtung von Panzen mit Ertragsmodellen
kombiniert.
An der HU laufen Anbauversuche zur volatilen Heizung und Kühlung im Gewächshaus.
Ein weiterer Fokus liegt bei der energetischen Simulation von Gewächshäusern mit
elektrisch betriebenen Wärme-/Kälteanlagen sowie thermischer Speicherung in Wasser-
reservoirs. Die Herausforderung ist dabei die Verknüpfung des Energiesystems mit dem
Gewächshaus. Dessen thermisches Regime muss so gesteuert werden, dass ausreichend
Wärme/Kälte zur Verfügung steht und eine kurzfristige Unterbrechung über den Spei-
cher abgefangen bzw. eine negative Regelleistung (Stromverbraucher wird zur Wärme-/
Kälteerzeugung eingeschaltet) in längerfristige Speicherkapazitäten umgesetzt wird.
Am Fraunhofer IWES werden Konzepte für das Lastmanagement des Stromverbrauchs
im Gewächshaus entwickelt. Mit Hilfe von Simulationen werden die Strombeschaffung
am Spotmarkt und die Teilnahme am Regelleistungsmarkt kostenoptimiert. Auf diese
Weise wird die Flexibilität des Gewächshauses in Kombination mit den elektrischen Ver-
brauchern und dem thermischen Speicher netzdienlich eingesetzt. Dabei wird sicherge-
stellt, dass die entscheidenden Randbedingungen für die Panzen, wie Lufttemperatur
und Belichtungszeit, eingehalten werden.
Ergebnisse
Erste Ergebnisse zeigen, dass eine Verteilung unterschiedlicher Belichtungszeiten über
die Nacht keine verringerte über 24 Stunden kumulierte Photosynthese zur Folge hat
und das die Photosynthese nach dem Einschalten der Lampen schnell das entsprechende
Niveau der Strahlungsintensität erreicht, jedoch ebenso schnell auf das Niveau der Res-
piration beim Abschalten der Lampen zurückfällt. Zudem konnte gezeigt werden, dass
sich aus der gleichen kumulativen Photosynthese der Varianten „Standardbelichtung“
und „Volatile Belichtung“ eine gleiche Biomasseproduktion und somit ein gleicher Ertrag
ergibt (Abb. 1).
Die Untersuchungen im ELGEVOS-Projekt zielen vor allem bei großen Gewächshausan-
lagen auf die Bereitstellung von sogenannter Regelleistung bzw. Regelenergie ab. Diese
Reserve dient dem Netzbetreiber zum Ausgleich von Schwankungen im Stromnetz.
Daraus ergäbe sich bei teilnehmenden Gewächshausanlagen ein vermehrtes An-/Ab-
schalten der noch häug genutzten Hochdruck-Gasentladungslampen und somit eine
beschleunigte Lampenalterung. Ein Ansatz der zugrundeliegenden Machbarkeitsstudie
setzt daher Licht-emittierende Dioden (LEDs) als Strahlungsquelle für Assimilationslicht
im Gewächshaus voraus.
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Abb. 1: Tomatenerträge bei Standardbelichtung und volatiler Belichtung. Die unterbrochenen Linien zeigen den
Ertragsverlauf, wie er aus der am Versuchsende gemessenen Masse der unreifen Früchte zu erwarten ist.
Weitere Untersuchungsergebnisse betreffen den Strombedarf für Kühl- und Heizzwecke
in Gewächshausanlagen. Hierzu wurde ein Computermodell entwickelt, mit welchem
sich ein Gewächshaus mit solarthermischer Kollektoräche, elektrischer Kompressions-
Wärmepumpe und Widerstandsheizung sowie einem thermischen Speicher ausstatten
lässt. Dadurch können unterschiedliche Szenarien zur Abschätzung des Elektroenergie-
bedarfs simuliert werden. Beim dargestellten Szenario einer 10 ha Gewächshausanlage,
wovon ein Viertel der Fläche zugleich als Solarkollektor mit Anbindung an einen thermi-
schen Großspeicher dient, ergibt sich für Kühl- und Heizzwecke an etwa 3330 Stunden/
Jahr ein Strombedarf ≥ 1 MW und an etwa 350 Stunden/Jahr ein Strombedarf ≥ 5 MW
(Abb. 2).
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Abb. 2: Computersimulation des Strombedarfs und der Speichertemperatur beim elektrischen Heizen/Kühlen
eines 10 ha Gewächshause s mit 25 % Solarkollektoräche und 150.000 m³ thermischen Speicher.
(Geplante) Verwertung
Die Menge an nicht genutzten Überschüssen bei der Stromproduktion aus erneuerbaren
Energien wird in den kommenden Jahren steigen. Eine Nutzung dieser Überschüsse
bietet ein Potential für Gewächshausbetriebe ihre CO2-Emissionen zu verringern, die
Produktivität zu erhöhen und Energiekosten zu senken. Hierzu werden mit ELGEVOS
die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen gelegt. Erste Lösungen werden
nach dem Projektabschluss zur Validierung ausgereift sein. Ein praktischer Test unter
Einbezug von modernen Niedrigenergiegewächshäusern (z. B. mit LEDs, Wärmepumpen
und thermischen Speichern) erfordert jedoch Investitionen aufgrund der technischen
Ausstattung dieser Gewächshäuser.
Die ELGEVOS-Akteure sind der Auffassung, dass die entwickelten Modellansätze in
einer Anwendungssoftware münden sollten, welche die spezischen Möglichkeiten einer
volatilen Energienutzung zur Belichtung, Heizung und Kühlung von Gewächshäusern
aufzeigt und zugleich eine ökonomische Bewertung durchführt.
Die Förderung des Vorhabens erfolgt aus Mitteln des Zweckvermögens des Bundes bei
der Landwirtschaftlichen Rentenbank. Die Projektträgerschaft erfolgt über die Bundes-
anstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE).
Full-text available
Technical Report
In der Machbarkeitsstudie ELGEVOS wurde der Gewächshausbetrieb durch eine computersimulierte Lastverschiebung entsprechend den Preisschwankungen am Strommarkt optimiert, um geringere Stromkosten zu erreichen. Dabei wird die im konventionellen Betrieb auf Zeiten mit hohen Strompreis fallende Last reduziert bzw. auf einen späteren Zeitpunkt mit niedrigeren Preis verschoben. Hierzu muss das Energieregime des Gewächshauses so gesteuert werden, dass eine Unterbrechung oder Reduzierung der Stromzufuhr über einen thermischen Speicher abgefangen und ein Stromüberschuss über eine Elektrowärmepumpe oder Widerstandsheizung in eine längerfristige Speicherkapazität umgewandelt wird. Die Stromverbraucher sind zügig regelbar, während die Lufttemperatur im Gewächshaus auf Veränderungen der Energiezufuhr träge reagiert. Dennoch muss die Lastverschiebung zeitlich begrenzt erfolgen, damit die Luftmasse im Gewächshaus oder ein Pufferspeicher die volatile Betriebsstrategie abfangen kann, ohne das Pflanzenwachstum negativ zu beeinflussen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch ein strompreisoptimiertes Lastmanagement größere Kosteneinsparungen erzielt werden könnten. Aufgrund von sich ändernden politischen und regulatorischen Rahmenbedingungen hängt eine Bewertung jedoch von Einzelfallbetrachtungen ab. Derartige Untersuchungen können mit den im Projekt ELGEVOS entwickelten Simulationswerkzeugen durchgeführt werden. Als Einstieg in die komplexe Thematik zeigt eine interaktive Webanwendung (www.elgevos.de/animation) mögliche Anwendungsszenarien und vergleicht den strompreisoptimierten Betrieb unterschiedlicher Gewächshauskonfigurationen mit/ohne Stromlastmanagement.
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