Der elektrische Heizkessel und die Netzstabilität: was er wirklich beitragen kann

Von AITESA

In einem modernen elektrischen System erzeugen nicht alle relevanten Anlagen Energie. Einige verbrauchen sie. Und in bestimmten Kontexten können diejenigen, die Energie verbrauchen, ebenso wichtig sein wie diejenigen, die sie erzeugen.
Elektrische Heizkessel gehören zu dieser zweiten Gruppe.
Ihre Funktion besteht darin, aus elektrischer Energie Dampf oder heißes Wasser zu erzeugen. In einem Umfeld mit hoher Durchdringung variabler erneuerbarer Energien kann ihre Rolle jedoch über den industriellen Prozess hinausgehen.
Ihr Interesse liegt nicht nur darin, wie sie Wärme erzeugen, sondern auch darin, wie sie in eine Anlage und in das Stromnetz als große, steuerbare, schnelle und vorhersehbare Last integriert werden können.

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1. Was ist ein elektrischer Heizkessel und welche Typen gibt es?

Ein elektrischer Heizkessel wandelt elektrische Energie ohne Verbrennung vor Ort in thermische Energie um. In industriellen Anwendungen dominieren zwei Technologien.

Widerstandskessel erzeugen Wärme mithilfe elektrischer Elemente, die im Wasser eingetaucht sind. Sie bieten eine präzise und stabile Modulation, die für Anwendungen geeignet ist, bei denen eine feine Lastregelung im Vordergrund steht.

Elektrodenkessel erzeugen Wärme, indem elektrischer Strom direkt durch das Wasser geleitet wird. Sie sind besonders für große Leistungen geeignet und ermöglichen sehr schnelle Lastanstiege.

Beide teilen eine zentrale Eigenschaft: Sie sind große elektrische Lasten, vollständig steuerbar und mit einer Reaktionsfähigkeit, die von konventionellen thermischen Technologien nur schwer erreicht wird. Dies ermöglicht ihnen:

Vom Kaltstart bis zur Volllast in weniger als 5 Minuten hochfahren.
Von Mindestlast auf Volllast in etwa 30 Sekunden wechseln.
Die Leistung kontinuierlich innerhalb ihres Betriebsbereichs modulieren.

Aus Sicht des elektrischen Systems ähneln diese Eigenschaften eher denen einer Regelanlage als denen eines konventionellen Verbrauchers.

2. Die strukturelle Herausforderung des Stromsystems

Der Stromausfall in Spanien hat ein wachsendes technisches Problem aufgezeigt: die Aufrechterhaltung einer stabilen Frequenz und Spannung in einem Netz mit einer größeren Präsenz von erneuerbaren Energien und einer geringeren synchronen Trägheit.

Wenn die Stromerzeugung plötzlich ausfällt oder ein schnelles Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage entsteht, muss das System innerhalb von Sekunden reagieren. Wenn die Abweichungen die Betriebsgrenzen überschreiten, können Schutzmaßnahmen ausgelöst werden, die zu kaskadenartigen Abschaltungen führen.

In diesem Zusammenhang gewinnt die Flexibilität an strategischer Bedeutung.

Traditionell wird diese Flexibilität durch Kraftwerke gewährleistet, die ihre Leistung variieren können. Mit dem Ausbau der variablen Erzeugung aus erneuerbaren Energien beziehen die Netzbetreiber jedoch zunehmend nachfrageseitige Ressourcen ein .

Das heißt, dass die Verbraucher ihren Verbrauch in Echtzeit ändern können, um das Gleichgewicht des Netzes zu unterstützen.

3. Wie ein elektrischer Heizkessel an der Netzregulierung teilnehmen kann

Das elektrische System muss jederzeit ein nahezu sofortiges Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch aufrechterhalten. Im Gegensatz zu anderen industriellen Systemen kann elektrische Energie im Netz selbst nicht ohne Weiteres in großem Maßstab gespeichert werden, sodass sich jedes Ungleichgewicht unmittelbar in einem zentralen Parameter widerspiegelt: der Systemfrequenz.

In Europa beträgt die Nennfrequenz 50 Hz. Sie steigt, wenn mehr Energie erzeugt als nachgefragt wird, und sinkt, wenn der Verbrauch die verfügbare Erzeugung übersteigt. Diese Abweichungen können innerhalb von Sekunden auftreten, zum Beispiel nach der unerwarteten Abschaltung einer Erzeugungseinheit, bei schnellen Schwankungen der erneuerbaren Erzeugung oder bei abrupten Änderungen des Stromverbrauchs.

Um das System innerhalb seiner Betriebsgrenzen zu halten, nutzen die Netzbetreiber verschiedene Korrekturmechanismen, die als Systemdienstleistungen bekannt sind.

Im spanischen Stromsystem gibt es drei Hauptmärkte, an denen flexible Ressourcen teilnehmen können:

Sekundäre Regulierung (aFRR)

Passt die Erzeugung oder den Verbrauch automatisch auf Zeitskalen von Sekunden oder wenigen Minuten an, um Frequenzabweichungen zu korrigieren.

Tertiäre Regulierung (mFRR)

Sie wird manuell vom Systembetreiber aktiviert, um das Gleichgewicht wiederherzustellen, wenn die Sekundärregelung nicht ausreicht.

Aktiver Nachfragereaktionsdienst (ADRS)

Es ermöglicht Großverbrauchern, ihren Verbrauch zu reduzieren, wenn sie vom Betreiber dazu aufgefordert werden, um das Stromsystem zu entlasten.

Traditionell wurden diese Dienstleistungen von Kraftwerken erbracht. Die europäische Gesetzgebung erlaubt jedoch zunehmend die Beteiligung von flexiblen Verbrauchern.

Ein elektrischer Heizkessel kann an diesen Mechanismen teilhaben, solange er sie hat:

Angemessene Kontrollsysteme
Telemetrie und Kommunikation mit dem Betreiber/Aggregator
Ausreichende Modulationskapazität
Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften

Er verhält sich dann nicht mehr wie ein rein passiver Bedarf, sondern wird aus Sicht des Systems zu einer kontrollierbaren Last. Er kann seinen Verbrauch erhöhen, wenn das Netz die verfügbare Energie aufnehmen muss, oder ihn reduzieren, wenn die Nachfrage gesenkt werden muss. Für den Betreiber ist dies gleichbedeutend mit einer schnellen Regelungsmöglichkeit auf der Verbrauchsseite.

4. Warum dies auf Branchenebene wichtig ist

Ein Elektrokessel muss nicht nur als Mittel zur Erzeugung von Dampf ohne Verbrennung analysiert werden. Er kann auch als ein Vermögenswert betrachtet werden, der dem Stromsystem Flexibilität verleiht und auf bestimmten Märkten eine mit dieser Verfügbarkeit verbundene Vergütung generiert.

Dies erweitert die übliche Bewertungslogik. Der Kessel ist nicht mehr nur durch die Dekarbonisierung oder die thermische Abdeckung des Prozesses gerechtfertigt. Er kann auch einen Wert in Bezug auf seine Reaktionsfähigkeit bieten.

Für eine Industrieanlage hat dies wichtige Auswirkungen. Dieselbe Modulationsfähigkeit, die es ihm erlaubt, seinen Betrieb an die Bedürfnisse des Prozesses anzupassen, führt auch zu neuen Möglichkeiten der Interaktion mit dem Netzwerk.

Im Hinblick auf den Betrieb weist diese Art von Geräten eine Reihe besonders interessanter Merkmale auf:

Disponierbarer Bedarf, der in der Lage ist, seinen Stromverbrauch entsprechend externer Signale zu erhöhen oder zu verringern
Schnelle und vorhersehbare Laderampen, die mit den erforderlichen Reaktionszeiten bei Ausgleichsdiensten kompatibel sind.
Kontinuierliche Leistungsmodulation innerhalb eines definierten Betriebsbereichs
Natürliche Integration in digitale Kontrollsysteme, die eine einfache Koordination mit Energiemanagement-Plattformen ermöglichen.

Das bedeutet, dass ein elektrischer Kessel nicht nur Dampf oder Heißwasser für den industriellen Prozess erzeugt, sondern auch eine Anpassungsleistung auf der Nachfrageseite bieten kann.

Eine einzelne Anlage kann einen systemischen Stromausfall aufgrund eines großen Erzeugungsausfalls nicht verhindern. Aber eine stärkere Integration von schnellen, steuerbaren Lasten erweitert den Handlungsspielraum des Systembetreibers und stärkt die allgemeine Widerstandsfähigkeit.

5. Tatsächlicher Gewinn und mögliche Rentabilität, wenn Sie nicht nach Produktion arbeiten

Dies wirft eine besonders relevante Frage für viele Industrieanlagen auf: Welchen Wert kann der Elektrokessel haben, wenn sich sein Betrieb aufgrund der Kosten für die Wärmeerzeugung nicht lohnt.

Die Antwort ist, dass es selbst dann noch als netzwerkfähiges Gerät nützlich sein kann.

Mit anderen Worten: Der Kessel muss nicht nur im Hinblick auf die Kosten des im Dauerbetrieb erzeugten Dampfes analysiert werden. Er kann auch als flexible Leistung analysiert werden, die das Kraftwerk dem Stromsystem zu bestimmten Zeiten zur Verfügung stellt, insbesondere wenn es nicht sinnvoll ist, ihn als Hauptwärmeerzeuger einzusetzen.

Diese Nuance ist besonders wichtig, da auf vielen Ausgleichsmärkten nicht nur die tatsächlich verbrauchte Energie vergütet wird, sondern auch die Verfügbarkeit von Strom und die Reaktionsfähigkeit.

Dies ermöglicht eine andere wirtschaftliche Logik:

Der Kessel kann in der Anlage integriert bleiben, auch wenn er im Basisbetrieb nicht die wettbewerbsfähigste thermische Option ist.
Ihr Wert kann zu bestimmten Zeiten zum Tragen kommen, wenn das Netzwerk Flexibilität benötigt.
Ihre potenzielle Rentabilität hängt nicht nur von den Kraftstoffeinsparungen oder der Dekarbonisierung ab, sondern auch von den mit den Anpassungsdiensten verbundenen Einnahmen.

Natürlich hängt diese Rentabilität von einer Reihe von Faktoren ab:

Preise für Elektrizität
Wert der Verfügbarkeit auf regulatorischen Märkten
Tatsächliche Aktivierungsstunden
Fähigkeit zur Modulation ohne Beeinträchtigung des Prozesses
Thermische Alternative in der Anlage verfügbar
Technische Anforderungen für den Marktzugang

Wenn der Heizkessel aktiviert wird, um zusätzlichen Strom zu verbrauchen, sind die Hauptbetriebskosten der Preis für diese Energie. Die wirtschaftliche Logik besteht also nicht darin, zu sagen, dass ein elektrischer Heizkessel immer billig zu betreiben ist, sondern zu bestimmen, unter welchen Bedingungen seine Flexibilität diese Kosten kompensiert.

Mit anderen Worten: Die Analyse konzentriert sich nicht mehr nur auf die Kosten der Dampferzeugung mit Strom, sondern bezieht auch den Wert mit ein, den der Kessel als flexibler Vermögenswert innerhalb einer breiteren Energiearchitektur generieren kann.

6. Wie diese Logik den Wert von Ko-Generationen steigern kann

In einer KWK-Anlage sollte der Elektrokessel nicht als Ersatz für die Gasturbine betrachtet werden, sondern als ein Instrument zur Optimierung des thermischen Systems entsprechend dem energetischen Kontext.

Die Logik ist einfach. Im Normalbetrieb kann die Anlage mit Erdgas betrieben werden. Aber wenn Strom in Bezug auf die Kosten für die Erzeugung der erforderlichen Wärmelast billiger ist als Gas, kann die Wärmeerzeugung auf den Elektrokessel verlagert werden. In diesen Stunden trägt die Anlage direkt zur Senkung der Gesamtbetriebskosten bei.

Wenn sich dieses Verhältnis umkehrt und der Betrieb mit Gas wettbewerbsfähiger wird, übernimmt die KWK wieder die Führung. Dennoch kann der Elektrokessel immer noch einen Wert darstellen: Er kann als flexible Last verfügbar bleiben, um an den Ausgleichsmärkten teilzunehmen und Einnahmen aus seiner Reaktionsfähigkeit zu erzielen.

Das ändert die Art und Weise, wie die Anlage gerechtfertigt ist. Der Elektrokessel macht sich nicht nur in den Stunden bezahlt, in denen er Dampf erzeugt, sondern auch in den Stunden, in denen er dem Stromsystem Flexibilität bietet. Er senkt also die Kosten, wenn es günstig ist, mit Strom zu arbeiten, und generiert eine zusätzliche Einnahmequelle, wenn es günstig ist, mit Gas zu arbeiten.

So verstanden, kann der Elektrokessel den Wert einer bestehenden KWK-Anlage steigern, nicht weil er sie ersetzt, sondern weil er ihren Handlungsspielraum erweitert, ihre Anpassung an Marktsignale verbessert und einen neuen Monetarisierungskanal hinzufügt.

7. Der AITESA-Ansatz

Damit dieser Beitrag wirklich geleistet werden kann, darf der Kessel nicht als isoliertes Gerät behandelt werden. Er erfordert eine elektrische und steuertechnische Integration, die mit der Architektur der Anlage und den Anforderungen des Netzes übereinstimmt.

Dies impliziert:

Richtige Definition von elektrischen Verbindungen und Schutzmaßnahmen
Auf DCS oder PLCs abgestimmte Kontrollstrategien
Koordinierung mit dem Dampfnetz und Prozessbeschränkungen
Bewertung der betrieblichen Flexibilität ohne Beeinträchtigung der Produktion

Die Energiewende hängt nicht nur davon ab, mehr erneuerbare Energien einzubinden. Sie erfordert auch Anlagen, die sich dynamisch an die Netzbedingungen anpassen können.

In einem solchen Szenario können richtig konzipierte und integrierte elektrische Widerstands- und Elektrodenkessel zusätzliche Flexibilität in das elektrische System bringen und gleichzeitig eine zuverlässige Wärmeversorgung für die Industrie gewährleisten.

Und das ist wahrscheinlich die interessanteste Erkenntnis: Der Elektrokessel sollte nicht nur als Dekarbonisierungsinstrument betrachtet werden. Er sollte auch als ein an das System angeschlossener Energieträger betrachtet werden, der in der Lage ist, die Netzstabilität zu gewährleisten, neue Betriebsoptionen zu eröffnen und durch seine Beteiligung an Flexibilitätsdiensten zur Amortisierung der Investition beizutragen.