Projektbeschreibung

Forschungsgewächshaus der HU Berlin
(Foto: Katharina Bohm)

Einführung in die Problematik

In Deutschland ist der Gewächshausanbau von Gurken und Tomaten aufgrund der geringen Sonneneinstrahlung im Winter nur mit Heizung und Beleuchtung möglich. Vor allem die hohen Stromkosten zur Beleuchtung lassen eine wirtschaftliche Gemüseproduktion in der lichtarmen Zeit nicht zu. Ein Heizbedarf besteht hingegen ganzjährig und kann einen hohen Anteil der Betriebskosten ausmachen.

Durch den im Zuge der Energiewende weiter steigenden Anteil der volatilen Energieerzeuger im Stromnetz ergeben sich sowohl Perioden eines Über- als auch Unterangebots an Strom. Diese Angebotsschwankungen führen im Strommarkt zu hohen bzw. niedrigen Strompreisen. Schwankungen in der Stromeinspeisung, die nicht vorausgesehen und in die Vermarktung der Erneuerbaren-Energien-Anlagen integriert werden können, müssen durch Regelleistung ausgeglichen werden. Negative Regelleistung wird benötigt, wenn mehr Strom erzeugt als verbraucht wird. Positive Regelleistung dient dem Ausgleich von zu geringer Stromerzeugung im Verhältnis zum Verbrauch. Flexible Verbraucher können sich, ähnlich wie flexible Erzeuger, diese Entwicklung zu Nutze machen: Der Verbrauch kann in Zeiten mit niedrigen Preise verschoben werden. Zusätzlich kann Regelleistung angeboten werden.

Solche flexiblen Kapazitäten könnten auch durch neuartige Ansätze in der Klimatisierung und Betriebsführung von Gewächshäusern bereitgestellt werden. So könnte mit Elektroenergie versorgte Heiz- und Lichttechnik unter Wahrung bestimmter Restriktionen flexibel nach Börsenpreisen gesteuert werden, wobei der Stromverbrauch gegenüber dem herkömmlichen Betrieb sowohl zeitlich verschoben werden als auch erhöht oder verringert werden kann. Ebenso lässt sich die Betriebsweise einer Elektrowärmepumpe flexibilisieren – hierbei können zusätzliche Synergieeffekte im Gewächshausbetrieb geschaffen werden (z.B. Ertrags- und Qualitätsanstieg).

Forschungsgewächshaus der HU Berlin
(Foto: Ingo Schuch)

Der Einsatz fossiler Energieträger ließe sich in Gewächshäusern durch die Nutzung von temporären Überschüssen aus der Verstromung von Erneuerbaren Energien verringern. Gleichzeitig werden die Erzeugungsanlagen besser in den Markt eingebunden und ihr Ausbau kann weiter vorangetrieben werden. Durch die verstärkte Nutzung von Strom in Zeiten eines hohen Angebots könnten Gewächshausbetreiber zudem die Strombeschaffungskosten senken. Eingegrenzt wird der flexible Betrieb durch pflanzenbauliche Restriktionen, vor allem hinsichtlich der zulässigen Abkühlung im Gewächshaus. So kann es bei reduzierter oder ausgeschalteter Heizung zur Taupunktunterschreitung mit einhergehender Kondensation von Luftfeuchte an den Pflanzen kommen. Dies kann wiederum phytosanitäre Probleme (wie Pilzbefall) verursachen oder pflanzenphysiologische Prozesse (z.B. Transpiration) negativ beeinflussen.



Beschreibung der Forschung

Im Forschungsverbund ELGEVOS wurden Synergien bei der Einbindung von Gewächshäusern in eine erneuerbare Energiewirtschaft untersucht. Dabei wurden neue Betriebskonzepte für Gewächshäuser erarbeitet, die kosteneffizient und unter geringem Einsatz von fossilen Energieträgern die Marktintegration Erneuerbarer-Energien-Anlagen unterstützen. Konkret wurde geprüft, wie sich die Stromversorgung von großen Gewächshäusern optimal an die zunehmenden Preisschwankungen im Strommarkt anpassen lässt. Dabei lag der Fokus auf einem möglichst günstigen Stromeinkauf am Spotmarkt unter Wahrung pflanzenbaulicher Restriktionen. Die Potenziale von zusätzlichen Erlösen durch das Anbieten von Regelleistung wurden ebenfalls bewertet.

Die Zeiträume, in denen Überschüsse verfügbar sind, überschneiden sich jedoch erwartungsgemäß nur selten mit den Zeiträumen eines witterungsbedingten Heiz- und Kühlbedarfs im Gewächshaus. Daher sind Speicherkonzepte für Wärme und Kälte erforderlich. Im Forschungsverbund ELGEVOS wird auf die Ergebnisse des ZINEG-Projekts (Entwicklung des Solarkollektorgewächshauses mit Wärmepumpe und thermischen Speicher) zurückgegriffen, die ein solches Speicherkonzept beinhalten.

Schema des Solarkollektor-Gewächshauses mit Solarabsorber, thermischem Speicher, Wärmepumpe, Zusatzheizung und Beleuchtung

Im Projekt wurde ebenfalls die Verwendung von Zusatzlicht untersucht. Durch die Beleuchtung wird nicht nur ein Ertragsanstieg möglich, sondern auch die Ausdehnung der Produktion auf die Wintermonate, in denen höhere Preise für Gemüse erzielt werden. Bei der Belichtung von Pflanzen sind jedoch Restriktionen hinsichtlich der Länge der Dunkelphase und des Wärmeeintrags zu beachten. Außerdem schränkt die Verwendung von Hochdruckgasentladungslampen die Flexibilität ein, da ein häufiges An- und Abschalten dieser Lampen ihre Lebensdauer verringert. Abhilfe könnte die Nutzung von LED-Lampen verschaffen, die neben einer höheren Lichtausbeute und einer allgemein höheren Lebensdauer auch flexibler gesteuert werden können. Nachteilig sind jedoch die höheren Investitionskosten für LED-Lampen.



Ergebnisse

Die Untersuchungen des Forschungsverbunds haben ergeben, dass im Gewächshaus eine Verschiebung der Belichtungszeiten, sowie der Heiz- und Kühllast um maximal vier Stunden zu empfehlen ist. Dies führt bei der Teilnahme am Spotmarkt zu durchschnittlichen Kosteneinsparungen von rund 46 % der Strombeschaffungskosten, aber nur knapp 15 % der gesamten Stromkosten. Die Preisschwankungen des Strommarktes werden aufgrund von fixen Steuern und Umlagen, die auf die Strombeschaffungskosten aufgeschlagen werden, nur bedingt an die Verbraucher weitergegeben.

Kostenkomponenten der Stromkosten aufgeschlüsselt nach Kostenkomponenten im konventionellen (Referenz) und im Strompreis-optimierten Betrieb in den Jahren 2014 bis 2016: Beschaffungskosten (Besch.), Netzentgelte (NNE), EEG-Umlage (EEG), Sonstige Steuern und Umlagen (Sonst.)

Flexibilität würde stärker angereizt, wenn die EEG-Umlage und die Netzentgelte dynamisiert und die Marktsignale somit verstärkt würden. Die Höhe der durch das Angebot und den Abruf von Minutenreserve zu erzielenden Mehrerlösen ist in besonderem Maße von der Preisentwicklung im Regelenergiemarkt und den regulatorischen Rahmenbedingungen abhängig.

Ferner zeigte sich, dass sich die Stromkosten für ein Solarkollektorgewächshauses mit „Gasheizung und Elektrowärmepumpe“ soweit senken lassen, dass es hinsichtlich des Anteils der Energiekosten am Tomatenertrag wirtschaftlich betrieben werden kann und dabei auf dem Effizienzniveau der konventionellen Betriebsweise mit alleiniger „Gasheizung“ liegt. Der Einsatz einer künstlichen Zusatzbeleuchtung rechnet sich allerdings auch im strompreis-optimierten Betrieb nicht, da die Mehrkosten für die Stromversorgung die Erlöse durch die Ertragssteigerung deutlich übersteigen.

Die Ergebnisse des Projektes wurden in einer Animation visualisiert. Die im Projekt untersuchten Szenarien des Gewächshausbetriebs können in der Animation miteinander verglichen werden.



Projektdaten

Laufzeit 05/2015 - 07/2018
Auftraggeber Landwirtschaftliche Rentenbank
Zuständiges Ministerium Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
Projektträger Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE)
Konsortium Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ), Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE)
Projektleitung Prof. Dr. Uwe Schmidt (HUB)


Projektpartner

Die Projektleitung im Forschungsverbund oblag dem Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ). Das IGZ führte die notwendigen pflanzenphysiologischen Untersuchungen über Simulationen durch, die durch praktische Versuche validiert wurden. Hauptgegenstand dieser Untersuchungen war, die Auswirkungen von unterbrochenen Belichtungsperioden auf Pflanzengesundheit und Ertrag im Vergleich zu einer konventionellen Belichtungsstrategie zu bewerten.

Der Schwerpunkt der Untersuchungen der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB) lag bei der energetischen Simulation eines Gewächshauses unter Verwendung der Ergebnisse der pflanzenphysiologischen Untersuchungen. Dabei betrachtete die HUB mehrere Szenarien mit unterschiedlichen Gewächshauskonfigurationen. Das Hauptaugenmerk lag auf der Modellierung eines Gewächshausmodells, welches zur Kühlung/Heizung eine Elektrowärmepumpe sowie eine Widerstandsheizung beinhaltet. Außerdem ist ein thermischer Energiespeicher Teil des Modells, in dem Wärmeüberschüsse zur Nutzung in einem späteren Zeitpunkt vorgehalten werden können.

Das Fraunhofer IEE simulierte auf Basis der aus den Vorarbeiten resultierenden Rahmenbedingungen eine Teilnahme der Modellgewächshäuser am Strommarkt. Notwendig war hierbei, die von der HUB ermittelten, energetischen Anforderungen der Gewächshäuser zu erfüllen. Auf diese Weise wurden die Energiekosten der unterschiedlichen Gewächshäusertypen bestimmt. Als Ausgangspunkt wurden die Stromkosten ohne die Berücksichtigung variabler Beschaffungskosten bestimmt. Um eine variable Beschaffung von Strom in Abhängigkeit zu den Börsenpreisen zu simulieren, wurde eine Einsatzoptimierung umgesetzt. Neben den variablen Beschaffungskosten mussten dabei Restriktionen beim Betrieb des Gewächshauses beachtet werden. Durch die am Fraunhofer IEE entwickelte Software „RedSim (Renewable Energy Dispatch Simulation)“ konnte ebenfalls die Bereitstellung von Regelleistung durch die Gewächshauser bewertet werden.


Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB)

Prof. Dr. Uwe Schmidt
Telefon +49 (0)30 2093 - 46410
u.schmidt (at) agrar.hu-berlin.de

Dr. Ingo Schuch
Telefon +49 (0)30 2093 - 46416
ingo.schuch (at) agrar.hu-berlin.de

Unter den Linden 6
10099 Berlin
Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ)

Dr. Oliver Körner
Telefon +49 (0)33701 - 78355
koerner (at) igzev.de

Theodor-Echtermeyer-Weg 1
14979 Großbeeren

Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE)

Britta Zimmermann
Telefon +49 (0)561 7294 - 203
britta.zimmermann (at) iee.fraunhofer.de

Königstor 59
34119 Kassel