Mit Elektrifizierung und Automatisierung zu effizienteren und nachhaltigeren Stromnetzen - Teil 2 von 2

Der Austausch traditioneller Energiequellen im Stromnetz durch nachhaltige, grüne Energiequellen wird als Elektrifizierung bezeichnet. In Teil 1 dieser Serie wurden einige der mit der Elektrifizierung verbundenen Herausforderungen erörtert und wie die Automatisierung zu ihrer Effizienz und Nachhaltigkeit beitragen kann. Dieser Artikel, Teil 2 von 2, befasst sich mit den Zertifizierungen LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) und ZEB (Zero Energy Building) und damit, wie sie den Kohlenstoffausstoß verringern und die Nachhaltigkeit verbessern können.

Die Zertifizierungen nach LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) und ZEB (Zero Energy Building) stellen bedeutende Bemühungen dar, die den Wunsch der Gesellschaft nach einer Reduzierung der Kohlenstoffemissionen und einer Verbesserung der Nachhaltigkeit unterstützen. Das Erreichen von LEED- und ZEB-Zertifizierungen erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der die Elektrifizierung, bei der auf fossilen Brennstoffen basierende Energiesysteme durch grüne Alternativen wie Photovoltaik (PV) und Elektrofahrzeuge (EVs) ersetzt werden, mit fortschrittlichen Automatisierungs- und Kontrollsystemen kombiniert.

Das LEED-Programm des U.S. Green Building Council (USGBC) umfasst die Dekarbonisierung von bestehenden Gebäuden und Neubauten. Die ZEB-Bemühungen werden von der Abteilung für Energieeffizienz und erneuerbare Energien (EERE) des US-Energieministeriums koordiniert. Die Erlangung von LEED- und ZEB-Zertifizierungen erfordert von Architekten und Bauunternehmern neue Ansätze bei der Planung, dem Bau und dem Betrieb von Gebäuden. Im Vergleich zu ZEB, das sich ausschließlich auf den Energieverbrauch konzentriert, ist LEED ein umfassenderes Konzept, das Kohlenstoff, Energie, Wasser, Abfall, Transport, Materialien, Gesundheit und Umweltqualität in Innenräumen berücksichtigt.

Dieser zweite Teil einer Serie von zwei Artikeln über Elektrifizierung und Nachhaltigkeit befasst sich zunächst mit den LEED- und ZEB-Zertifizierungsstufen und den Voraussetzungen für den Erhalt dieser Zertifizierungen für Gewerbe- und Industriegebäude, einschließlich eines Vergleichs verschiedener Definitionen von ZEB. Anschließend wird anhand eines Beispiels erläutert, wie Phoenix Contact die Automatisierung und die PV-Stromerzeugung vor Ort nutzte, um eine LEED-Silber- und ZEB-Zertifizierung für einen 6500 Quadratmeter großen Anbau auf dem Hauptcampus zu erreichen, und wie einige der eigenen Produkte des Unternehmens zum Erfolg des Projekts beitrugen (Abbildung 1). Abschließend wird ein Blick darauf geworfen, wie LEED-Gebäude zu den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen beitragen können.

Abbildung 1: Die PV-Energieerzeugung auf dem Dach war ein Schlüsselfaktor, der es diesem Gebäude von Phoenix Contact ermöglichte, die LEED-Silber- und ZEB-Zertifizierung zu erhalten. (Bildquelle: Phoenix Contact)

LEED ist ein ganzheitliches Konzept

LEED ist ein umfassendes System, das alle Elemente berücksichtigt, die für die Schaffung von Hochleistungsgebäuden erforderlich sind. LEED-Zertifizierungen basieren auf Credits oder Punkten, die einem Projekt anhand detaillierter Leistungskriterien zugewiesen werden. Die Leistungskategorien und ihre relative Bedeutung (von der größten bis zur geringsten Bedeutung) sind¹:

• Reduzierung des Beitrags zum globalen Klimawandel.
• Verbesserung der individuellen menschlichen Gesundheit.
• Schutz und Wiederherstellung der Wasserressourcen.
• Schutz und Verbesserung der biologischen Vielfalt und der Ökosystemleistungen.
• Förderung von nachhaltigen und regenerativen Stoffkreisläufen.
• Verbesserung der Lebensqualität der Gemeinschaft.

Auf das wichtigste Kriterium, die Verringerung des Beitrags zum globalen Klimawandel, entfallen 35 % aller Punkte. Zu den Stufen der LEED-Zertifizierung gehören Zertifiziert (40 bis 49 Punkte), Silber (50 bis 59 Punkte), Gold (60 bis 79 Punkte) und Platin (80 und mehr Punkte).

In der neuesten Version von LEED, v4.1, beziehen sich die meisten Punkte auf den betrieblichen und den verkörperten Kohlenstoff. Unter Betriebskohlenstoff versteht man die Kohlendioxid(CO₂)-Emissionen, die durch Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK), Beleuchtung und andere energieverbrauchende Gebäudesysteme entstehen. Verkörperter Kohlenstoff sind Emissionen, die mit der Herstellung von Baumaterialien und Bauprozessen während des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes verbunden sind.

Die LEED-Zertifizierung ist wichtig für die Schaffung einer grüneren Gesellschaft. Gebäude sind für 39 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich, wobei 28 % auf den Gebäudebetrieb und 11 % auf verkörperte Emissionen entfallen (Abbildung 2). Da der Gebäudesektor am meisten zu den weltweiten CO₂-Emissionen beiträgt, wurden auch spezielle Programme entwickelt, um die Entwicklung von Nullenergiegebäuden zu fördern.

Abbildung 2: Der Gebäudebetrieb, die Baumaterialien und der Bau sind die Hauptverursacher der weltweiten CO₂-Produktion. (Bildquelle: new buildings institute)

Definition von Null

Null Energie scheint ein einfaches Konzept zu sein, aber es gibt mehrere Definitionen dafür. Die drei meistgenannten sind das LEED-Nullenergieprogramm, das ILFI-Nullenergieprogramm (International Living Future Institute) und das Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) - eine Initiative der Organisation Architecture 2030, die als kalifornischer Standard für Gebäudeenergie übernommen wurde. Es gibt erhebliche Unterschiede bei der Definition von „Null“.

Um die LEED-Nullenergiezertifizierung zu erhalten, muss ein Gebäude eine Energiebilanz von Null für 12 Monate aufweisen, einschließlich der vor Ort erzeugten und der extern erzeugten (bezogenen) Energie. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe vor Ort ist nicht verboten. Der Gesamtenergieverbrauch muss aus vor Ort oder extern erzeugter erneuerbarer Energie oder aus Kohlenstoffkompensationen bestehen.

Die ILFI-Nullenergiezertifizierung ist die strengste Norm. Es verlangt, dass der Energiebedarf des Gebäudes zu 100 % aus erneuerbaren Quellen vor Ort gedeckt wird. Es ist keine Verbrennung erlaubt, und die Zertifizierung basiert auf der tatsächlichen Leistung; eine Modellierung ist nicht erlaubt.

Zero Code richtet sich speziell an neue gewerbliche und institutionelle Gebäude sowie an Wohngebäude mit einer mittleren bis hohen Anzahl an Stockwerken. Es definiert ein Null-Kohlenstoff-Gebäude als ein Gebäude, das keine fossilen Brennstoffe vor Ort verwendet und vor Ort genügend kohlenstofffreie erneuerbare Energie oder Kohlenstoffgutschriften erzeugt oder beschafft, um den Energiebedarf des Gebäudes zu decken. Der Zero Code verlangt außerdem, dass Gebäude die ASHRAE-Norm 90.1-2019 für Gebäudeeffizienz erfüllen. Der Zero Code erlaubt den Ersatz durch andere Energieeffizienzstandards, wenn diese zu einer gleichen oder höheren Energieeffizienz führen.

Mit gutem Beispiel vorangehen

Phoenix Contact hat vor kurzem eine PV-Anlage mit einer Leistung von 961 Kilowatt (kW) auf dem Dach des Logistikzentrums auf dem US-Hauptcampus des Unternehmens installiert. Das System erzeugt genug Strom, um etwa 30 % des Energiebedarfs der Einrichtung zu decken, was dem Energieverbrauch von etwa 160 Haushalten pro Jahr entspricht. Das Gebäude erhielt die Zertifizierungen LEED Silver und Zero Energy.

Die erdgasbefeuerte 1-MW-Mikroturbinenanlage zur Kraft-Wärme-Kopplung vor Ort wurde in die PV-Anlage integriert. Das zentrale Energiekontrollsystem überwacht die Leistung der PV-Anlage und den Energieverbrauch des Gebäudes in Echtzeit. Der Mikroturbinen-Generator wird eingesetzt, wenn der Gesamtenergiebedarf die Leistung der PV-Anlage übersteigt. Es gibt Zeiten, in denen die PV-Anlage und die Mikroturbine gemeinsam genutzt werden, um über Net-Metering Strom in das Netz einzuspeisen und so Einnahmen für das Unternehmen zu erzielen.

Das System wurde so konzipiert, dass der Erdgasverbrauch tagsüber reduziert und der Mikroturbinengenerator hauptsächlich nachts betrieben wird, wodurch die Gesamtenergieeffizienz maximiert und die CO₂-Emissionen insgesamt minimiert werden. An manchen Tagen ist es möglich, den Erdgasverbrauch fast auf Null zu reduzieren. Einige statistische Daten der PV-Anlage sind:

• 2185 Sonnenkollektoren
• Jährliche Erzeugung von 1.214.235 kWh
• Reduzierung des CO₂-Footprints um 1.939.279 Pfund

Die kontinuierliche Überwachung und Steuerung der einzelnen PV-Segmente in großen Anlagen wie dieser ist notwendig, um eine maximale Effizienz und Verfügbarkeit der Stromerzeugung zu erreichen.

Automatisierung braucht verwertbare Informationen

Eine effektive Automatisierung und Steuerung von Elektrifizierungssystemen wie PV-Anlagen erfordert umfangreiche und verwertbare Informationen. Die Echtzeitüberwachung der einzelnen PV-Panels maximiert die Produktion und unterstützt die vorbeugende Wartung. Bei einem unerwarteten Ausfall einer Kette könnten Tausende von Kilowatt an Leistung verloren gehen, was entsprechende finanzielle Verluste zur Folge hätte.

Die 961-kW-PV-Anlage auf dem Hauptgelände von Phoenix Contact in den USA umfasst zwölf Wechselrichter mit sechs Ketten aus PV-Panels, die jeden Wechselrichter speisen, und beinhaltet mehrere Produkte des Unternehmens, angefangen bei EMpro-Energiezählern der zweiten Generation wie dem panelmontierbaren 2908286. Diese Zähler sind so konzipiert, dass sie wichtige Energieparameter messen und an cloudbasierte Plattformen übertragen, die eine Fernüberwachung aller Systemelemente ermöglichen. EMpro-Energiezähler sind für verschiedene Stromversorgungssysteme erhältlich, einschließlich ein-, zwei- und dreiphasiger Installationen und Konfigurationen. Das System überwacht zahlreiche Systemelemente und Betriebsbedingungen in Echtzeit, darunter:

• Die Wechselrichter werden einzeln auf DC-Eingangsleistung, AC-Ausgangsleistung, Wirk- und Blindleistung, Fehler und Betriebsstatus überwacht.
• Jede PV-Kette wird auf Strom- und Spannungsausgabe überwacht. Diese Daten werden ausgewertet, um den Zustand der Ketten und einen eventuellen Wartungsbedarf zu ermitteln.
• Die Temperatur der Panels wird mit zahlreichen Sensoren überwacht, die über die gesamte Anlage verteilt sind.
• Wetterbedingungen wie Windgeschwindigkeit und -richtung, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftdruck werden erfasst.
• Die Sonneneinstrahlung wird mit zwei Pyranometern gemessen, von denen eines in einem 10-Grad-Winkel, der dem Aufstellwinkel der Paneele entspricht, und das andere horizontal angebracht ist.
• Verschmutzungssensoren messen den Lichtverlust, der durch Staub und Schmutz auf der Oberfläche der PV-Module verursacht wird.
• Kameras sorgen für die Sicherheitsüberwachung des Systems.

Das System benötigt auch Datenprotokollierung und Schnittstellen. So kommunizieren beispielsweise die Radioline-Funkmodule des Unternehmens, wie das Modell 2901541, drahtlos mit Temperatur- und Verschmutzungssensoren für PV-Module über das RS-485-Protokoll. In anderen Fällen wird Power over Ethernet (PoE) verwendet, um gleichzeitig Versorgungsstrom und Daten zu übertragen. Schutz vor Eindringlingen bieten die Sicherheitsrouter FL mGuard der Serie 1000, wie das Modell 1153079, die Firewall-Schutz und Benutzerverwaltung bieten.

Um all dies zu verbinden, ist eine Steuerung wie das Modell 1069208 von Phoenix Contact für die Hutschienenmontage erforderlich, die auf der PLCnext-Technologie des Unternehmens basiert (Abbildung 3). In Verbindung mit einem I/O-Modul wie dem Modell 2702783 sammelt der Controller Daten aus dem Sensornetzwerk und überträgt sie an einen Cloud-Dienstanbieter. Darüber hinaus läuft auf einem Industrie-PC die Software Solarworx von Phoenix Contact. Die enthaltenen Softwaretools und Bibliotheken unterstützen die Kommunikationsprotokolle und Standards der Solarbranche. Das System ermöglicht die kundenspezifische Automatisierung und Visualisierung des PV-Anlagenbetriebs und ist mit Softwarepaketen von Drittanbietern kompatibel, die historische und Echtzeitdaten zur Leistungsoptimierung analysieren können. Die Bibliotheken enthalten Funktionsblöcke, die die Anforderungen der Norm IEC 61131 für programmierbare Steuerungen erfüllen.

Abbildung 3: Controller zur Hutschienenmontage, geeignet für große PV-Anlagen. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die Einspeiseregelung ist das letzte Puzzleteil bei der Integration von dezentralen Energieressourcen (DERs) wie PV-Anlagen in das Stromnetz. PGS-Controller von Phoenix Contact können die Spannungs- und Blindleistungspegel an den Netzanschlusspunkten überwachen und die erforderlichen Steuerwerte für die Wechselrichter zur Unterstützung des Einspeisemanagements in Mittel- und Hochspannungsnetze ermitteln.

LEED und nachhaltige Entwicklung

Die Vereinten Nationen (UN) haben 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung² (SDGs) festgelegt, die die weltweite Armut bis 2030 beenden sollen. Nach Angaben des USGBC kann die Elektrifizierung und Automatisierung von LEED-Gebäuden zur Erreichung von 11 der 17 SDGs beitragen, darunter:

Ziel 3: Gute Gesundheit und Wohlbefinden

Ziel 6: Sauberes Wasser und sanitäre Einrichtungen

Ziel 7: Erschwingliche und saubere Energie

Ziel 8: Förderung des dauerhaften, integrativen und nachhaltigen Wirtschaftswachstums, produktive Vollbeschäftigung und menschenwürdige Arbeit für alle

Ziel 9: Aufbau einer widerstandsfähigen Infrastruktur, Förderung einer integrativen und nachhaltigen Industrialisierung und Unterstützung von Innovationen

Ziel 10: Verringerung der Ungleichheit innerhalb von und zwischen Ländern

Ziel 11: Nachhaltige Städte und Gemeinden

Ziel 12: Verantwortungsvoller Konsum und verantwortungsvolle Produktion

Ziel 13: Klimamaßnahmen

Ziel 15: Landökosysteme schützen, wiederherstellen und ihre nachhaltige Nutzung fördern, Wälder nachhaltig bewirtschaften, die Wüstenbildung bekämpfen und die Verschlechterung der Bodenqualität und den Verlust der biologischen Vielfalt aufhalten und umkehren

Ziel 17: Stärkung der Umsetzungsinstrumente und Neubelebung der globalen Partnerschaft für nachhaltige Entwicklung

Unternehmensstrategien können auch zu einer nachhaltigeren Gesellschaft beitragen. So war beispielsweise die Erlangung der LEED-Silber- und Null-Energie-Zertifizierung für das Logistikzentrum von Phoenix Contact ein Teil des ursprünglichen Ziels des Unternehmens, an allen seinen weltweiten Standorten Klimaneutralität zu erreichen. Das nächste Ziel des Unternehmens ist es, bis 2030 eine vollständig klimaneutrale Wertschöpfungskette zu schaffen.

Fazit

Der Bausektor trägt am meisten zur weltweiten CO₂-Produktion bei. LEED- und ZEB-Zertifizierungen sind wichtige Instrumente, um den Erfolg des Einsatzes von Elektrifizierung und Automatisierung zur Schaffung effizienter und nachhaltiger Gebäude zu messen. Wie gezeigt, können groß angelegte PV-Anlagen mit integrierter Kraft-Wärme-Kopplung vor Ort zu einer umweltfreundlicheren Gesellschaft beitragen. LEED-zertifizierte Gebäude unterstützen auch die Erreichung der siebzehn SDGs der Vereinten Nationen und das Ziel der Beseitigung der weltweiten Armut bis 2030.

Einzelnachweise:

1. LEED-Bewertungssystem, Green Building Council
2. Ziele für nachhaltige Entwicklung, Vereinte Nationen