Fraunhofer entwickelt digitale Steuerung gegen Dunkelflaute – Biogasanlagen sollen Strom liefern, wenn Wind und Sonne fehlen

Knapp 10.000 Biogasanlagen gibt es in Deutschland. Sie könnten zu einer wichtigen Stromreserve werden, wenn Windräder stillstehen und Solaranlagen kaum Energie liefern. Denn anders als Wind und Sonne lässt sich Biogas speichern und bei Bedarf in Strom umwandeln. Das Problem: Viele Anlagen produzieren ihren Strom bislang weitgehend unabhängig davon, wann er besonders dringend gebraucht wird. Eine neue digitale Technik soll das ändern und helfen, Dunkelflauten gezielter zu überbrücken.

Entwickelt hat die Technik das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. Die Wissenschaftler verknüpfen dafür Strompreisprognosen mit Informationen über Gasproduktion, Speicherfüllstände und den Betriebszustand der Anlagen. Daraus berechnet das System, wann sich Biogas besser speichern lässt und wann die Stromerzeugung besonders wirtschaftlich ist. Bestehende Biogasanlagen können die Technik nutzen, ohne ihre bisherige Steuerung vollständig erneuern zu müssen.

Für Biogasanlagen ändern sich die wirtschaftlichen Regeln

Für 2027 sind weitere Änderungen am Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geplant. Biogasanlagen sollen künftig stärker dann Strom einspeisen, wenn die Nachfrage hoch ist und Wind- sowie Solarenergie nicht ausreichen. Gleichzeitig könnte die Zahl der vergütungsfähigen Betriebsstunden begrenzt werden. Damit gewinnt der Zeitpunkt der Stromerzeugung wirtschaftlich an Bedeutung.

Biogas entsteht durch die Vergärung organischer Materialien wie Gülle, Mist oder Pflanzenresten. Ein Blockheizkraftwerk verbrennt das Gas und erzeugt daraus Strom und Wärme. Allerdings verfügen nicht alle Anlagen über ausreichend große Speicher, um längere Zeit ohne Stromproduktion auszukommen. Ein Ausbau lohnt sich laut Fraunhofer vor allem bei älteren Anlagen nicht immer.

Sensoren liefern mehr Daten als bisher genutzt werden

In modernen Biogasanlagen messen Sensoren laufend die Temperaturen in den Gärbehältern, die Zusammensetzung des Biogases und den Füllstand der Speicher. Die Steuerung registriert außerdem die Betriebszeiten von Pumpen und Rührwerken sowie technische Störungen.

Viele dieser Informationen bleiben bislang weitgehend ungenutzt. Häufig speichert die Steuerung Messwerte nur für kurze Zeit. Angaben über eingesetzte Rohstoffe, Betriebszustände und technische Grenzwerte liegen zudem oft getrennt vor. Dadurch fehlen wichtige Zusammenhänge, etwa zwischen einer bestimmten Rohstoffmischung und der anschließend erzeugten Gasmenge.

Ein zusätzlicher Computer führt Betriebsdaten zusammen

Die Fraunhofer-Experten verwenden dafür einen sogenannten Edge-Computer. Der Industriecomputer sitzt direkt vor Ort im Schaltschrank und liest Informationen aus der vorhandenen Anlagensteuerung aus. Er speichert Messwerte über längere Zeiträume und bringt unterschiedliche Daten in eine einheitliche Struktur.

Die bisherige Steuerung bleibt für den sicheren Betrieb verantwortlich. Der zusätzliche Computer übernimmt die Auswertung und ermöglicht Prognosen. Die Datenverarbeitung kann vollständig vor Ort stattfinden. Betreiber entscheiden selbst, welche Informationen sie an externe Dienste weitergeben.

Strompreise und Gasspeicher bestimmen den Betrieb

„Ein hoher erwarteter Strompreis allein reicht für eine Entscheidung nicht aus – es muss auch genügend Gas vorhanden sein, und die Anlage muss technisch in der Lage sein, wie geplant zu arbeiten“, erklärt Fraunhofer-Verfahrenstechniker Alexander Laug.

Für die Berechnung eines geeigneten Betriebsplans berücksichtigt das System mehrere Faktoren:

Gasproduktion: Wie viel Biogas voraussichtlich entsteht.
Speicherfüllstand: Welche Gasmenge bereits bereitsteht.
Anlagenleistung: Wie viel Strom das Blockheizkraftwerk erzeugen kann.
Strompreise: Wann sich mit der Einspeisung höhere Einnahmen erzielen lassen.
Betriebsgrenzen: Welche technischen Einschränkungen einzuhalten sind.

Aus diesen Informationen erstellt das Modell Vorschläge für die Betriebszeiten. Bei niedrigen Strompreisen könnte die Anlage beispielsweise zunächst Gas zurückhalten und das Blockheizkraftwerk später einschalten. Betreiber können über die Umsetzung selbst entscheiden. Ein automatischer Eingriff in die vorhandene Steuerung ist dafür nicht erforderlich.

Rohstoffmischungen beeinflussen die Gasproduktion

Auch die Zusammensetzung des Materials im Gärbehälter beeinflusst den späteren Stromertrag. Unterschiedliche organische Rohstoffe enthalten verschieden viel nutzbare Energie und setzen bei ihrer Zersetzung das Biogas unterschiedlich schnell frei.

Die Plattform kann frühere Betriebsdaten mit den eingesetzten Rohstoffmengen vergleichen. Daraus lassen sich Prognosen für die künftige Gasproduktion ableiten. Ein Optimierungsmodell berechnet außerdem geeignete Mischungen und berücksichtigt dabei Rohstoffkosten, erwartete Gasmengen und die zulässige Belastung des Gärbehälters.

„Ein Optimierungsmodell kann berechnen, wie sich eine verfügbare Substratmischung zusammensetzen sollte, ohne die zulässigen Belastungsgrenzen des Fermenters zu überschreiten“, erläutert Laug. Fraunhofer bietet bereits ein Online-Simulationswerkzeug an, mit dem sich verschiedene Rohstoffmischungen und Strompreisentwicklungen durchspielen lassen.

Künstliche Intelligenz soll Wartungsprobleme früh erkennen

Die gesammelten Informationen können auch KI-Anwendungen versorgen. Diese sollen beispielsweise Veränderungen im Anlagenbetrieb erkennen und bei der Planung von Wartungsarbeiten helfen. Auffällige Messwerte oder ungewöhnliche Laufzeiten könnten Hinweise auf mögliche technische Probleme liefern.

Eine weitere Anwendung sind sogenannte Softsensoren. Sie berechnen Betriebsgrößen, für die keine direkten Messungen vorliegen. Dazu kombinieren sie vorhandene Sensorwerte mit mathematischen Modellen.

Wie stark die digitale Optimierung die Einnahmen tatsächlich steigern kann, ist bislang nicht beziffert. Fraunhofer nennt weder konkrete Einsparungen noch zusätzliche Strommengen für Zeiten geringer Wind- und Solarstromproduktion. Die Plattform ermöglicht zunächst eine Betriebsplanung auf Grundlage der vorhandenen Daten.

Auch Kläranlagen könnten ihren Stromverbrauch senken

Die Technik lässt sich grundsätzlich auf andere industrielle und kommunale Anlagen übertragen. Dazu gehören Kläranlagen, Bewässerungssysteme und Einrichtungen zur Trinkwasserversorgung.

In Kläranlagen könnten digitale Modelle beispielsweise den Energiebedarf der biologischen Abwasserreinigung verringern. Dort benötigen Gebläse viel Strom, um Mikroorganismen mit Sauerstoff zu versorgen. Eine bedarfsgerechte Belüftung könnte unnötige Laufzeiten vermeiden. Auch Pumpen und andere energieintensive Maschinen ließen sich anhand ihrer Betriebsdaten überwachen.

Batteriespeicher könnten Strompreisspitzen um 62 Prozent senken

Auch große Batteriespeicher können Schwankungen zwischen Stromangebot und Nachfrage ausgleichen. Wie stark sie den Strommarkt beeinflussen könnten, hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in einer Simulation berechnet. Mit 20 Gigawatt zusätzlicher Batterieleistung wäre die Börsenstrompreisspitze am 20. Januar 2025 von 583 auf 221 Euro pro Megawattstunde gesunken – ein Rückgang um rund 62 Prozent.

Batteriespeicher nehmen überschüssigen Strom auf und geben ihn später wieder ab. Biogasanlagen können dagegen zusätzliche Energie aus gespeichertem Gas bereitstellen. Beide Technologien ergänzen sich damit: Batterien gleichen kurzfristige Schwankungen aus, während Biogasanlagen bei ausreichenden Gasvorräten auch längere Phasen geringer Wind- und Solarstromproduktion überbrücken können. Allerdings können niedrigere Preisspitzen zugleich die möglichen Verkaufserlöse der Biogasanlagen verringern.

Kurz zusammengefasst:

Biogasanlagen können Strom liefern, wenn Wind und Sonne ausfallen, weil sich das erzeugte Biogas speichern und bei Bedarf zur Stromerzeugung nutzen lässt.
Fraunhofer hat eine digitale Technik entwickelt, die Gasproduktion, Speicherfüllstände und Strompreise auswertet, um den wirtschaftlich günstigsten Zeitpunkt für die Stromerzeugung zu bestimmen.
Die Technik lässt sich in bestehende Anlagen integrieren, ohne deren Steuerung vollständig zu erneuern; wie stark sie Kosten senkt oder Einnahmen erhöht, ist bislang nicht beziffert.