Sektorenvernetzung in der Dialyse
Wie kann man durch Sektorenvernetzung 100 % des Photovoltaikstroms in der Dialyse selbst verbrauchen?
Mit dieser Frage startete Christian Rohde, Partner bei GreenTec Dialysis GmbH, in seinen Vortrag zur Sektorenvernetzung in der Dialyse bei der 31. Erfurter Dialysetagung. Um der Antwort auf diese Frage nachzugehen, erläutert er zunächst einen beeindruckenden Zusammenhang:
Der Strombedarf in einem Dialysezentrum ist hoch. Ein durchschnittliches Zentrum mit etwa 15.000 Dialysebehandlungen im Jahr bringt es bei Versorgung mit klassischer Netzenergie im Zeitraum von 10 Jahren auf eine Stromrechnung von über 700.000 €.
Solarstrom – Zeiten mit Überschuss und Zeiten, in welchen die Sonne nicht scheint
Grund genug, sich über alternative Stromquellen Gedanken zu machen. Photovoltaik (PV) ist ein vielversprechender Kandidat, da die energiehungrigen Dialysebehandlungen tagsüber stattfinden, während die Sonne die notwendige Energie liefert. Nun gibt es verregnete Tage, an denen nicht hinreichend viel Solarstrom produziert wird und der Bedarf weiterhin über teuren Netzstrom abgedeckt werden muss. Andererseits gibt es Zeiten, zu denen die Sonne scheint, an denen aber kein Verbrauch stattfindet, etwa an Sonntagen oder kurzen Dialysetagen, und die regenerative Sonnenenergie im Überschuss vorliegt.
Die Lösung kann das Zwischenspeichern von elektrischer Energie sein, was derzeit aufgrund der noch sehr hohen Preise für die Batteriespeicher eher unrentabel ist. Die andere Möglichkeit, die Einspeisung der überschüssigen Energie in das öffentliche Netz, ist aufgrund der niedrigen Einspeisevergütung ebenfalls nicht sehr lukrativ. Weiterhin kann die Einspeisevergütung zu einer „steuerlichen Infizierung des Geschäftszwecks“ einer Dialyse führen, was erhebliche steuerliche Nachteile mit sich bringt.
Spätestens an dieser Stelle ist allen Zuhörern in Erfurt die Relevanz der Eingangsfrage klar geworden: wie kann man es schaffen, möglichst viel des Photovoltaikstroms in der Dialyse selbst zu verbrauchen?
60-65% des Energiebedarfs im Dialysezentrum wird zum Aufheizen von Dialysewasser benötigt.
Um der Antwort einen Schritt näher zu kommen, lohnt es sich, die Stromabnehmer im Dialysezentrum etwas genauer unter die Lupe zu nehmen.
Es gibt die Wasseraufbereitung, allen voran die Umkehrosmose, die das Permeat produziert. In den Dialysegeräten wird das Permeat mit Konzentrat gemischt und so die eigentliche Dialysiefüssigkeit hergestellt. Diese Flüssigkeit wird anschließend von den Dialysegeräten vor Kontakt mit Patientenblut auf Körpertemperatur aufgeheizt. Wussten Sie, dass dieser Aufheizprozess 60-65% des gesamten Strombedarfs im Dialysezentrum ausmacht?
Dies liegt daran, dass pro Dialysebehandlung etwa 320Liter Trinkwasser von 15° C durchschnittlicher Eingangstemperatur um mehr als 20 Kelvin auf Körpertemperatur von 36°C erwärmt werden müssen. Der Stromverbrauch in einem Zentrum, welches z.B. 15.000 Behandlungen im Jahr durchführt, liegt bei der beträchtlichen Strommenge von etwa 150.000kWh.
An dieser Stelle setzt GreenTec Dialysis an, indem durch Verwendung von regenerativer Energie in Form einer Wärmepumpe (WP) der Stromverbrauch drastisch reduziert werden kann. Die Wärmepumpe ist bei einer konservativen Betrachtung in der Lage aus einer Kilowattstunde Strom drei Kilowattstunden Wärmeenergie zu erzeugen. Die benötigte Energie und damit auch die Kosten, die für das Aufwärmen des Permeats anfallen, werden bereits auf ein Drittel reduziert. Dieser Prozess ist nicht etwa Zauberei, sondern nutzt auf clevere Art und Weise die Gesetze der Thermodynamik.
Abb.1 Einsparungsmöglichkeiten und Eigenverbrauch ohne vs. mit Sektorenvernetzung in einem Dialysezentrum
Abbildung 1 zeigt schematisch den Prozess. Die von der Wärmepumpe erzeugte Energie wird in einem Warmwassertank gespeichert. Damit steht dem Zentrum die in der dialysefreien Zeit erzeugte Energie weiterhin zur Verfügung. In einem speziell für den Dialyseprozess entwickelten Wärmetauschersystem (HE.RO) ndet der Energietransfer vom Warmwasserkreislauf auf das Trinkwasser statt, welches von durchschnittlich 15°C Eingangstemperatur auf knapp unter 30° C erwärmt wird. Dieses Wasser gelangt anschließend in die Umkehrosmose. Dort wird das Reinwasser (Permeat) produziert, welches über die Ringleitungen zu den Dialysegeräten geleitet wird. Die Vorerwärmung des Trinkwassers ist nur während des eigentlichen Dialysebetriebs aktiv, nicht bei den Spülvorgängen oder den Standzeiten, um so einem mikrobiologischen Wachstum in der Ringleitung vorzubeugen.
Ist das vorgewärmte Permeat am Dialysegerät angekommen, werden dort die letzten Kelvin, die noch bis zum Erreichen der Körpertemperatur fehlen, über elektrischen Strom bzw. den dort integrierten Wärmetauscher eingebracht. An dieser Stelle benötigt man jedoch nur noch ein Delta von wenigen Grad anstelle der üblichen 20 Grad pro Liter zu generierender Wärme.
Die Investition in die nachhaltige und innovative HE.RO Technologie wird staatlich gefördert. Dialysezentren, die unter die KMU Regelung fallen (Kleine und Mittlere Unternehmen), bekommen auf das Paket aus Wärmepumpe, Pufferspeicher, HE.RO und Messtechnik einen nicht rückzahlbaren Zuschuss von 55%. Größere Dialysebetreiber, die nicht mehr als KMU eingestuft werden, bekommen 45% der Kosten erstattet.
Sektorenvernetzung – Zusammenspiel von Photovoltaik, Wärmepumpe und Medizintechnik
Die Installation des HE.RO Systems mit Wärmepumpe ist bereits isoliert betrachtet ein Gewinn für die Energiebilanz im Dialysezentrum, da man aufgrund des Wärmepumpenprinzips mindestens zwei Drittel der Stromkosten bei der Wassererwärmung einspart. Wenn man den HE.RO nun noch intelligent mit der Photovoltaikanlage vernetzt, kommt es zu dem Effekt, den wir “Booster” nennen. (Abb. 1)
Der überschüssige Solarstrom, der üblicherweise mit den genannten Nachteilen ins öffentliche Netz eingespeist werden würde, kann nun zum Betreiben der Wärmepumpe genutzt werden. Jede generierte Kilowattstunde wird somit – multipliziert mit der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe – als Wärmeenergie gespeichert und steht am nächsten Morgen zum Aufheizen des Trinkwassers zur Verfügung. Wichtig dabei ist nicht nur, dass die Gesamteinsparung beim Strom von 40% (PV allein) auf 75% (PV & HE.RO zusammen) ansteigt. Wichtig ist darüber hinaus auch, dass zurückkommend auf die anfangs gestellte Frage nun anstelle von 60 % der gesamten Photovoltaikenergie 90% im Eigenverbrauch genutzt werden können. Die 100% Eigennutzung des Solarstroms ist zwar ambitioniert, kann aber durch zusätzliche, am besten zeitlich flexibel hinzuschaltbare Verbraucher, wie z.B. E-Autos von Mitarbeitern, realisiert werden.
Entscheidender Baustein bei der erfolgreichen Sektorenvernetzung ist das SMART DIALYSIS® System. Hierbei handelt es sich um das zentrale Steuerelement, über das sowohl die digitale Betriebsdatenerfassung als auch die Optimierung der Betriebszustände statt findet. SMART DIALYSIS® analysiert die Lastgänge zwischen den einzelnen Sektoren und erkennt Abweichungen von Trends. Auf diese Weise können die Sektoren Photovoltaik, Wärmepumpe und Medizintechnik synergistisch ineinandergreifen, Anomalien erkannt werden und das Dialysezentrum vollumfassend von den Vorteilen der installierten Komponenten profitieren.
Abb.2 4 – Stufen Plan “Grüne Dialyse” von der Erfassung des Status quo über die Umsetzung bis zum laufenden Betrieb
Schritte zur grünen Dialyse
Wir begleiten Sie auf dem Weg zu einer nachhaltigen und zukunftsfähig aufgestellten “Grünen Dialyse”. Der 4 – Stufen Plan dazu ist in Abbildung 2 dargestellt. Erster Schritt ist immer eine sogenannte Potenzialanalyse. Hier schaut man sich die Gegebenheiten vor Ort an, wie groß beispielsweise das Dach ist, welche Ausrichtung es hat, ob es Stellflächen für Wärmespeicher gibt und diese einer statischen Prüfung standhalten.
Ziel ist es, das Optimum zwischen maximaler Größe der PV-Anlage und 100 % Eigenverbrauch zu finden.
Mit den ermittelten Maßnahmen geht es im 2. Schritt in die Projektierung. Diese umfasst die technischen Fachplanungen, wie die optimale Auslegung der Photovoltaik und der Wärmepumpe, oder baulich-statische Überprüfung zum Einbringen der Technologien. Die notwendigen Investitionen werden unter Beachtung der verschiedenen Finanzierungsmöglichkeiten wie Contracting und staatlicher Förderung ermittelt. Ebenfalls stellen wir bereits in diesem Schritt für Sie die Förderanträge an das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).
In der Umsetzung des Projektes stehen Ihnen die dialyseerfahrenen, technischen Projektmanager von GreenTec Dialysis vom ersten Tag als Ihr Ansprechpartner zur Verfügung. Die Leistungserbringung erfolgt als Generalunternehmer aus einer Hand. Das Projekt endet für uns nicht mit der Schlussrechnung. Wir verstehen uns als Ihr Partner auf dem Weg zur grünen Dialyse, denn optimale Einsparpotentiale lassen sich nur durch eine permanente Evaluierung und Optimierung der installierten Systeme erreichen.
Abb.3 Prognose der Betriebskosten unter folgender Annahme: 15.000 Dialysen p. a. auf 10 Jahre / Stromkosten-Steigerung 3 % p. a. / Zahlenbasis 2022
Lohnt sich die Sektorenvernetzung in der Dialyse?
Eindeutig JA! Das in Abbildung 3 beispielhaft berechnete Dialysezentren mit 15.000 Behandlungen im Jahr spart mit der GreenTec Sektorenvernetzung circa eine halbe Million Euro Stromkosten in den nächsten 10 Jahren. Die Amortisation der Investition liegt sogar noch ohne die Berücksichtigung der Abschreibung bei unter 5 Jahren.
Grundlage des Einsparpotentials von über 40 % der Energiekosten ist die intelligente GreenTec Sektorenvernetzung, die die Medizintechnik mit erprobten Technologien wie Photovoltaik und Wärmepumpe verbindet. Der “Booster” besteht darin, dass solare Überschüsse als Wärme in den Dialyseprozess eingebracht werden und so der Anteil des Eigenverbrauchs des Solarstroms deutlich gesteigert wird. Davon profitiert nicht nur der Geldbeutel, sondern am Ende auch unser Klima.
