Forschungsprojekt : Urbane Energiewende effizient & günstig gestalten

Städte und urbane Ballungsräume spielen eine zentrale Rolle für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende. Weltweit leben über die Hälfte aller Menschen in solchen Bevölkerungszentren und rund 80 % der Treibhausgasemissionen stammen von dort. Daher muss die Transformation des Energiesystems vor allem hier verwirklicht werden.

Um die Energiewende vor Ort möglichst effizient und günstig zu gestalten, hat das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (kurz ZSW) in dem Projekt „Urbane Energiesysteme und Ressourceneffizienz“ (ENsource) zusammen mit elf weiteren Partnern und unter der Leitung der Hochschule für Technik Stuttgart die hierzu notwendigen Verfahren und Planungswerkzeuge entwickelt. Die Ergebnisse aus fünf Jahren Forschungsarbeit und der Erprobung in Fallstudien wurden Ende Februar 2021 der Öffentlichkeit vorgestellt. Mit neuartigen Verfahren und Planungswerkzeugen können Kommunen nun berechnen, wie die Energieversorgung für einzelne Quartiere am besten ausgestaltet werden kann. Das ZSW entwickelte dabei eine Quartierssteuerung, die einzig über finanzielle Anreize funktioniert. Auf zentrale Steuerungsbefehle konnte komplett verzichtet werden. Die neuen Softwaretools ermöglichen nun den Vergleich verschiedener Energieversorgungszenarien für Quartiere mit Privathaushalten, Gewerbe und Industrie.

Ist es günstiger, ein Quartier vollständig energetisch zu sanieren oder lohnt sich eher eine gezielte Investition in erneuerbare Energien? Wie können Verbrauch und Erzeugung durch Vernetzung und Kommunikation intelligent aufeinander abgestimmt werden? Und wie müssen Solaranlagen, Windparks, Biomasseanlagen, Blockheizkraftwerke und Speicher zusammenspielen, damit Quartiere das ganze Jahr über zu 100 Prozent erneuerbar betrieben werden können? Diese und weitere Fragen haben die Wissenschafter:innen in fünf Regionen durchgerechnet. Zum Einsatz kamen hierbei die im Projekt neu entwickelten ENsource-Werkzeuge und Dienstleistungen an Beispielquartieren in Mannheim, Stuttgart, Mainau, Rainau und Schwieberdingen. Diese Beispielquartiere wurden so gewählt, dass sie eine große Vielfalt an Bausubstanz, Flächenausdehnung und vorhandener Energieinfrastruktur abdecken. Damit konnten die Forschenden ihre Planungswerkzeuge unter ganz unterschiedlichen Rahmenbedingungen testen.

Das ZSW entwickelte in dem Projekt ein Modell, das die Hoheit über die Steuerung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen oder Blockheizkraftwerken vollständig auf der Ebene der Anlagenbetreiber belässt. „Die Orchestrierung eines Quartiers erfolgt lediglich über finanzielle Anreizsignale und abgestimmte Fahrpläne“, erklärt Dr. Jann Binder, Leiter des Fachgebiets ‚Photovoltaik: Module Systeme Anwendungen‘. „Dadurch wird ein individuelles, aber dennoch gemeinsam koordiniertes Erzeugungs- und Verbrauchsverhalten im Quartier sektorübergreifend erwirkt“. So können die Energiebeschaffungskosten sowie Verbrauchsspitzen für das Gesamtsystem netzdienlich und emissionsarm minimiert werden. Das entwickelte Verfahren über finanzielle Anreize ermöglicht eine koordinierte Energienutzung digital vernetzter Akteure, die über die reine Eigenoptimierung der einzelnen Anlagen hinausgeht.

Dienstleistungen dieser Art sind für Planer und Betreiber von Anlagen, Netzen und Quartieren von großem Interesse. Der Anlagenpark zur Energieerzeugung, Energiewandlung und Speicherung wird dann dem Bedarf entsprechend modular und flexibel gestaltet und der Betrieb laufend optimiert.

Der Bedarf dafür wächst: Der zunehmende Ökostromanteil sowie mehr Elektroautos und Wärmepumpen fordern auf kommunaler Ebene vor allem die Verteilnetze heraus. Sie müssen den vom Wetter abhängigen erneuerbaren Strom aufnehmen, außerdem sollen auftretende Leistungsspitzen auf Verbraucherseite vermieden werden. Die Verschiebung des Verbrauchs und die Zwischenspeicherung von Energie helfen, die Balance zwischen Erzeugung und Verbrauch zu verbessern, was sich dann auch sofort in reduzierten Kosten widerspiegelt.

Im ENsource-Projekt „Urbane Energiesysteme und Ressourceneffizienz“ als Teil des Zentrums für angewandte Forschung an Hochschulen (ZAFH) hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mit acht weiteren Hochschulen (Hochschule Aalen, Biberach, Heilbronn, Mannheim, Pforzheim, Reutlingen, Rottenburg und Hochschule für Technik Stuttgart), zwei Universitäten (Universität Stuttgart und Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) sowie dem Fraunhofer ISE zusammengearbeitet. Das deutsche Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst (MWK) und der Europäische Fond für regionale Entwicklung (EFRE) haben das Projekt mit insgesamt 2,5 Millionen Euro gefördert.