Energiewende im Wohnquartier: Herausforderungen für Energienetze
Forschende des Zukunftslabors Energie analysierten, wie sich die zunehmende Integration moderner Energiekomponenten auf die Energieversorgung eines Wohnquartiers auswirkt. Die Ergebnisse zeigen deutliche Fortschritte bei Effizienz und CO₂-Reduktion – zugleich aber Risiken für die Stabilität des Energienetzes.
Das Bundeswirtschaftsministerium hat das Ziel definiert, den externen Energiebedarf von Gebäuden bis 2050 um 80 % zu senken (im Vergleich zu 2008). Moderne Energiekomponenten wie Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen), Wärmepumpen und elektrische Speicher sollen dazu beitragen, dieses Ziel zu erreichen. Doch wie viel Energie kann durch diese Technologien tatsächlich eingespart werden? Wie wirkt sich die steigende Anzahl dieser dezentralen Energiekomponenten auf das Stromnetz aus? Diese Fragen untersuchten die Forschenden des Zukunftslabors Energie.
Szenarien zur Energieversorgung eines Wohnquartiers
Um die Auswirkungen einer zunehmenden Integration moderner Energiekomponenten zu analysieren, betrachteten die Forschenden die Energieversorgung eines realen Wohnquartiers: Das Quartier „Am Ölper Berge“ in Braunschweig dient dem Zukunftslabor seit Projektbeginn als reales Untersuchungsobjekt. Informationen zu dessen Energieversorgung seit dem Jahr 2020 liegen vor. Es umfasst 49 Gebäude, hatte 2020 keine PV-Anlagen, die Gebäudefassade war nicht gedämmt und die Stromversorgung erfolgte über das öffentliche Stromnetz.
Die Forschenden definierten Zukunftsszenarien für die Jahre 2030, 2040 und 2050, die hinsichtlich Stromversorgung, Wärmeversorgung, Warmwasserbereitung sowie Gebäudedämmung immer komplexer werden. Die Gestaltung der Szenarien ist angelehnt an langfristige Energie- und Klimaschutzvorgaben, sodass technologische Entwicklungen über mehrere Jahrzehnte hinweg betrachtet werden können. Im Szenario 2050 verfügen z. B. 60 % der Wohnungen über Balkon-Solaranlagen, insgesamt sind 147 Elektrofahrzeuge im Quartier vorhanden (drei pro Gebäude) und die Gebäudefassaden sind mit einer Schichtdicke von 20 Zentimetern gedämmt.
Die Forschenden modellierten die einzelnen Energiekomponenten (Wärmepumpen, Heizkörper, PV-Anlagen, elektrische Speicher, Elektrofahrzeuge) und stellten die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten sowie die Auswirkungen auf das Energienetz in einer digitalen Simulation dar. Für das Szenario 2050 untersuchten sie vier verschiedene Strategien zum Laden der Elektrofahrzeuge:
- max_P-GO: Beim maximalen Laden entsteht eine hohe Netzbelastung und ein hoher CO₂-Ausstoß, da hauptsächlich fossiler Netzstrom genutzt wird.
- night_charging-GO: Der Großteil des Ladens erfolgt nachts (20 – 5 Uhr). Auch das verursacht hohe CO₂-Emissionen, weil nachts keine Solarenergie verfügbar ist.
- forecast-GO: Eine vorausschauende Ladestrategie verteilt die Ladeleistung gleichmäßig über die Standzeit und verursacht geringere CO₂-Emissionen durch die effizientere Nutzung des Netzes.
- solar_charging-GO: Überschüssiger Solarstrom wird möglichst optimal zum Laden genutzt. Das reduziert die Abhängigkeit von fossilen Energien und hält die CO₂-Emissionen besonders niedrig.
Um die Ladestrategien umzusetzen, integrierten die Forschenden das Tool Grid-Observer in die Simulation, ein intelligentes Tool zur Überwachung der Netzspannung. Der Grid-Observer kann sowohl das Ladeverhalten der Elektrofahrzeuge als auch die CO₂-Emissionen im Bereich Elektrizität und Wärme steuern.
Einsparungspotenziale durch moderne Energiekomponenten
Die folgende Abbildung visualisiert die mobilitätsbedingten Energieverbräuche in Megawattstunden für die Szenarien 2020 bis 2050. Es wird unterschieden zwischen elektrischer Energie (electrical energy), thermischer Energie (heat energy) und Energie aus dem Kraftstoffmix der Mobilität (fuel mix energy). Grundlage sind die gefahrenen Kilometer der (Elektro-)Fahrzeuge.
Die Simulation zeigte, dass das Solarladen die effizienteste Strategie ist, um den Bedarf an externer Energie zu senken und das Netz stabil zu halten. Im Vergleich zum Ausgangsjahr 2020 kann der externe Strombedarf 2050 um bis zu 85 % und der externe thermische Energiebedarf um bis zu 67 % reduziert werden. Damit wäre auch die Versorgung des Quartiers durch externe Wärme, z. B. aus einem Fernwärmenetz oder durch Brennstoffe, erheblich reduziert.
Die thermische Effizienz des Wohnquartiers liegt im Basisszenario 2020 bei 77 %, vor allem aufgrund der Wärmebereitstellung durch Gaskessel und der fehlenden Wärmedämmung der Gebäude. Im Szenario 2050 kann die thermische Effizienz durch die Umstellung auf einen Niedertemperaturbetrieb und die vermehrte Einbindung von Wärmespeichern auf 84 % gesteigert werden.
Durch die Wärmedämmung, den Wechsel von fossilen Brennstoffen zu Fernwärme und Wärmepumpen sowie den Umstieg von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf Elektrofahrzeuge können im Szenario 2050 bis zu 88 % der gesamten CO₂-Emissionen des Wohnquartiers eingespart werden.
Herausforderungen moderner Energienetze
Die zunehmende Integration moderner Energiekomponenten birgt nicht nur Chancen, sondern auch Herausforderungen. Die Forschenden analysierten mithilfe der Simulation, wie sich der Wirkungsgrad des Transformators in den Szenarien verändert. Der Transformator wandelt die Spannungsebenen um (z. B. von Hochspannung auf Niederspannung), wodurch Wärme im Energienetz verloren geht.
Im Ausgangsszenario 2020 betrug die Effizienz des Transformators 98 %, es gingen also nur 2 % der Energie verloren. Im Szenario 2050 sinkt die Effizienz auf rund 79 %, bedingt durch die verstärkte Nutzung von PV-Systemen und dezentralen Speichern. Dadurch wird das Stromnetz komplexer und der Transformator wird stärker beansprucht. Es entsteht ein Energieverlust von etwa 21 % und das Stromnetz ist weniger stabil.
Darüber hinaus beeinflussten die Energiekomponenten die Spannung im Stromnetz. Die vorgegebene Spannung im Niederspannungsnetz von 230 Volt darf 10 % unter- oder überschritten werden, ohne dass das Netz instabil wird. Im Szenario 2020 wurden keine Spannungsabweichungen verzeichnet, da das Stromnetz nicht durch zusätzliche Lasten (z. B. Laden von Elektrofahrzeugen) oder dezentrale Einspeisungen (z. B. durch PV-Anlagen) belastet wurde. Doch je mehr Energiekomponenten über die Szenarien hinweg ins Quartier integriert werden, desto häufiger weicht die Spannung vom Sollwert ab. So ergaben die Simulationen im Szenario 2050 insgesamt 2.701 Spannungsabweichungen, 17 davon entsprachen Unter- oder Überschreitungen von 90 bis 110 % und stellten somit eine kritische Instabilität des Stromnetzes dar. In der Simulation des Szenarios 2050 wurde aber auch sichtbar, dass gezielte Steuerungsmechanismen (z. B. durch den Grid Observer) die Spannungsabweichungen deutlich reduzieren und ernsthafte Ausfälle vermeiden können. Insbesondere die gezielte Nutzung der Solarenergie ist hilfreich, um das Stromnetz im Normalbetrieb zu halten.
Besonders die Erkenntnisse aus den Szenarien für 2050 zeigen, dass eine gezielte Kombination dezentraler Technologien wie PV-Anlagen und Wärmepumpen mit zentralen Netzlösungen zur Energiewende beitragen. Diese Ergebnisse sind insbesondere für die Planung nachhaltiger Quartiere von großer Bedeutung, da sie praxisorientierte Ansätze für die Integration erneuerbarer Technologien aufzeigen.
OFFIS – Institut für Informatik, FuE-Bereich Energie
Kommunikation der Energiekomponenten
Das Zusammenspiel der beschriebenen Energiekomponenten erfolgt über Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT). Sie stellen Ereignisse im Energienetz fest (z. B. eine zu hohe Beanspruchung durch das Laden der Elektrofahrzeuge) und melden diese Ereignisse dem zentralen Energiemanagementsystem. Dieses ermittelt Maßnahmen, um gegenzusteuern. Eine effektive Maßnahme ist es, Flexibilitäten des Energienetzes zu nutzen, wie z. B. überschüssige Solarenergie, die bei Niedrigspannungen das Netz stabilisieren kann. Doch was passiert, wenn Störungen in diesen Kommunikationsabläufen auftreten?
Um diese Frage zu untersuchen, hatten die Forschenden zunächst ein beispielhaftes Energienetz mit sechs Knoten simuliert. Knoten sind die Stellen, an denen Energie erzeugt, verbraucht, gespeichert oder verteilt wird (z. B. ein Gebäude im Quartier, eine PV-Anlage, eine Ladestation für Elektrofahrzeuge). Das Beispielnetz diente als Test, um zu prüfen, ob die Modelle der Energiekomponenten und die Simulation richtig aufgebaut waren. Nach dem erfolgreichen Test erstellten die Forschenden die Simulation für das Energienetz des Beispielquartiers „Am Ölper Berge“ auf, das 49 Knoten umfasst. Je mehr Knoten vorhanden sind, desto größer und komplexer ist die Simulation, weil mehr Verbindungen und Wechselwirkungen berechnet werden müssen. Zudem erweiterten die Forschenden die Simulation mit den verschiedenen Ladestrategien und durch den Grid-Observer.
Aufgrund ihrer hohen Komplexität und der vielen gekoppelten Subsysteme stürzte die Simulation wiederholt ab, obwohl keine technischen Fehler vorlagen. Deshalb setzten die Forschenden sogenannte Container ein, also abgeschlossene, standardisierte Software-Umgebungen, in der ein Programm oder eine Simulation läuft. Durch den Einsatz der Container gelang es den Forschenden des Zukunftslabors Energie, eine stabile und reproduzierbare Simulation zu ermöglichen.
Die Simulation zeigt mehrere Fälle, in denen die Spannungsniveaus im Quartiernetz außerhalb der zulässigen Grenzwerte liegen. In seltenen Fällen treten extreme Verzögerungen bei der Kommunikation und Berechnung der Optimierungsmaßnahmen auf, die nicht mithilfe von Flexibilitäten behoben werden können. Hauptursachen sind die Rechenzeit des Energiemanagementsystems und Verzögerungen im Kommunikationsnetz. Bei hoher Systemlast können Spitzen von bis zu 90 Sekunden Verzögerung auftreten, die zu Netzinstabilitäten führen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass trotz erster Optimierungen weitere Maßnahmen erforderlich sind, um die Netzstabilität und die Energieeffizienz langfristig zu sichern.
Ansprechpartnerin für redaktionelle Rückfragen:
Kira Konrad B. A.
Marketing & Kommunikation
Zentrum für digitale Innovationen Niedersachsen (ZDIN)
Niedersachsen.next GmbH
Schiffgraben 22-28
30175 Hannover
E-Mail: kira.konrad@zdin.de
www.zdin.de