Viktor Kaplan-Lecture

Flexibilität und kleinräumige Netzstruktur als Basis für 100 Prozent erneuerbaren Strom

Das flexible Zusammenspiel von Stromerzeugung und -verbrauch wird zum Schlüssel für den Aufbau einer weitgehend auf erneuerbaren Energien basierenden Energieversorgung. Die Transformation des Energiesystems braucht eine neue Systemarchitektur und die Digitalisierung des Niederspannungsnetzes. Kleine Energieregionen werden in Zukunft miteinander kommunizieren. Die sichere und flexible Energieversorgung waren Thema der Viktor Kaplan-Lecture von Oesterreichs Energie und der Fachhochschule FH Technikum Wien am 11. Juni 2018.

Gerd Heilscher, stellvertretender Leiter des Instituts für Energie- und Antriebstechnik der Hochschule Ulm

Um den Strombedarf vollständig mit erneuerbaren Energien decken zu können, wie dies in „mission 2030“ vorgesehen ist, muss die installierte Gesamtleistung insbesondere bei Windparks und Photovoltaikanlagen binnen zwölf Jahren massiv ausgebaut werden. Die witterungsbedingt stark schwankende Erzeugung und Leistung der Ökostromanlagen mit zeitweise hohen Überschüssen, aber auch saisonal starker Unterdeckung des Verbrauchs braucht ein flexibles Zusammenspiel von Stromerzeugung und -verbrauch. In Deutschland läuft zurzeit das mit 100 Millionen Euro dotierte Projekt C/sells, in dem diese neue Energiewelt mit ihren vermehrten „Flexibilitäten" unter realen Bedingungen untersucht wird, berichtete Gerd Heilscher, der stellvertretende Leiter des Instituts für Energie- und Antriebstechnik der Hochschule Ulm.

Zelluläre Stromversorgung als Basis

Heilscher erwartet für die Zukunft eine kleinräumig aufgebaute („zelluläre“) Stromversorgung. Im Rahmen von C/sells werden sogenannte „Demo-Zellen“ in Städten und Gemeinden geschaffen. Diese sind grundsätzlich in der Lage, sich weitgehend selbst mit Strom zu versorgen. Erzeugen sie zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr Strom, als sie benötigen, können sie diesen an andere Zellen verkaufen. Erzeugen sie aktuell zu wenig Strom, um ihren Bedarf zu decken, können sie ihn von anderen Zellen beziehen.

Im Ulmer Stadteil Hittistetten beispielsweise speisen Photovoltaikanlagen schon heute bis zu 800 Kilowatt (kW) Strom ins örtliche Netz ein. Künftig könnten es bis zu 1.600 kW sein. Der maximale Bedarf in Hittistetten liegt jedoch nur bei 150 bis 200 kW. Somit wäre die Einspeisung in Hinkunft bis zu zehnmal so hoch wie die Bedarfsspitze. Entsprechend hoch wäre die Belastung für die örtlichen Umspannstationen (Trafos) und die Leitungskabel. Zurzeit wird der überschüssige Strom über das Mittel- und Hochspannungsnetz abgeführt und anderswo in Deutschland verbraucht. Künftig könnte die Zelle „Hittistetten“ ihn an benachbarte „Zellen“ abgeben.

Notwendig ist dafür allerdings eine massive Aufrüstung der Niederspannungsnetze mit Digitaltechnik. Die Zellen müssen in der Lage sein, miteinander in Echtzeit zu kommunizieren, um ihren Stromhandel so rasch wie technisch nötig abwickeln zu können. Auch auf der Ebene der Kunden wird die Digitalisierung Einzug halten. Sie bekommen digitale Stromzähler (Smart Meter), die fernauslesbar sind. So ist es grundsätzlich möglich, den momentanen Zustand des Niederspannungsnetzes genau zu kennen. Erlaubt dies der Kunde bzw. „Prosumer“, kann der Netzbetreiber seine Photovoltaikanlage steuern. Möglich ist auch die Steuerung von anderen Geräten wie etwa Stromspeichern, Wärmepumpen sowie Ladesäulen für Elektroautos. Dies bietet dem Netzbetreiber die notwendige Flexibilität, um Erzeugung und Verbrauch auch kleinräumig auszugleichen und damit den sicheren Netzbetrieb sowie die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Was die dezentrale Stromversorgung von morgen tatsächlich bedeutet, wissen indessen selbst Experten wie er derzeit noch nicht, räumte Heilscher ein. Umso wichtiger sei es, dies in Projekten wie C/sells zu analysieren. Laut Heilscher wird das Stromnetz der Zukunft auf dem Prinzip „safe to fail“ beruhen. Dank intelligenter Digitaltechnik wird es in der Lage sein, auf unvorhergesehene Zustände zu reagieren und eventuell seine Funktionsfähigkeit per Selbstorganisation wiederherzustellen. Das bedeute auch, eine „neue Systemarchitektur“ zu schaffen. Eine zentrale Stelle, bei der alle Daten zusammenlaufen und die das Netz steuert, werde es möglicherweise nicht mehr geben. Unverzichtbar ist Heilscher zufolge die Beteiligung der Bürger am künftigen Energiesystem: „Wir haben heute Sonnenstudios, Friseurstudios, Küchenstudios und Autostudios. Wir brauchen auch Energiestudios, um den Menschen die neue Energiewelt nahezubringen.“

Flexibilität muss Kundennutzen ins Zentrum stellen

Kurt Leonhartsberger, FH Technikum Wien

„Flexibilität im Stromsystem ist ein derzeit populäres Schlagwort“, konstatierte Kurt Leonhartsberger vom Institut für Erneuerbare Energien der Technikum Wien. Für die Netzbetreiber werde die Lage durch die vermehrte Nutzung erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung nicht einfacher. Das gelte umso mehr, als Strom auch zur Wärmebereitstellung und zum Laden von Elektrofahrzeugen zum Einsatz komme. Insgesamt werde das Verhalten des Energiesystems somit schwerer planbar und prognostizierbar. Daher müssen laut Leonhartsberger verstärkt Möglichkeiten genutzt werden, um den Verbrauch der Kunden von der Industrie bis zu den Haushalten an die Erzeugung besser anzupassen, das heißt, die Flexibilität der Kunden zu nutzen.

Möglichkeiten dazu untersuchen er und seine Kollegen in dem Projekt Flex+. Sie arbeiten an einer computergestützten Plattform. Über diese kann der Kunde einstellen, wann und unter welchen Voraussetzungen er seine „Flexibilität“ für die Netzsteuerung zur Verfügung stellen möchte, also beispielsweise, wie stark die Raumtemperatur innerhalb eines bestimmten Bereichs schwanken darf. Die Plattform fasst die Flexibiltäten vieler Haushalte zusammen und übermittelt die Daten dem Netzbetreiber, der sie für die Netzsteuerung nutzt. Einer Umfrage im Rahmen von Flex+ sind etwa 86 Prozent der Kunden grundsätzlich bereit, ihre „Flexibilitäten“ zur Verfügung zu stellen. Als wesentlichste Motivation dafür nennen sie die (weitere) Verbesserung der Versorgungssicherheit. Mögliche finanzielle Abgeltungen spielen dagegen eine geringere Rolle. Klar ist laut Leonhartsberger allerdings, dass die Kunden für Mehrkosten wie etwa die Anschaffung von Stromspeichern entschädigt werden müssen: „Letztlich brauchen alle in der Wertschöpfungskette einen Gewinn.“

Ein anderer Ansatz für die Umgestaltung des Energiesystems bestünde laut Leonhartsberger darin, dieses von Grund auf neu zu entwickeln: „Die Frage wäre: Wie muss ein Energiesystem ausschauen, in dem sich alle selbst um einen Teil ihrer Versorgung kümmern? Dafür würden wir gerne Lösungen erarbeiten.“ Anbieten würden sich laut Leonhartsberger Modelle für die Kooperation von Kunden, etwa im Sinne der seit vergangenem Sommer rechtlich möglichen Gemeinschaftsanlagen für Mehrfamilienhäuser. Denkbar wäre aber auch die sogenannte „dynamische Verteilung von Netzkapazitäten“. Das bedeutet, dass sich mehrere Haushalte einen gemeinsamen „virtuellen Netzzugang“ teilen und dessen Nutzung so abstimmen, dass die Belastung des Netzes minimiert wird. Basieren würde das neue System auf „Bausteinen“ ähnlich den „Demo-Zellen“ von C/sells, die „zu einem gewissen Teil autonom agieren können, die man aber auch zusammenschalten kann“. Sie sollen bei ihrem Zusammenspiel lokale, regionale und überregionale Netzinformationen nutzen.

Sozialverträgliche Konzepte gleichen mögliche Nachteile aus

Nicht vergessen werden dürfen laut Leonhartsberger jene Bürger, die nicht an solchen Modellen mitwirken können oder wollen. Ihnen dürfen durch das neue System keine Nachteile entstehen. Im Projekt SLIM untersuchen Leonhartsberger und seine Kollegen gemeinsam mit Soziologen entsprechende Optionen: „Wir wollen Konzepte entwickeln, die umweltschonend und sozialverträglich sind. Denn das sind jene, die von der Bevölkerung angenommen werden.“

Flexibilität in Wien

Hemma Bieser, avantsmart

Wie die Wien Energie Flexibilitäten nutzt, erläuterte Rusbeh Rezania, Leiter der Abteilung Thermik im Bereich Asset Management des Unternehmens. Wie er betonte, darf die „Energiewende“ hin zu den erneuerbaren Energien nicht nur als „Stromwende“ verstanden werden. Unverzichtbar ist auch der Einsatz der „Erneuerbaren“ in den Bereichen Wärme und Mobilität, wozu Strom einen bedeutenden Beitrag leisten kann. Im Sinne der Sektorkopplung sind Kraft-Wärme-Kopplungen (KWK) für die Wien Energie das „Herz des neuen Energiesystems“, konstatierte Rezania. Das Unternehmen plant ihm zufolge, die Fernwärmeversorgung verstärkt im Niedertemperaturbereich durchzuführen. Zurzeit wird mit bis zu 150 Grad heißem Wasser gearbeitet. Am Kraftwerksstandort Simmering installiert die Wien Energie eine Großwärmepumpe, die die Abwärme aus dem Kraftwerk nutzt. Die Temperatur des Heißwassers wird sich dort auf etwa 95 Grad belaufen.

Bereits seit November 2017 in Betrieb hat die Wien Energie den „E-Heizer Leopoldau“. In zwei Elektrodenkesseln mit je zehn Megawatt Leistung nutzt dieser „größte Wasserkocher Wiens“ überschüssigen Strom, um Wasser auf rund 160 Grad aufzuheizen. Die Anlage reagiert binnen drei Minuten und kommt innerhalb von zehn Minuten auf volle Leistung. Deshalb kann sie überschüssigen Strom rasch aufnehmen und damit sogenannte „Regelleistung“ für das Stromnetz bereitstellen.  In den kommenden Jahren möchte die Wien Energie auch Erdwärme nutzen, um Fernwärme bereitzustellen. Laut Rezania wird vermutet, dass sich östlich von Wien in tiefen Gesteinsschichten große Mengen Heißwasser befinden. Diesbezügliche Untersuchungen sind im Gang: „Wir hoffen, bis 2020 eine Entscheidungsgrundlage zu haben.“

Mit den Viktor-Kaplan-Lectures bieten Oesterreichs Energie und die FH Technikum Wien eine Plattform zur offenen Diskussion über die technische sowie organisatorische Bewältigung der Umgestaltung des Energiesystems. Die Viktor Kaplan-Lectures finden zwei Mal pro Jahr statt.