Der Umstieg auf erneuerbare Energien gelingt mit einem hohen Anteil an Strom aus Sonnen- und Windenergie, der zunehmend in den Sektoren Wärme, Kälte und Mobilität eingesetzt wird. Hinzu kommt eine Mischung aus Kurzzeitspeichern (Batterien, Wärmespeicher), Langzeitspeichern (Power-to-Gas) und Demand-Side-Management (Betrieb von Klimatisierung, Produktionsanlagen, etc. entsprechend der Verfügbarkeit von elektrischer Energie).
Die Optimierung des Energiesystems beinhaltet die Auslegung und den Betrieb der Anlagentechnik und ihrer Komponenten. Mit den von uns entwickelten Werkzeugen und unserem Verständnis der wirtschaftlichen und technischen Rahmenbedingungen entwickelt das ZSW Szenarien, Entwicklungspfade und Lösungen auf verschiedenen Ebenen. Dies geschieht in Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Zielgröße, wie etwa dem Grad der Durchdringung mit erneuerbaren Energien auf nationaler oder regionaler Ebene, der Interaktion auf dem Energiemarkt für ein Quartier oder dem gewünschten Grad der Eigenversorgung für einen Haushalt.
Die Verfahren nützen je nach Aufgabe moderne Optimierungswerkzeuge, als Eingangsparameter dienen die Wettersituationen über mehrere Jahre, Messdaten und statistische Auswertungen von Verbrauchsprofilen, Energiemarktdaten und Metadaten der eingesetzten Anlagen und Speicher. Als Ergebnis entstehen beispielsweise die optimierte Strom-und Wärmeversorgung für eine Region oder ein Quartier oder die optimierte Nutzung eines Speichers entsprechend dem lokalen Energiemarkt.
Photovoltaik und Windkraft sind die Treiber der neuen Energiewelt. Die Betrachtung des Gesamtsystems ermöglicht es, alle Nutzenergieformen jeweils am richtigen Ort und zur richtigen Zeit kosteneffizient bereitzustellen. Die Schnittstellen zwischen den bisher überwiegend getrennt agierenden Systemen sind Energiewandler, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen oder Infrastrukturen wie Ladesäulen, Wärmenetze und –speicher.
Dabei kann die Kopplung der Sektoren in verschiedener Granularität geschehen, von der Großanlage zur Herstellung von erneuerbaren Kraftstoffen aus Strom im Power-to-Gas (auch eFuels genannt) bis zur Kraft-Wärmekopplung im Quartier und der Zwischenspeicherung von Solarstrom für die Elektromobilität im privaten Haushalt.
Eine detaillierte Betrachtung hierzu ist im Schwerpunktbericht „Energie als System betrachtet“ des ZSW enthalten.
Der Energiebedarf und die Versorgung von Stadt- und Industriequartieren müssen bei der Konzeption der Quartiere mitgedacht werden. Nur so kann der notwendige Energiemix für die folgende Nutzung effizient und klimafreundlich bereitgestellt werden. Die Akteure, von den Kommunen über die angedachten Nutzer bis zu den Energieversorgern und Planern, müssen sich früh an einen Tisch setzen, um gemeinsam Ziele zu entwickeln und Konzepte bis zur Umsetzung durchzuspielen. Dadurch lässt sich die Energieversorgungsstruktur früh in einer geeigneten Weise festlegen.
In verschiedenen Projekten auf Landes-, Bundes- und europäischer Ebene hat das ZSW Erfahrung gesammelt. Wir unterstützen bei der Potentialanalyse, entwickeln Konzepte und optimieren den Betrieb der Anlagen. Dazu werden die erwarteten oder gemessenen Jahreslastgänge mit einem gewählten Anlagenset verknüpft und die Versorgung entsprechend der gewünschten Zielgrößen optimiert. Im Ergebnis entsteht eine Auswahl an Optionen für die Auslegung und den Betrieb der Anlagentechnik. Randbedingungen des Energiemarkts werden dabei selbstverständlich berücksichtigt.
In einer Metastudie wurden verschiedene Ansätze zur Umsetzung von Smarten Quartieren analysiert. Unsere Experten lieferten Beiträge zu konkreten Fragestellungen wie der dezentralen Strom-Wärme-Kopplung, der Orchestrierung verschiedener Anlagen in einem Industriequartier mit dem Ziel des optimierten Energiebezugs am Netzanschlusspunkt und/oder einem hohen Anteil an lokaler nachhaltiger Stromerzeugung.
Im Haushalt ist die Nutzung des mit der eigenen Solaranlage erzeugten Stroms (Eigenverbrauch) ohne zusätzliche Maßnahmen der Eigenverbrauch auf 25 bis 30 Prozent begrenzt. Verlagert man den Stromverbrauch in die Sonnenstunden, so kann er auf 30 bis 40 Prozent steigen. Nutzt man Solarstrom zum Heizen oder zur Brauchwassererwärmung, was besonders effizient durch Wärmepumpen geschehen kann, sind auch 50 Prozent Eigenverbrauch möglich. Im Gewerbe lassen sich deutlich höhere Eigenverbrauchsraten erzielen, auch ohne zusätzliche Maßnahmen.
Mit Batteriespeichern kann man den Eigenverbrauch wirkungsvoll erhöhen; durch optimierte Steuerungen können die Speicher zu weiteren Zwecken wie zur Spitzenkappung beim Verbrauch oder bei der Netzeinspeisung bzw. als Notstromquelle eingesetzt werden.
Im Rahmen von Projekten und Feldversuchen sind am ZSW verschiedene Veröffentlichungen zum Thema Eigenverbrauch, Nutzung von Batteriespeichern sowie der optimierten Steuerung von Geräten und Speichern zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Lösungen entstanden. Mit den erarbeiteten Simulationswerkzeugen, Methoden zur optimierten Steuerung (Modellprädiktion) und Erfahrungen aus Feldtests kann das ZSW umfangreiche Beratungsleistungen anbieten.
Ein wesentlicher Faktor zur Verbesserung des CO2-Fußabdrucks von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) ist das Laden der Batterie aus erneuerbaren Energiequellen.
Das Laden eines BEVs mit Hilfe einer Dach-PV-Anlage eines Wohngebäudes ist daher naheliegend. Es stellt sich jedoch die Frage, wie sehr der zusätzliche Bedarf damit gedeckt werden kann. Hierzu wurden Simulationen eines Jahres mit einer zeitlichen Auflösung von 15 min durchgeführt. Die variierten Parameter beinhalten das Haushaltsprofil, die PV-Anlagengröße, die Kapazität des stationären Speichers sowie die Ladeleistung und das Ladeverhalten bezüglich des Elektroautos. Insgesamt wurden sechs Szenarien zur Nutzung und zum Ladeverhalten untersucht. Es zeigte sich, dass eine relevante Menge an Solarstrom für die E-Mobilität nur dann „übrig“ ist, wenn die PV-Anlage hinreichend groß ist.
Durch E-Mobilität ergibt sich sonst sowohl mit als auch ohne PV-Speichersystem nur eine geringe Eigenverbrauchserhöhung. Bilanziell sollte der jährliche PV-Ertrag die Summe aus dem Verbrauch für Haushalt und Elektromobilität decken oder übertreffen. Bei dieser Dimensionierung der PV-Anlagen kann der Bedarf für Haushalt und BEV zu etwa 40% aus Solarstrom gedeckt werden. Dieses Resultat wird knapp auch ohne stationären Speicher durch Laden am Wochenende und mit geringer Ladeleistung erreicht. Wenn jedoch täglich abends geladen werden soll, ist für ein vergleichbares Resultat ein Speicher von rund 8 kWh notwendig. Mit 14 kWh ist, unabhängig von Ladeleistung und Ladezeitpunkt, ein Solarstromanteil von über 60% am Gesamtbedarf möglich.
