Bewertung lokaler und kommunaler Flexibilitätspotenziale 01.12.2018, 11:16 Uhr

Verbundprojekt „WindNode“

Der Ausbau erneuerbarer Energien sorgt für einen steigenden Bedarf an Flexibilität. Im Verbundprojekt „WindNode“ werden unter anderem kommunale Flexibilitätspotenziale identifiziert und in Bezug auf ihre Umsetzbarkeit priorisiert. Dazu wurde das Analysewerkzeug für kommunale Flexibilitätspotenziale entwickelt. Basierend auf der Bewertung und Priorisierung können sich kommunale Entscheidungsträger einen guten Überblick verschaffen und fundiert entscheiden, welche Flexibilitätspotenziale zuerst gehoben werden sollten.

Power-to-Heat-/Power-to-Cold-Anlage der Gasag Solution Plus auf dem Berliner Euref-Campus, entstanden im Rahmen des WindNode-Projektes.
Bild: ahnenenkel.com / Silke Reents

Power-to-Heat-/Power-to-Cold-Anlage der Gasag Solution Plus auf dem Berliner Euref-Campus, entstanden im Rahmen des WindNode-Projektes. Bild: ahnenenkel.com / Silke Reents

In Deutschland wurden seit der Einführung des EEG im Jahr 2001 die Kapazitäten zur erneuerbaren Stromerzeugung stark ausgebaut, sie tragen bereits mit über 36 % zur deutschen Stromproduktion bei [1]. Mit den Ausbauzielen für erneuerbare Energie nimmt die Erzeugung konventioneller Kraftwerke perspektivisch noch weiter ab. Diese stellen heute noch einen Großteil der Systemdienstleistungen bereit und erbringen einen großen Teil der notwendigen Flexibilität 1). Mit dem weiteren Ausbau insbesondere wetterabhängiger erneuerbarer Energien steigt die Volatilität der Erzeugung und mithin der Bedarf an verbrauchsseitiger Flexibilität an [2], die entweder durch Erhöhung/Absenkung (Peak cutting/ lifting) oder durch zeitliche Verschiebung der Nachfrage nach elektrischer Energie (Peak shifting) bereitgestellt wird. Dieser Herausforderung widmet sich das Verbundprojekt WindNode, gefördert vom BMWi im Rahmen des Sinteg-Programms, indem es im Projektgebiet Ostdeutschland systematisch technische Flexibilitätsoptionen identifiziert und in einem zweiten Schritt Einsatzmöglichkeiten dieser Flexibilitätsoptionen speziell zur Netzengpassbewirtschaftung entwickelt. Auch und gerade Kommunen als End­verbraucher können einen Beitrag zur Bereitstellung von nachfrageseitiger Flexibilität leisten. Sie sind häufig Eigentümer von regionalen Stromversorgern (Stadtwerken) sowie Betreiber vergleichsweise großer Verbraucher wie beispielsweise Schwimmbäder und Krankenhäuser. Auf diese Verbraucher haben Kommunen direkten Einfluss und können Pilot­projekte realisieren.

Aktuell gibt es in Deutschland noch keinen Markt und noch keinen regulatorischen Rahmen für die Bereitstellung, Vermarktung und den Bezug von regionalen, kleinteiligen Flexibilitätsoptionen zur Netzengpassbewirtschaftung, doch bereits jetzt werden Plattformkonzepte für die Vermarktung von Flexibilität in verschiedenen Forschungsprojekten untersucht, wie insbesondere die Flexibilitätsplattform im Rahmen von WindNode [3]. Bei der Realisierung neuer Projekte sollte das Thema Flexibilität bereits mitgedacht werden, um Umbauten beziehungsweise Nachrüstungen zu vermeiden. So lassen sich bereits heute wichtige Voraussetzungen schaffen, zum Beispiel die Installation wichtiger Schnittstellen zur Prozesssteuerung beziehungsweise zum Energiemanagementsystem, damit Projekte in Zukunft einfacher und schneller realisiert werden können.

In verschiedenen Studien wurden Flexibilitätspotenziale in Deutschland untersucht, aber insbesondere die Frage, welche lokalen Potenziale zuerst gehoben werden sollten, bleibt bisher unbeantwortet [4; 5]. Dies hängt von den spezifischen Gegebenheiten in den einzelnen Kommunen ab. Um diese Lücke zu schließen und kommunale Entscheidungsträger bei der Auswahl der vielzähligen Flexibilitätsoptionen zu unterstützen, wurde hierzu ein Analysewerkzeug entwickelt.

Das Analysewerkzeug für kommunale Flexibilitätspotenziale antizipiert noch keine betriebs- oder volkswirtschaftliche Bewertung der Flexibilitätspotenziale, sondern ermöglicht die Priorisierung der erfassten Flexibilitätsoptionen unter Berücksichtigung lokaler Gesichtspunkte. Damit werden Kommunen beziehungsweise kommunale Entscheidungsträger in die Lage versetzt, die vielversprechendsten lokalen Flexibilitätspotenziale zu identifizieren und diese zeitnah zu realisieren – ausdrücklich unter dem Vorbehalt der separaten Bewertung des jeweiligen Business Cases, der von diversen externen Einflüssen abhängig ist, die in dieser Studie nicht weiter diskutiert werden können. Bei der Erfassung der konkreten lokalen Flexibilitätspotenziale werden diese einer Betriebsstätte zugeordnet. Das Flexibilitätspotenzial entsteht typischerweise durch den Einsatz einer Technologie oder eines Prozesses, dessen Strombedarf kurzfristig angepasst werden kann. Damit die Flexibilitäten, die in unterschiedlichen Technologien und Prozessen vorhanden sind, verglichen werden können, werden alle Potenziale anhand von technologie- (Kt) und standortspezifischen Kriterien (Ks) bewertet. Diese Kriterien werden mit ihrer Gewichtung (Gt bzw. s) multipliziert, damit sich lokale Besonderheiten auch in der Bewertung widerspiegeln. Auf Basis der Kriterienbewertungen berechnet das Analysewerkzeug je ein Ergebnis für die technologiespezifischen und die standortspezifischen Kriterien. Aus diesen (Zwischen-) Ergebnissen wird dann als arithmetisches Mittel das Gesamtergebnis berechnet. Die Berechnungsmechanik für die Bewertung eines Flexibilitätspotenzials lässt sich in der Formel 1 zusammenfassen:

Zur Bewertung der technologischen Aspekte eines Flexibilitätspotenzials gibt es insgesamt sieben technologische Bewertungskriterien, wobei jedes in eine von vier möglichen Ausprägungen eingestuft werden muss. Diese sieben Bewertungskriterien sind der „Technologische Reifegrad“, die „Umsetzbarkeit: Zeit“, die „Umsetzbarkeit: Regulierung“, die „Rechtlichen Anforderungen“, die „Umsetzbarkeit: Wirtschaftlichkeit“, die „Verschiebbare Leistung“ und der „Verschiebungszeitraum“. Diese werden in Tabelle 1 aufgelistet.

 

1 2 3 4
Technologischer Reifegrad

Wie ausgereift beziehungsweise im Markt verfügbar ist die Technologie / der Prozess?

Im Forschungsstadium Erste Pilot­anlagen realisiert Erste Produkte/Technologien im Markt verfügbar Bereits im Markt etabliert
Zeitliche Umsetzbarkeit

Wie schnell kann die Maßnahme realisiert werden?

> 5 Jahre > 1 Jahr < 5 Jahre > 6 Monate < 1 Jahr < 6 Monate
Regulatorische Bedingungen

Wie geeignet ist der Regulierungsrahmen für diese Technologie / den Prozess?

Regulatorische Bedingungen unbekannt Regulatorische Bedingungen in Klärung Geklärt – hohe regulatorische Hürden Geklärt – geringe regulatorische Hürden
Gesetzliche Anforderungen

Bestehen rechtliche Anforderungen an Eingriffe in den Ausgangsprozess?

Sehr hohe rechtliche Anforderungen Mittlere rechtliche Anforderungen Geringe zusätzliche rechtliche Anforderungen Keine zusätzlichen rechtlichen Anforderungen
Wirtschaftlichkeit

Mit welchem Kostenaufwand (unter anderem Brennstoff-, Opportunitätskosten) kann die Flexibilität bereitgestellt werden?

Wirtschaftliche Realisierbarkeit nicht möglich Wirtschaftliche Realisierbarkeit fraglich Wirtschaftliche Realisierbarkeit wahrscheinlich Wirtschaftliche Realisierbarkeit sicher
Verschiebbare Leistung (technisches Potenzial)

Wie hoch ist das technische Potenzial bezogen auf die flexible Leistung einzuschätzen?

8 25 % 26 bis 50 % 51 bis 75 % 9 76 %
Verschiebungszeitraum (Zeit)

Wie lange und wie häufig kann das technische Potenzial zur Verfügung gestellt werden?

Bis 5 Minuten Bis 15 Minuten Bis 1 Stunde Bis 4 Stunden

Tabelle 1 Übersicht zu den technologie- spezifischen Kriterien.

Der Standort wird mithilfe von vier Kriterien bewertet: „Am Standort vorhanden“, das „Technische Potenzial“, der „Realisierungsaufwand“ und die „Unterstützungsbereitschaft“. Diese werden in der Tabelle 2 aufgeführt und sind im Folgenden beschrieben.

1 2 3 4
Am Standort vorhanden? (1/0)

Wie ausgereift beziehungsweise im Markt verfügbar ist die Technologie?

Technologie am Standort vorhanden Nicht möglich Nicht möglich Nicht möglich
Technisches Potenzial (P)

Wie hoch wird das erschließbare Leistungspotenzial (flexibel steuerbar) am Standort eingeschätzt?

< 10 kW > 10 kW < 50 kW > 50 kW < 500 kW > 500 kW
Realisierungsaufwand

Wie hoch wird der Realisierungsaufwand eingeschätzt (Sind Prozessanpassungen notwendig beziehungsweise ist eine intelligente Steuerung bereits vorhanden)?

Prozessanpassung notwendig

Keine intelligente Steuerung vorhanden

Prozessanpassung notwendig

Intelligente Steuerung vorhanden

Prozessanpassung nicht notwendig

Keine intelligente Steuerung vorhanden

Prozessanpassung nicht notwendig

Intelligente Steuerung vorhanden

Unterstützungsbereitschaft

Wie hoch wird die Bereitschaft betroffener Akteure eingeschätzt, diese Maßnahme zu unterstützen?

Keine Unterstützungs- bereitschaft Geringe Unterstützungs- bereitschaft Mittlere Unterstützungs- bereitschaft Sehr hohe Unterstützung, bereits vorhandene Zusagen

Tabelle 2 Übersicht zu den standortspezifischen Kriterien.

Eine ausführlichere Beschreibung der Kriterien findet sich im Projektabschlussbericht [6].

Flexibilitätspotenziale in Dresden

Im Rahmen der WindNode-Studie wurde das Analysewerkzeug für die Stadt Dresden genutzt und die Flexibilitäts­optionen vor Ort bewertet. Im Fokus stehen Projekte, die wirtschaftlich sind und geringe Hürden aufweisen, sodass sie sich zeitnah realisieren lassen. Es war insbesondere das Ziel, einen Leuchtturm zu schaffen, der Momentum für die Realisierung weiterer Projekte schafft. Entsprechend wurden diese Aspekte in der Gewichtung der Bewertungskriterien berücksichtigt. Die berücksichtigten Betriebsstätten wurden im Rahmen von Expertenworkshops identifiziert. Anschließend wurden die vorhandenen Flexibilitäts-Technologien beziehungsweise -Prozesse kategorisiert. In vertiefenden Expertenworkshops wurde anschließend die Bewertung der standortspezifischen Kriterien vorgenommen.

# Betriebsstätte Flexibilitäts-Technologien/ -Prozesse Gesamtbewertung
1 Sportstätten & Bäder Kälteerzeugung 3,4
2 Lebensmittelversorgung Lebensmittelkühlung 3,3
3 Büro-/ Dienstleistungsgebäude Kühl- und Gefriertruhen 3,2
4 Sportstätten & Bäder Klimatisierung 2,8
5 Sportstätten & Bäder Belüftung 2,8
6 Klärwerk Abwasserpumpen mit Speicher (zum Beispiel Überlauf) 2,6
7 Klärwerk Gebläse zur Belüftung, Belebungsbecken 2,6
8 Gesundheitswesen/ Krankenhäuser Notstromaggregate 2,6
9 Büro-/ Dienstleistungsgebäude Warmwassererzeugung mit Speicher 2,6
10 Büro-/ Dienstleistungsgebäude Wärmepumpen 2,5

Tabelle 3 Priorisierte Short-List von Flexibilitätsmaßnahmen.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Bewertung der Dresdner Flexibilitätspotenziale. Unter den Top-Platzierungen befinden sich die folgenden fünf Betriebsstätten an erster Stelle für mögliche weitere Flexibilitätsmaßnahmen:

  • Sportstätten & Bäder,
  • Lebensmittelversorgung,
  • Büro-/ Dienstleistungsgebäude,
  • Gesundheitswesen/ Krankenhäuser,
  • Klärwerke.

Notstromaggregate insbesondere in Krankenhäusern unterliegen besonderen Auflagen, sodass diese im Folgenden nicht weiter berücksichtigt werden. In den anderen vier Betriebsstätten gibt es mögliche Potenziale, die einer weiteren Untersuchung bedürfen.

Bei Sportstätten & Bädern ist das Flexi­bilitätspotenzial der Kälteanlagen (für den Betrieb der Eisflächen) in Dresden näher zu bestimmen. Weitere mögliche Flexibilitäten können durch die Klimatisierung und Belüftung gewonnen werden. Im Rahmen einer Fallstudie, die im Abschlussbericht 2) dargestellt ist, konnte gezeigt werden, dass ein neues Energiekonzept mit dem Einsatz eines BHKW, einer Photovoltaik (PV)-Anlage sowie eines Energiemanagementsystems bereits heute wirtschaftlich sein kann. Mit dem neuen Energiekonzept könnten die Sportstätten & Bäder Flexibilität für bereits existierende Märkte (beispielsweise Regelenergiemarkt) anbieten. Zudem könnten mit der Einführung eines Energiemanagementsystems wichtige Schnittstellen zur Prozesssteuerung der wesentlichen Verbraucher installiert werden. Das ist eine wichtige Voraussetzung, damit die dort vorhandene Flexibilität später vermarktet werden kann. Heute kann mithilfe des Energiemanagements und der Schnittstellen bereits die Spitzenlast reduziert werden und somit laufende Kosten für Energie eingespart werden.

Im Rahmen von WindNode steht Dresden im engen Austausch mit den anderen Projektpartnern, unter anderem im Bereich der Lebensmittelkühlung in Supermärkten. Erste Untersuchungen aus anderen WindNode-Arbeitspaketen haben gezeigt, dass technische Flexibilitäts­potenziale eher höher als erwartet ausfallen, aber gegenwärtig unklar ist, wie Marktmechanismen für den Einsatz netzdienlicher Flexibilität aussehen könnten. Das trifft ebenfalls auf die hier untersuchten Kühl- und Gefriertruhen in Büro-/Dienstleistungsgebäuden zu. Vor diesem Hintergrund sind diese Flexibilitäts­potenziale vorerst zurückgestellt worden.

Weiterhin verfügt das Klärwerk der Stadtentwässerung über ein erhebliches Flexibilitätspotenzial. Besonders geeignet scheinen die Prozesse zur Belüftung der Belebungsbecken sowie die Abwasserpumpen. In Expertenworkshops mit der Stadtentwässerung Dresden wurden Flexibilisierungsmöglichkeiten diskutiert. Aufgrund der hohen Komplexität der Reinigungsprozesse, der rechtlichen Anforderungen sowie der Tatsache, dass die Prozesse bereits energetisch optimiert wurden, ist hier eine vertiefte Prüfung notwendig, um zu einer belastbaren Aussage zum Flexibilitäts­potenzial zu kommen.

Fazit

Die Ergebnisse aus Dresden lassen sich nicht direkt auf andere Kommunen übertragen, da vor Ort individuell andere Flexibilitätspotenziale vorliegen und die Bewertung der standortspezifischen Kriterien anders ausfällt. Das kostenfrei zur Verfügung gestellte Analysewerkzeug bietet jedoch eine fundierte Methodik, um die Flexibilitätspotenziale der eigenen Kommune individuell bewerten zu können und daraus spezifische Handlungsempfehlungen abzuleiten. Die Ergebnisse können bereits heute zu wirtschaftlich sinnvollen Projekten führen, wie am Beispiel Dresden für Sportstätten und Bäder gezeigt wurde.

 

1) Unter Flexibilität wird in diesem Beitrag die Fähigkeit verstanden, erwartete und unerwartete Fluktuationen seitens Stromangebot und -nachfrage zuverlässig und zeitnah auszugleichen. In Zeiten, in denen das Angebot die Stromnachfrage übersteigt (bei hoher Einspeisung aus erneuer­baren Energien) können negative Residuallasten zum Beispiel durch Lastverschiebung mittels Speicher, Lasterhöhung durch Power-to-X-Technologien oder Abregelung von Wind- und PV-Anlagen ausgeglichen werden. Kapazitätsdefizite (positive Residuallasten) hingegen können zum Beispiel durch Lastabwurf energieintensiver Industrien kompensiert werden.

2) http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14- qucosa2-312491

 

Literatur:

[1] BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V. und Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW): Erneuerbaren-Anteil liegt 2017 bei über 36 Prozent, BDEW, 2017. Online: https://www.bdew.de/presse/presseinformationen/erneuerbaren-anteil-liegt-2017- bei-ueber-36-prozent/ (Zugriff: 3.8.2018).

[2] Graichen, P.; Sakhel, A.; Podewils, C.: Die Energiewende im Stromsektor: Stand der Dinge 2017. Agora, Berlin, 2017.

[3] WindNODE, IKT-Vernetzungsplattform, 2018. Online: https://www.windnode.de/arbeitsfelder/ikt-vernetzungsplattform/ (Zugriff: 3.8.2018).

[4] Deutsche Energie-Agentur (dena): dena-Netzstudie II, 2010.

[5] Frontier economics, Beitrag von Flexibilitäten im Verteilnetz zur Senkung der Redispatchkosten in Deutschland, 2017.

[6] Anke, C.-P.; Dierstein, C.; Hladik, D.; Möst, D.: Begleitstudie WindNODE – Lastverschiebepotentiale in Dresden. Dresden, 2018.

*Die Bearbeitung der in diesem Beitrag beschriebenen Inhalte erfolgt im Projekt WindNode durch die TU Dresden, die Stadt Dresden sowie die Drewag GmbH. Die Projektaktivitäten werden durch das BMWi im Rahmen des Förderprogramms „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“ gefördert.

Von Carl-Philipp Anke, Prof. Dr. Dominik Möst, Dipl.-Ing. Steffen Kupke und Dr. Robert Franke

Carl-Philipp Anke, M.Sc., Jahrgang 1988, Studium Wirtschaftsingenieurwesen am Karlsruher Institut für Technologie. Seit 2018 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Energiewirtschaft an der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften der TU Dresden.

Prof. Dr. Dominik Möst, Jahrgang 1977, Studium Wirtschaftsingenieurwesen an der Universität Karlsruhe (TH). Seit 2010 Inhaber des Lehrstuhls für Energiewirtschaft an der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften der TU Dresden.

Dipl.-Ing. Steffen Kupke, Jahrgang 1962, Studium Informationstechnik an der Hochschule für Verkehrswesen Dresden. Seit 2010 Abteilungsleiter Assetmanagement Strom der Drewag Netz GmbH.

Dipl.-Ing. Markus Graebig, Jahrgang 1979, Studium Elektrotechnik (Berlin) und Sustainable Development (Cambridge). Seit 2017 Projektleiter WindNode c/o Verbundkoordinator 50 Hertz Transmission GmbH.

Dr. Robert Franke, Jahrgang 1977, Studium Betriebswirtschaftslehre und Physik an der TU Dresden. Seit 2015 Amtsleiter des Amtes für Wirtschaftsförderung Dresden der Landeshauptstadt Dresden.

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