Um diese Schwankungen auszugleichen müssen Erzeugung und Verbrauch von Strom flexibler werden. Im Fokus des Förderprogramms SINTEG standen bislang noch wenig genutzte Flexibilitätspotenziale, wie die Nachfrageseite oder dezentrale Erzeuger. Dazu gehören grundsätzlich alle elektrischen Verbraucher, wie Produktionslinien in der Industrie, Klimaanlagen in Büros oder Wärmepumpen in Haushalten, aber auch dezentrale Stromerzeuger, z. B. PV-Anlagen auf Gebäudedächern. Erfolgreich gehobene Flexibilitätspotenziale können Netzengpässe vermeiden. Für diesen sogenannte netzdienlichen Einsatz können die Flexibilitäten dem Netz als stabilisierende Komponente zur Verfügung gestellt werden, z. B. über bereits existierende Mechanismen, wie die Regelenergiebereitstellung oder durch neue in SINTEG untersuchte Konzepte, wie Flexibilitätsmärkte.  

Diese Potenziale galt es zunächst zu identifizieren – ob in der Industrie, im Gewerbe oder in Haushalten. Aus technischer Sicht ist es z. B. relevant, welche Technologien Leistung flexibel bereitstellen können, wie hoch diese Leistung ist und wie lange sie zur Verfügung steht. Im Nachgang wird die Wirtschaftlichkeit dieser identifizierten Potenziale geprüft. Zudem ist – aus wirtschaftlicher Sicht – auch wichtig, ob neue Geschäftsmodelle entwickelt werden können, die den Ausbau des vorhandenen Potentials für die Anbieter von Flexibilität interessant machen. Dafür sollte die Flexibilitätsbereitstellung nicht isoliert betrachtet werden. Beispielseise kann eine installierte IKT-Infrastruktur den Wohnkomfort steigern, indem die Heizung bereits auf dem Heimweg eingeschaltet oder der Energieverbrauch visualisiert wird. Dies trägt auch zu einer höheren Zahlungsbereitschaft für entsprechende Investitionen bei. 
Ein höherer Anteil des Stroms von lokalen Energiemärkten („grüner, lokaler Strom“) aus der Nachbarschaft kann zusätzliche Anreize geben, die das Potenzial entscheidend fördern.  

Potenziale von Haushalten nutzen  

Die unterschiedlichen Flexibilitätspotenziale können mit ihren Eigenschaften, Vor- und Nachteilen einen wichtigen Beitrag leisten. Zwar stellen beispielsweise einzelne Haushalte über eine flexible Wärmeversorgung weniger Flexibilität zur Verfügung als energieintensive und/oder große Industrieanlagen, dafür sind erstere aber praktisch flächendeckend vorhanden und könnten aggregiert werden. Insbesondere bei lokalen Netzengpässen könnten Flexibilitäten auf Haushalts- und Gebäudeebene eingesetzt werden, um Schwankungen direkt vor Ort auszugleichen

Wenn es um die Erschließung von Flexibilitäten aus Haushalten und Quartieren geht müssen jedoch noch vielfältige Herausforderungen überwunden werden: Flexibilitätspotenziale sind oft kleinteilig, die zu Grunde liegenden Technologien weisen unterschiedliche Entwicklungsstände auf, es gibt unklare Kostenstrukturen und Akteure aus verschiedenen Sektoren müssen zusammenarbeiten, um das vorhandene Potenzial zu heben. 

Notwendig sind demzufolge eine Digitalisierung der Infrastruktur und Anlagen (Stichwort Smart Meter Rollout) sowie Anreize für Haushalte und deren Bereitschaft, entsprechende Möglichkeiten wahrzunehmen. Besonders relevant für die Nutzung von Flexibilität aus der Wärmeversorgung von Haushalten ist daher die Aggregation auf Quartiersebene, wie es in Beispielen aus dem SINTEG Programm demonstriert wurde. 

SINTEG-Erkenntnisse zur flexiblen Wärmeversorgung im Quartier

Damit Erkenntnisse erfolgreicher Konzepte in Deutschland möglichst übertragbar werden, wurden im Rahmen des SINTEG-Synthesefelds Flexibilitätspotenziale und Sektorkopplung verschiedene Blaupausen erarbeitet. Sie sollen Anwenderinnen und Anwendern in der Praxis, Führungskräften in der Wirtschaft und in der Politik bei der Skalierung und Nachahmung von Lösungen unterstützen. Eine dieser Blaupausen beschäftigt sich mit der Flexibilisierung der Wärmeversorgung in Wohnquartieren.

Wozu es Quartierskonzepte braucht

Weil einzelne Flexibilitätsquellen aus Haushalten sehr kleinteilig sind, ist die Aggregation mehrerer Anlagen und Gebäude entscheidend für einen sinnvollen netzdienlichen Einsatz.  Nur so kann die Verfügbarkeit relevanter Leistungen zum passenden Zeitpunkt sichergestellt werden. Aggregieren lässt sich dabei auf unterschiedlichen Ebenen – von der Anlage bis zum Gebäudekomplex.

Bei der Quartiersentwicklung kann der Aspekt der Aggregation bereits mitgedacht werden. Wenn viele Haushalte mit gleicher Technik ausgerüstet werden, ist eine IKT-Infrastruktur bereits in gewissem Maß skaliert und standardisiert. Das vereinfacht die Vernetzung der Systeme erheblich und senkt zudem die Investitionskosten. Ein zusätzlicher Vorteil einer zentralen Wärmeversorgung: Es müssen keine Einzelanlagen in Haushalten, sondern nur wenige und einfacher zugängliche Wärmeerzeuger vernetzt und gesteuert werden. Außerdem können Anwohnerinnen und Anwohner, unabhängig vom Stromsystem, konkret Teil der Energiewende werden und sich für ein nachhaltiges Energiesystem einbringen.

 

Exemplarisch für die Chancen zur Flexibilisierung von Quartieren stehen die Projekte Franklin Quartier Mannheim (Neubau) von C/sells und das Quartier Prenzlauer Berg (Bestand) in Berlin von WindNODE. In beiden Quartieren erfolgtedie zentrale Wärmeversorgung mehrerer Gebäudeblocks durch ein zusammenhängendes Nahwärmenetz. Dieses Konzept eignet sich für ein Neubau- wie auch für ein Bestandsquartier.

Als netzdienliche, flexible Wärmequellen kommen grundsätzlich alle elektrisch betriebenen Wärmeerzeuger infrage, wie Großwärmepumpen, Heizstäbe oder flexibel fahrbare KWK-Anlagen. In den Modellprojekten in Mannheim und Berlin wurden Heizstäbe verwendet. Mit ihnen kann die Wärmeerzeugung am einfachsten flexibilisiert werden. Zudem weisen sie die geringsten Investitionskosten bei größtmöglicher Modularität auf. Indem lokale PV-Anlagen den Strom für die Heizstäbe zur Verfügung stellen, kann sogar der Anteil (lokaler) EE im Wärmenetz steigen und gleichzeitig flexibel in das Netz eingespeist bzw. Last gesteigert oder reduziert werden. Allerdings sind Heizstäbe in der Umwandlung von Strom zu Wärme im Vergleich zu anderen Technologien nicht sehr effizient. Großwärmepumpen als Alternative sind zwar eine effizientere, aber (noch) teure Technologie. In beiden Quartierskonzepten sind das Energiemanagement und die IKT-Infrastruktur zentral. Mittels zurückliegender Lastprofile und Wetterdaten werden Prognosen und optimale Fahrpläne für die Erzeugungsanlagen erstellt, um eine effiziente, sichere und flexible Wärmeversorgung zu gewährleisten.

Beispiel Bestandsquartier: Quartier Prenzlauer Berg

Bestandsquartiere können ein beträchtliches Flexibilitätspotenzial vorweisen: Mit ca. 200 Wohneinheiten, die durch ein Blockheizkraftwerk (BHKW) zentral versorgt werden, wird im Quartier Prenzlauer Berg ein Flexibilitätspotenzial an verschiebbarer elektrischer Last durch das BHKW von 34 kW ermöglicht. Die Power-to-Heat-Elemente (Heizstäbe) zur Warmwasserbereitung liefern weitere 50 kW, die auf bis zu 200 kW erweitert werden können.

Dieses zentrale Wärmeversorgungskonzept ist vorteilhaft, um Flexibilität bereitzustellen, aber auch um den Wärmeverbrauch zu senken. Konkret wurde durch Automatisierung und Zentralisierung eine Einsparung von ca. 25-30 Prozent erreicht. Das entspricht etwa einer Ersparnis von durchschnittlich 100 Euro pro Haushalt und Jahr[1]. Zudem profitieren die Bewohnerinnen und Bewohner von einem höheren thermischen Komfort in ihren Wohnungen. Solche Mehrwerte sind besonders wichtig, da sie die Wirtschaftlichkeit sowie die Akzeptanz gegenüber IKT-Infrastruktur deutlich erhöhen können.

Beispiel Neubauquartier: Franklin Quartier Mannheim

In Mannheim wird ein gesamtes Neubauquartier von Beginn an auf optimierte Flexibilität hin gedacht: Die Wärmeversorgung der Haushalte wird aktiv gesteuert, Ladestationen für Elektrofahrzeuge vernetzt, die zentrale Wärmeversorgung mit PV und Power-to-Heat Elementen gespeist – alles, um einen möglichst großen Teil des Energieverbrauchs durch lokal erzeugte erneuerbare Energien zu decken und Flexibilitäten anbieten zu können. Das Flexibilitätspotenzial im Quartier ist besonders hoch, da das große Nahwärmenetz als Pufferspeicher dient. Es kann mit einer maximal möglichen Temperaturdifferenz von 15 Kelvin betrieben werden und dadurch Überschussstrom aus dem Netz in Form von Wärme aufnehmen.

In den Haushalten befinden sich Übergabestation, welche die Wärme aus dem Wärmenetz aufnehmen, zwischenspeichern und im Gebäude verteilen. Diese Wärmetauscher können auch ohne zertifizierte Smart Meter Gateways (SMGW) gesteuert werden. Schließlich werden keine Daten zum Stromverbrauch aus dem Gebäude übermittelt und kein Zugriff auf Haushaltsgeräte in den Gebäuden benötigt. Stattdessen verwendet der Hersteller der Übergabestationen eine IoT-Lösung, um diese zu regeln.

Die flexible Schnittstelle zwischen Quartier und Stromsystem sind die zentralen Heizstäbe im Wärmenetz sowie die PV-Anlagen. Zertifizierte Gateways sind somit nur an diesen zentralen Punkten im Quartier notwendig. Hier erfolgt die Bereitstellung von Flexibilität an das Netz. Vorteilhaft ist es, wenn die Kommunikationsinfrastruktur innerhalb des Quartiers vom Quartiersentwickler betrieben wird, z. B. das lokale Glasfasernetz mit eigenen Edge-Servern. So wird die Kommunikation mit allen Haushalten sichergestellt und der Datenschutz eingehalten.

Flexibilitäten schon heute sinnvoll

Eine zentrale Wärmebereitung ist ein Schlüsselfaktor bei der Flexibilisierung der Wärmeversorgungim Quartier. Die SINTEG-Modellprojekte demonstrierten erfolgreich, dass das Flexibilitätspotenzial der Wärmeerzeuger hunderter Haushalte mittels Sektorkopplung gehoben werden kann. Die Umsetzung im Quartier reduziert dabei individuelle Aufwände, Hürden bei der Installation der IKT-Infrastruktur und Restriktionen bei der digitalen Steuerung unterschiedlicher Wärmeerzeuger.

Eine wichtige Erkenntnis: Nahwärmenetze, IKT-Infrastruktur und Co. sind für Bewohnerinnen und Bewohner  sowie Anlagenbetreiber schon heute sinnvoll, auch wenn für die netzdienliche Bereitstellung von Flexibilitäten noch Vergütungsmöglichkeiten fehlen. Einsparungen bei den Heizkosten, gesteigerter Komfort und Eigenverbrauchsoptimierung rechtfertigen schon heute Investitionen in eine flexible Quartiersversorung. Wird Technik für eine effiziente und CO2-neutralere Wärmeversorgung installiert, sollte die Lieferung von Flexibilität an das Netz mitgedacht und damit vorbereitet werden, um künftige Erlösmöglichkeiten bestmöglich zu nutzen.

Experten-Zitat

„Die Quartiersprojekte der SINTEG-Schaufenster zeigten, dass bereits vorhandene Technik die Flex-Bereitstellung möglich macht. Flexible Wärmeversorgung im Quartier mit standardisierten Komponenten senkt den individuellen Aufwand der Anbindung von Einzelanlagen und damit Kosten. Um Investitionen in flexible Quartiersversorgung zu rechtfertigen, reichen heutige Erlösmöglichkeiten für netzdienliche Flexibilität jedoch nicht aus. Im Fokus stehen daher Mehrwerte wie Einsparungen bei den Wärmekosten, Komfortgewinne, Verbrauchsoptimierung im Quartier und das Bewusstsein, einen Beitrag zur lokalen nachhaltigen Energieversorgung zu leisten

Dr. Karoline Steinbacher, SINTEG-Ergebnissynthese

Was bleibt nach SINTEG?

Mögliche Hürden auf dem Weg zu einem geregelten, flächendeckenden Einsatz einer flexiblen Wärmeversorgung von Quartieren können überwunden werden. Die SINTEG Erfahrung zeigt, dass die benötigte Infrastruktur mit heutigen Möglichkeiten umgesetzt werden kann. Während Heizstäbe vergleichsweise einfach zu regeln sind, sollte künftig verstärkt auf Großwärmepumpen fokussiert werden. Sie können das Flexibilitätspotenzial und die Effizienz in der Wärmebereitstellung noch deutlich steigern.

Zur Skalierung der Flexibilisierung der Wärmeversorgung in Quartieren können sowohl bestehende als auch auszubauende Fern- und Nahwärmenetze genutzt werden. Wenn weitere intelligente, steuerbare Wärmenetze ausgebaut werden, kann die Wärmeversorgung in Quartieren künftig einen substanziellen Flexibilitätsbeitrag leisten. Neu entstehende Potenziale gilt es künftig in das Quartiersmanagement zu integrieren. Die Wärmeversorgung ist dabei nur ein Teil der potenziell flexiblen Lasten. So werden Batteriespeicher und Elektromobilität eine zunehmend wichtige Rolle auf dem Weg zu flexiblen Quartieren spielen.

Ausblick auf den Ergebnisbericht

Der noch folgende Ergebnisbericht zu Flexibilitätspotenzialen und Sektorkopplung greift die Inhalte dieses Fokusbeitrags auf und geht näher auf sie ein. Zentrale Themen des Ergebnisberichts sind Flexibilitäten im Haushaltssektor sowie in Gewerbe- und Industriebetrieben.

Weitere Fokusbeiträge auf dieser Webseite entstehen zu den einzelnen Synthesefeldern netzdienliche Flexibilitätsmechanismen, Digitalisierung, Reallabore sowie Partizipation und Akzeptanz. Die Fokusbeiträge geben jeweils einen kurzen Einblick in die noch folgenden umfassenden Ergebnisberichte. Die Ergebnisberichte stehen nach Fertigstellung als Publikationen zum Download zur Verfügung.