CityStore - Sondierung des wesentlichen F&E-Bedarfs zur Optimierung von städtischen Energiespeichern in integrierten Energiesystemen

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Mit dem von der österreichischen Bundesregierung gesetzten Ziel der #mission2030 (BMNT und BMVIT 2018) von 100% erneuerbaren Energien (national bilanziell) in Österreich bis zum Jahr 2030 steht das Energiesystem des Landes vor einer bedeutsamen Transformation. Schwerpunkt ist dabei der Ausbau von Speicherinfrastrukturen.

Speziell auch Städte stehen vor mehreren umwelt- und energiepolitischen Herausforderungen wie etwa dem Klimawandel, der Energieversorgungssicherheit oder der nachhaltigen Entwicklung. Zusätzlich konzentriert sich mit steigendem Urbanisierungsgrad der Energie- und Ressourcenbedarf zunehmend auf Ballungszentren, wodurch lokale Ansätze gefordert sind. Die Herausforderung bei der Nutzung von emissionsneutralen Energiequellen besteht vor allem in der Inkohärenz von Angebot und Nachfrage. Dies ist beispielsweise im Falle der Nutzung von solarer Energie oder Abwärme eine wesentliche Fragestellung. Hier bieten Energiespeicher einen klaren Ausweg, da mit ihnen die Erzeugung der Energie vom Verbrauch zeitlich entkoppelt werden kann. Während herkömmliche Speicher (Speicherkraftwerke, Gasspeicher) in ländlichen Regionen zu finden sind, bleiben enorme Speicherpotenziale in den Städten ungenutzt.

Das Übergeordnete Ziel von CityStore ist die Sondierung des wesentlichen Forschungs- und Entwicklungsbedarfs (F&E-Bedarfs) zur optimierten Planung und Realisierung von städtischen Energiespeichern in einem integrierten Energiesystem. Die zentralen Fragestellungen sind:

• Welche Bedürfnisse bestehen seitens lokaler Stakeholder (Lokale Entscheidungsträger:innen, Unternehmen, Energieversorger) zur Umsetzung und Bewertung der Speichertechnologien in Städten, wo werden Speicherpotenziale gesehen?
• Welche Technologien sind für städtische Nutzung relevant und können eingesetzt werden?
• Was sind die Anforderungen von Stakeholdern und Expert:innen an Tools, die einerseits Auswirkungen der Speichertechnologien im gesamten Energiesysteme bewerten und anderseits bei der Planung und beim optimalen Betrieb der Speicher unterstützen?
• Wieweit können die existierenden Tools die Stakeholder-Anforderungen decken und was sind ihre Stärke und auch Schwächen, als Impuls zur Weiterentwicklung?
• Welchen Beitrag können Energiespeicher für städtische Energiesysteme in zwei Fallbeispielen (Graz und Weiz) leisten?
• Wie können verschiedene Geschäftsmodelle die Integration von Energiespeichern im urbanen Raum unterstützen?

Um die Forschungsfragen zu beantworten, wurden methodisch folgende qualitative und quantitative Analysen durchgeführt:

• Einbeziehung relevanter Stakeholder und Expert:innen basierend auf Stakeholder Workshops
• Auswahl der vielversprechendsten Speichertechnologien für Städte
• Erstellung einer Liste von technisch-ökonomischen Parametern der relevanten Technologien
• Zusammenstellung techno-ökonomischer Kennwerte für Speichertechnologien, mit Relevanz von sehr hoch bis mittel, basierend auf Literaturrecherchen für Gegenwart und Zukunft, zur Beurteilung, wie und welche Speichertechnologien zum Energiewandel in Städten beitragen können.
• Analyse ausgewählter Energiemodellierungstools durch eine Bewertung des Bedarfs und den Anforderungen der Stakeholder für Modellierung-Tools, die zur techno-ökonomischen Evaluierung und optimalen Nutzung der Speicher dienen. Insgesamt wurden 70 Anforderungen identifiziert, die in sechs Kategorien (Technisch, Räumlich, Betrieb, Zeit, Sektorkopplung und Andere) unterteilt sind.
• Modellbasierte Untersuchung von Speicheranwendungen anhand zweier Fallbeispiele; eine Simulation von Photovoltaikanlagen mit Batteriespeichern mittels stochastischer Optimierung in Weiz (11.700 Einwohner) und eines in Graz (331.000 Einwohner) zum Thema saisonale Kavernenspeicher für die Fernwärme.
• Ableitung geeigneter Geschäftsmodelle für die Fallbeispiele mittels des sogenannten Value Proposition Canvas, des Business Model Canvas und des St. Gallener Business Model Navigator.

Es steht eine breite Anzahl an Technologien zur Anwendung von Energiespeichern auf Stadtebene zur Verfügung. Im CityStore Projekt wurden die vielversprechendsten Technologien in vier Speicher-Kategorien unterteilt: Stromspeicher (ELC), Wärmespeicher (HEAT), Gasspeicher (GAS) und P2X-Technologien.

Ein entscheidendes Element ist, kohärente techno-ökonomische Analysen von Speichern zu erstellen, um ermitteln zu können, wie Technologien im Energiesektor und insbesondere Energiespeicher auf städtischer Ebene umgesetzt werden können und welche Auswirkungen sie auf das Gesamtenergiesystem der Stadt haben. Solche Analysen erfordern Werkzeuge (Tools), die durch die Modellierung definierter Energiesysteme Antworten auf diese Fragen geben können.
Die analysierten Tools beinhalten umfangreiche Technologieoptionen. Zur Bewertung der Strom- und Wärmespeicher liegen die Stärken der Tools darin, dass umfangreiche Technologien gut abgebildet, techno-ökonomische Parameter mitberücksichtigt und auch Potenziale zur Spitzenlastminderung abgeschätzt werden können. Jedoch weisen die analysierten Tools auch Schwächen auf und somit auf zukünftigen F&E-Bedarf hin.

Der Mehrwert von Energiespeichern in Städten liegt vor allem in der effizienteren Nutzung der Solarenergie in der kurzen Frist (Tagesspeicher) und in der Nutzung von sommerlichen Abwärmeüberschüssen aus Gewerbe und Industrie im Winter (Saisonalspeicher).

Neben der Nutzung in der kurzen Frist finden Kombinationen aus PV-Anlagen und Batterien zunehmend auch in anderen Bereichen Anwendung, wie zum Beispiel in der Notfallsicherung (Blackout-Schutz) oder zur Flexibilitätsdeckung, oftmals natürlich getrieben durch diverse Förderanreize. Daher sollten diese Aspekte in weiteren Betrachtungen auch mitberücksichtigt werden.

In diesem Sondierungsprojekt wurde eine erste grobe Evaluierung eines möglichen Betriebs von Kavernenspeichern für die Grazer Fernwärme ohne thermodynamische Simulation des Gesteins durchgeführt. Somit fehlen dieser ersten Betrachtung die Wärmeverluste und -gewinne durch die Wärmeleitung im Gestein und die Rückkopplung zwischen Speicher und der Fernwärmeerzeugung. Zusammen mit der Betrachtung anderer saisonaler Speichertechnologieoptionen bleiben auch diese Fragen als spannende Themen bestehen, die in Folgeprojekten untersucht werden sollten.

Projektleitung

AIT Austrian Institute of Technology GmbH (AIT)

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• Grazer Energieagentur GmbH (GEA)
• Weizer Energie- Innovations- Zentrum GmbH (WEI)

Gerhard Totschnig
Electric Energy Systems, Center for Energy
AIT Austrian Institute of Technology
Giefinggasse 4
A-1210 Wien
Tel.: +43 (505) 50 6213
E-Mail: Gerhard.Totschnig@ait.ac.at
Web: www.ait.ac.at