Symbiose-4-IuG - Systemübergreifende optimale dezentrale Hybridspeicher-4-Industrie und Gewerbe

Ausgangssituation/Motivation

Der weitere Ausbau regenerativer Erzeuger ist unumgänglich für die Erreichung der "2020 Ziele" in Österreich. Auf eine massive Erhöhung der erneuerbaren Einspeisung insbesondere Windkraft und Photovoltaik) ist das bestehende Stromnetz jedoch aufgrund deren volatiler und nur bedingt steuerbarer Einspeisecharakteristik nicht vorbereitet. Die Möglichkeit, bestehende Energieinfrastrukturen energieträgerübergreifend zu koppeln und dadurch Speicher- und Lastverschiebungspotenziale zu erzielen, kann hierbei Abhilfe schaffen.

Im vorangehenden Forschungsprojekt "Symbiose" wurde die Rolle systemübergreifender, dezentraler Speicher- und Umwandlungs­technologien für vollständig regenerativ ausgebaute Modellregionen (Stadt, Land) im Verteilnetz untersucht. Das Projekt zeigte, dass mit sinnvollem Speichereinsatz ein hoher Grad an erneuerbaren Erzeugern in das elektrische Netz integriert werden kann.

Die Kopplung bestehender Energieinfrastrukturen erfolgte vorwiegend auf der Verbraucherseite und ermöglichte eine deutliche Reduktion des Gesamtenergiebezugs aus übergeordneten Netzebenen. Die Verbrauchergruppen im Projekt Symbiose berücksichtigten allerdings nur das Verbraucherverhalten von Haushaltskunden und der Landwirtschaft. Industriekunden und Gewerbe wurden in beiden Modellregionen des Projekts nicht betrachtet.

Im Forschungsvorhaben "Symbiose-4-IuG" wurden daher Möglichkeiten und Potenziale insbesondere von Industrie- und Gewerbekunden zur Kopplung von Energienetzen und zur Speicherung von erneuerbarer Energie aufgezeigt. Durch das Einbeziehen des Stakeholders "Industrie- und Gewerbekunden" wurden neue Aussagen bezüglich dem Energiebezug, Einsatz der Speicher und Umwandlungstechnologien und CO2-Emissionen für die Modellregion Stadt getroffen.

Inhalte und Zielsetzungen

Neben dem optimalen Einsatz und der Verortung der Energiespeicher und Umwandlungs­technologien, sollten im Projekt die Möglichkeiten zur Kopplung der bestehenden Energie­infrastrukturen auf Verbraucherseite aufgezeigt werden. Dabei wurden insbesondere die Potenziale zur Verschränkung der Energienetze bei Industrie- und Gewerbekunden erhoben und deren Einsatz im Hybridnetz untersucht werden.

Ziel des Projektes war es zu zeigen:

• dass durch die Verschränkung von unterschiedlichen Energieträgern (Strom-, Gas- und Wärmesystem) im Energienetz und auf der Verbraucherseite eine höhere Gesamtenergieeffizienz und optimale Nutzung regenerativer Energieträger für die Region Stadt und deren Mitspieler (Stakeholder: Netzbetreiber, Haushaltskunde und Modellregion) realisiert werden kann.
• Wie groß der Bedarf an dezentralen Speichertechnologien bei einem vermehrten Einsatz der Umwandlungstechnologien für die Verschränkung bestehender Infrastrukturen und unter Berücksichtigung der Verschiebungspotentiale bei Gewerbe und Industriekunden ist.
• Welche Potentiale die Kopplung der Infrastrukturen für den Industrie- und den Gewerbebereich bringen kann.
• Wie sich die Verschränkung von unterschiedlichen Energieträgern auf den Netzbetrieb auswirkt.
• Welche Minderungspotentiale bei Importabhängigkeiten der fossilen Energieträger und CO2-Reduktionspotentiale sich durch die "Symbiose-4-IuG" Idee für die Stadt der Zukunft ergeben können.

Methodische Vorgehensweise

Um die Ziele zu erreichen, wurde zunächst das Energiesystem des Partners MPREIS näher untersucht. Der betrachtete Energieverbraucher und das zugehörige Energiesystem wurden als dynamische Modelle in einer geeigneten Modellierungssoftware (Dymola) abgebildet.

Das Energiesystem der Modellregion wurde für die Anbindung mehrerer Gewerbe und Industriekunden angepasst. Es wurde auch das ermittelte regenerative Potential aus dem Vorprojekt in der Modellregion neu verteilt. Darauf aufbauend wurde die Modelregion Stadt, die aus dem Energiesystem, der Verbrauchskunden und dezentralen Erzeugern besteht, abgebildet und optimiert.

Das Ziel der Optimierung war es, technische Grenzen im Energienetz unter Berücksichtigung von dezentralen Speicher- und Umwandlungstechnologien und einer bewussten Ausnutzung der ermittelten Flexibilitätspotentiale der Industrie- und Gewerbebetriebe auch bei einem massiven Ausbau regenerativer Energieträger einzuhalten. Das sollte bei minimalen Gesamtkosten des Energiesystems geschehen. Die Optimierung wurde dabei aus Sicht unterschiedlicher Stakeholder (technische Sicht, Endkundensicht, Gemeindesicht und bezugsminimale Gemeinde) durchgeführt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Nutzen unterschiedlicher Stakeholder in der Stadt

Eine kombinierte Betrachtung von Strom- und Wärmeinfrastruktur in einer Stadt ist sinnvoll. Die Kopplung bestehender Energieinfrastrukturen auf Industrie- und Endverbraucherseite ermöglicht die deutliche Reduktion des Gesamtenergiebezugs aus übergeordneten Netzebenen.

Der Stakeholder Industrie-/ Gewerbekunde

Industrie- und Gewerbekunden spielen eine wichtige Rolle in gekoppelten Energienetzen zur Erhöhung der Nachhaltigkeit. Die Ergebnisse mit Betrachtung von Industrie- und Gewerbekunden bestätigen und verstärken die Aussagen des Vorgängerprojektes insbesondere bezüglich einer deutlichen Erhöhung der Nachhaltigkeit sowie einer Reduktion des Gesamtenergiebezugs aus übergeordneten Netzen.

Kopplung von Energienetzen

Dezentrale elektrische Speicher und Umwandlungstechnologien begünstigen eine gleichmäßigere Auslastung der bestehenden Netze mit hoher dezentraler Erzeugung.

Hohe Elektromobilitätsdurchdringung führt auch bei gesteuertem Laden und verhältnismäßig geringem Energieanstieg zu einem deutlichen Leistungsanstieg im Niederspannungsnetz und erfordert netzfreundliche Maßnahmen.

Übertragung der Fragestellung auf weitere Städte

Eine rein dezentrale Bilanzierung eines urbanen Energiesystems auf Leistungsbasis ist sowohl wirtschaftlich als auch technisch nicht sinnvoll.

Ausblick

Berücksichtigung von weiteren markwirtschaftlichen Faktoren

Neben den umfangreichen Einflussfaktoren und Parametern, die bereits in dem Optimierungsmodell „Sybmiose-4-IuG" berücksichtigt wurden, könnten weitere marktwirtschaftliche Faktoren in das Modell Einzug finden, wie beispielsweise dynamische Energiepreise für Strom- und Wärmebezug, sowie zusätzliche Erlöse durch Flexibilisierungsmaßnahmen für den Ausgleichs- und Regelenergiemarkt.

Berücksichtigung dynamischer Systemgrenzen

Im vorliegenden Projekt wurde die Modellregion Stadt als eigenständige Region mit statisch berücksichtigten Systemgrenzen optimiert. Der Energiefluss aus und zu den übergeordneten Netzebenen wurde nur über die technisch vorhandenen Systemgrenzen (z.B. elektrisches System die Nennleistung des Umspanners) beschränkt ohne die Berücksichtigung eines tatsächlich möglichen Leistungsflusses aus der übergeordneten Netzebene.

Eine Möglichkeit wäre das entwickelte Optimierungsmodell weiter zu entwickeln und eine dynamische Systemgrenze zu inkludieren. Die dynamische Systemgrenze könnte im Rahmen einer Pre-Simulation oder Voroptimierung der Übertragungsnetzebene bestimmt werden und dem Optimierungsmodell übertragen werden.

Erstellung einer Open Source Variante des entwickelten Modells

Das entwickelte Optimierungsmodell könnte zu einem Open Source Software Tool erweitert werden. Dadurch könnte die Projektidee des entwickelten Modells auf unterschiedliche Städte in Österreich angewendet werden und Aussagen der Ergebnisse und der Nutzen der einzelnen Stakeholder mit dem vorliegenden Projekt verglichen werden.

Demoumsetzung

Der nächste konsequente Schritt wäre die Weiterentwicklung des Modells für den Testbetrieb für eine städtische Region mit Strom, Wärme/Kälte und Gasnetz. Über eine Optimierung könnten die Energieflüsse netz- und energieträgerübergreifend mithilfe von Flexibilität im Feldbetrieb in Echtzeit getestet werden.