Herausforderungen und Chancen eines Smart Grids

Dem Smart Grid wird eine bedeutende Rolle in unserem zukünftigen Energiesystem mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energie zugesprochen. Neben den Fragen der Art der Kommunikation und der Steuerung in einem Smart Grid muss sich auch die Frage gestellt werden, welche Verbraucher und Puffer in dem Gesamtsystem genutzt werden können. Ebenso wichtig ist es auch, zu verstehen, wie sich ein Energiesystem mit viel erneuerbaren Energien wandelt, welche Herausforderungen sich damit ergeben und welche Aufgaben alternative Energieproduzenten übernehmen müssen.

Welche Rolle können Haushaltsgeräte übernehmen?

Mit rund 240.000 Haushalten mit durchschnittlich 2,4 Personen^[1] und einem der Nutzungshäufigkeit angemessenen Gleichzeitigkeitsfaktor lassen sich rund 35 MW und etwa 105 MWh pro Tag durch gezielte Betriebszeiten von Wasch- und Spülmaschinen sowie Trockner so verlagern, dass sie Energie dann benötigen, wenn am meisten Wind- und Solarenergie gewonnen wird. Das entspricht etwas mehr als 4 % der maximalen Leistung in Luxemburg.

Bei Tiefkühltruhen und Kühlschränken lassen sich maximal 17 MW steuern, moderne energieeffiziente Geräte vorausgesetzt, allerdings nur sehr kurzfristig, also nur als Primär- oder Sekundärregelenergie. Dabei gilt aber, dass je mehr Energie verschoben werden soll, umso geringer wird die regelbare Leistung.

Wie sinnvoll können E-Autos integriert werden?

Mit einem Bestand von rund 400.000 kleinen Fahrzeugen^[1] in Luxemburg könnten theoretisch 1.480 MW an Regelleistung bereit gehalten werden. Dies entspricht fast dem doppelten der aktuellen Peaklast, also für viele ein Anlass, es als Lösung für die Integration von erneuerbaren Energien zu feiern. Allerdings verbrauchen diese Fahrzeuge auch jeden Tag Energie und bei einer jährlichen Fahrleistung von 12.000 km entspricht dies täglich durchschnittlich 2.600 MWh oder umgerechnet 110 MW an Dauerleistung. Das bedeutet, dass für die Produktion der Nutzenergie für E-Autos 510 MW an Anlagen für erneuerbaren Energie installiert werden müssten, soll die Energie aus eben solchen stammen. Das Problem von wind- und sonnenarmen Stunden müsste aber dann zusätzlich gelöst werden. Sollen hierfür die Batterien der E-Autos genutzt werden, wären die Grenzen des Möglichen schnell erreicht. Das bedeutet, dass E-Autos keine Lösung sein können. Sie können allenfalls, wenn es richtig angegangen wird, das Problem lösen, welches sie selbst hervorrufen.

Zusätzlich muss bedacht werden, dass E-Autos mit dem Ziel einer nachhaltigeren Mobilität eingeführt werden, wobei neben dem vielen Verkehr, den Unmengen an Parkbedarf auch der hohe Bedarf an grauer Energie ein Problem darstellt, das gelöst werden muss. Zur Zeit werden Fahrzeuge nur während 4-6 % der Zeit genutzt. Aber das kann nicht als Lösungsansatz für den Energiesektor ausgelegt werden, da es vom Prinzip her ein Fehler ist. Deshalb wird zumindest ein Großteil an Fahrzeugen durch Carsharing überflüssig werden. Das hat aber zur Folge, dass die Autos wesentlich mehr an täglicher Fahrleistung aufweisen und folglich immer dann laden müssen, wenn sie stehen. In diesem Fall ist die Möglichkeit regulierend in das Stromnetz einzugreifen nahezu nicht mehr gegeben.

Welche Potenziale ergeben sich durch die Gebäudetechnik?

Eines der wichtigsten Potenziale, um den Anteil an erneuerbaren Energien zu erhöhen, liegt bei den Funktionalgebäuden wohl in der Energieeinsparung, sei es durch bedarfsgeführte Lüftungsanlagen, die zu hohe Betriebszeiten der Ventilatoren vermeiden, und in Folge auch einen nicht beachtlichen Teil der Befeuchtung überflüssig werden lassen. Ebenso dient das Nutzen einer Tageslicht abhängigen Beleuchtung dazu, die Verbrauchsspitzen in den Mittagsstunden zu senken. Zwar ist das dann wenn am meisten PV-Strom zur Verfügung steht, aber genau jene Bedarfsabsenkung wird benötigt um Elektrofahrzeuge zu laden, wodurch dann auch gleich klar ist, dass E-Auto tagsüber, also bei den Funktionalgebäuden aufladen können müssen, weil dann die Arbeiter und demnach die Fahrzeuge dort sind. Nachts, wenn die Autos zu Hause stehen, hat nämlich noch selten die Sonne geschienen.

Ein weiteres Potenzial liegt in der Speicherung von Nutzenergie, sowie der alternativen Energieproduktion. Immer wieder wird in Verbindung mit erneuerbaren Energien und Smart Grid über Batterien gesprochen und hier auf schier unglaubliche Entwicklungspotenziale verwiesen. Allerdings stellt der Wärme- und Kältebedarf trotz Energieeinsparungen noch immer einen großen Anteil am Energiebedarf dar. Gleichgültig welche Speichertechnologie sich durchsetzen wird, ökologischer als Wasser wird keine sein. Dabei können 10 m³ bei einer Temperaturspreizung von 5 Kelvin 58 kWh an Nutzenergie bzw. indirekt 12 kWh an elektrischer Regelenergie und im Bedarfsfall in Ausnahmesituationen problemlos doppelt oder dreimal soviel Energie puffern. Ist zusätzlich eine Betonkernaktivierung vorhanden sind Energieverlagerungen von 12 Stunden kein Problem. Diese Puffermöglichkeiten, die in Ausnahmefällen durch eine geringere Effizienz von Wärmepumpen oder Kältemaschinen erkauft werden, sind deshalb für ein Smart Grid so überaus bedeutend, da sie Speichersysteme ersetzen, die nur wenige Male im Jahr gebraucht würden, und so sehr hohe spezifische Investitionskosten je gespeicherter kWh aufweisen würden.

Ein Kaltwasserspeicher ist auch deshalb interessant, weil er nicht nur als indirekter Stromspeicher genutzt werden kann, sondern zu jeder Zeit, in der er nicht als „Stromspeicher“ genutzt werden braucht, dazu dienen kann, kühle Nachtstunden für die Kälteproduktion zu nutzen oder den effizienten Teillastbereich auszuschöpfen. Gleichzeitig kann durch die verringerten Start- und Stoppvorgänge die Lebensdauer der Kältemaschinen gesteigert werden. Wird zusätzlich bedacht, dass etliche Gebäude über Sprinklertanks mit über 100 m³ Kaltwasser verfügen, wird deutlich welches Potenzial in unseren Gebäuden schlummert. Smart Grid bedeutet letztlich Synergien zu nutzen und diese finden sich nicht, wenn blind nach Batterien geschrien wird und hier auf einen Mangel hingewiesen wird. Synergien lassen sich in der Gebäudetechnik und dem Verständnis von Energiebedarf und Komfortansprüchen finden.

Was ist die tragende Rolle der alternative Energieproduktion?

Die alternative Energieproduktion in Funktionalgebäuden ist deshalb wichtig für ein Smart Grid, da diese eine Schnittstelle zwischen dem Strom-, Wärme- und Gasmarkt darstellen und mitunter bedeutende Leistungsanforderungen aufweisen. Auch wenn sich viele Diskussionen in Bezug auf Smart Grids auf Bedarfsglättung und Stromspeicher zur Nutzung von Peaks an Solar- und Windenergie konzentrieren, so wird beides nicht die Herausforderung sein, die sich in Hinblick auf ein erneuerbares Energiesystem stellen wird. Bei Smart Grid geht es nämlich nebst der Nutzung von erneuerbaren Energien vor allem auch um Versorgungssicherheit. Werden die Produktionsprofile in einem Stromnetz mit erneuerbaren Energien betrachtet^[2], so ist festzustellen, dass dort kein Platz mehr für Grundlastkraftwerke, wie Kohle- oder Kernkraftwerke vorhanden ist. Andere Technologien wie dezentrale BHKW, Gaskraftwerke und ähnliches müssen dann aber in Perioden mit sehr geringen Wind- und Solarausbeuten die benötigte Leistung bereitstellen können und demnach zu allen anderen Zeiten kein Strom produzieren. Je höher der Strombedarf in den ungünstigen Perioden ist, umso mehr muss solche Leistung vorgehalten werden, wenngleich der Strombedarf in Zeiten von großen Wind- oder Solarangeboten möglichst hoch sein soll und den Wärmebedarf soweit wie möglich befriedigen soll. Denn der Umweg über elektrischem Strom, ist die einzige Möglichkeit um unseren Wärmebedarf im großen Stil mit erneuerbaren Energien zu versorgen. In diesem Kontext wird auch gerne von Power-to-gas oder Power-to-heat gesprochen.

Fakt ist, dass bei modernen Funktionalgebäuden Wärmepumpen die Wärme- sowie die Kälteversorgung übernehmen können. Insbesondere bei Luftwärmepumpen verschärft aber das Effizienzproblem im Winter das Versorgungsproblem.

Deshalb sollte hier die Verbindung zwischen Gas-, Strom- und Wärmesektor durch alternative Energiequellen geschaffen werden. Neben Wärmepumpen sollte dann im Bedarfsfall, also stromgeführt, ein BHKW, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle die Wärmeversorgung alternativ zur Wärmepumpe übernehmen und nicht nur den Strombedarf durch die Abschaltung der Wärmepumpe senken, sondern gleichzeitig einen Teil der benötigten Versorgungssicherheit durch eigene Stromproduktion übernehmen.

Was hier aber noch im Verständnis und in den Regulierungen fehlt, ist die ökologische Notwendigkeit für all jene Technologien, die die Integration von erneuerbaren Energien fördern. Noch sind alle Bewertungsmethoden rein eindimensional und kennen nur schwarz und weiß bei Technologien oder Energiearten. Ein Denken in Richtung Smart Grid fehlt hier noch gänzlich. Wenn wir nicht lernen Gebäude als Teil des Systems zu betrachten, brauchen wir uns nicht zu wundern, dass sich Gebäude nicht so wandeln, wie es für das System von Nutzen wäre.

[1] Luxemburg in Zahlen, Statec, 2016

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