Quartierssimulation zeigt Flexibilitätspotenziale

Der Umbau der Energieversorgung in Wohnquartieren kann den Energiebedarf und die CO2-Emissionen deutlich senken. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Stabilität der Stromnetze. Zu diesem Ergebnis kommt eine Analyse des des Zentrums für digitale Innovationen Niedersachsen (ZDIN). Das Forschungsprojekt „Zukunftslabor Energie“ untersuchte anhand eines realen Wohnquartiers in Braunschweig, wie sich der zunehmende Einsatz dezentraler Energiekomponenten auf Effizienz und Netzbetrieb auswirkt.

Im Mittelpunkt der Untersuchung steht das Quartier „Am Ölper Berge“. Das Gebiet umfasst 49 Gebäude. Laut den Forschenden verfügte das Quartier im Jahr 2020 weder über Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) noch über gedämmte Fassaden. Die Gebäude bezogen Strom ausschließlich aus dem öffentlichen Netz.

Das Team entwickelte für die Jahre 2030, 2040 und 2050 mehrere Zukunftsszenarien. Diese berücksichtigen unterschiedliche Kombinationen aus Strom- und Wärmeversorgung, Gebäudedämmung sowie der Nutzung von Elektrofahrzeugen. Die Szenarien orientieren sich laut dem Projekt an den langfristigen energie- und klimapolitischen Zielsetzungen der Bundesregierung.

Im Szenario für das Jahr 2050 verfügen beispielsweise 60 Prozent der Wohnungen über Balkon-Solaranlagen. Insgesamt gehen die Forschenden von 147 Elektrofahrzeugen im Quartier aus, also drei pro Gebäude. Zusätzlich nehmen sie an, dass die Gebäudehüllen mit einer rund 20 Zentimeter dicken Dämmung ausgestattet sind.

Um die Wechselwirkungen im Energiesystem zu untersuchen, modellierte das Forschungsteam Komponenten wie Wärmepumpen, Heizkörper, PV-Anlagen, elektrische Speicher und Ladepunkte für Elektrofahrzeuge. Die Simulation bildet sowohl den Energieverbrauch als auch die Auswirkungen auf das Stromnetz ab.

Elektrofahrzeuge als Netzunterstützer

Für das Jahr 2050 untersuchten die Forschenden zudem vier unterschiedliche Strategien zum Laden der Elektrofahrzeuge. Nutzen die Fahrzeuge vorrangig überschüssigen Solarstrom aus den PV-Anlagen des Quartiers, wird das Netz deutlich entlastet. Zur Umsetzung dieser Strategien integrierten die Forschenden ein digitales Überwachungssystem mit dem Namen Grid-Observer. Das Tool analysiert die Netzspannung und kann sowohl das Ladeverhalten der Elektrofahrzeuge als auch den Energieeinsatz im Strom- und Wärmesystem steuern.
 
Die Simulation zeige deutliche Effizienzgewinne, heißt es in einer Mitteilung. Im Vergleich zum Ausgangsjahr 2020 lasse sich der externe Strombedarf des Quartiers bis 2050 um bis zu 85 Prozent senken. Der Bedarf an externer thermischer Energie reduziert sich laut der Analyse um bis zu 67 Prozent. Damit sinke auch die Abhängigkeit von externer Wärmeversorgung, etwa aus Fernwärmenetzen oder aus fossilen Brennstoffen.

Auch bei der thermischen Effizienz der Gebäude sehen die Forschenden Verbesserungen. Im Basisszenario 2020 liege diese bei 77 Prozent. Hauptursachen sind der Analyse zufolge die Wärmebereitstellung über Gaskessel und fehlende Dämmung. Im Szenario 2050 steige die thermische Effizienz auf rund 84 Prozent. Gründe sind unter anderem der Einsatz von Wärmepumpen, der Niedertemperaturbetrieb und zusätzliche Wärmespeicher. Durch die Kombination aus Gebäudedämmung, elektrischer Wärmeversorgung und Elektromobilität lassen sich zudem erhebliche Emissionen vermeiden. Die Simulation habe eine Reduktion der gesamten CO2-Emissionen des Quartiers bis 2050 um bis zu 88 Prozent ergeben.

Belastung der Transformatoren

Gleichzeitig zeige die Untersuchung jedoch Herausforderungen für die Energienetze. Die zunehmende Einspeisung von Solarstrom und der Einsatz dezentraler Speicher erhöhen die Komplexität im Netz und belasten den Transformator stärker. Gezielte Steuerungsmechanismen könnten solche Effekte verringern. Systeme wie der Grid-Observer können beispielsweise Ladeprozesse verschieben oder überschüssige Solarenergie gezielt nutzen, um die Netzspannung zu stabilisieren.

Dazu ist die digitale Kommunikation im Energiesystem notwendig. Um solche Abläufe zu analysieren, simulierte das Forschungsteam zunächst ein kleines Energienetz mit sechs Knoten. Anschließend übertrugen sie das Modell auf das reale Quartier mit 49 Knoten.

Die Ergebnisse zeigen nach Einschätzung des Projekts, dass dezentrale Technologien wie PV-Anlagen, Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge erhebliche Beiträge zur Reduzierung von Energiebedarf und Emissionen leisten können. Gleichzeitig erfordern sie eine gezielte Planung der Netzinfrastruktur und der digitalen Steuerungssysteme.