Quartier setzt auf Wasserstoff und Echtzeitoptimierung

Ein Stadtteil in Esslingen soll nicht nur Vorreiter bei der lokalen Wasserstoffvermarktung werden, sondern auch bei der wirtschaftlichen und flexiblen Steuerung der Energie in der gesamten Anlage. Ziel sind 100 Prozent Klimaneutralität sowie eine jährliche grüne Wasserstoffproduktion von rund 85 Tonnen. Kern des Projekts ist ein integriertes Energiekonzept mit vernetzten Erzeugungsanlagen. Zum Einsatz kommt ein Energiemanagementsystem von VK Energie, das Echtzeitoptimierung und Vermarktung in einem KI-gestützten Betriebsmodell kombiniert.

Auf dem ehemaligen Güterbahnhofsgelände im Westen der Stadt entsteht das Quartier „Neue Weststadt − Klimaquartier“ mit rund 480 Wohnungen, Büro- und Gewerbeflächen sowie einem Neubau der Hochschule Esslingen. Für die Energieversorgung wurde in der Quartiersmitte eine zentrale Versorgungsinfrastruktur mit einer Energie- und Technikzentrale errichtet.

„Die Energie- und Technikzentrale wurde unterirdisch gebaut und ist damit nicht sichtbar“, sagt Felix Mayer, Geschäftsführer von Green Hydrogen Esslingen, im Gespräch mit E&M. Über die Energiezentrale werden derzeit 167 Wohneinheiten mit Wärme und Strom versorgt. Auch der benachbarte Hochschulneubau wird Energie aus der Anlage beziehen.

Flexibles Energiemanagementsystem

Das Versorgungskonzept wurde von Green Hydrogen Esslingen entwickelt, finanziert und umgesetzt, einer 2019 gegründeten Tochter des Ökoenergieversorgers Polarstern. Die Energieerzeugung setzt sich aus Photovoltaik, Wasserstoffproduktion, Abwärmenutzung und Rückverstromung zusammen. Im Zentrum steht eine Elektrolyseanlage. Das Quartiersprojekt wird im Förderschwerpunkt „Solares Bauen / Energieeffiziente Stadt“ des Bundeswirtschaftsministeriums mit rund 12 Millionen Euro gefördert. „Das Forschungsprojekt läuft noch bis März nächsten Jahres“, sagt Felix Mayer.

Das Konzept sieht so aus: Überschüssiger erneuerbarer Strom aus den lokalen Photovoltaikanlagen und aus überregionaler Erzeugung wird mittels Elektrolyse umgewandelt, um daraus Wasserstoff zu produzieren. Dieser geht derzeit an Green Planet Energy. Die Wärme, die beim Vorgang der Elektrolyse entsteht, trägt zudem zur Versorgung des Quartiers bei. 

Technische Ausstattung der Energiezentrale

In der Zentrale wurden zwei Elektrolyseure mit je 500 kW elektrischer Leistung, eine Wärmepumpe mit 155 kW, ein H2-ready-Blockheizkraftwerk mit 200 kW, ein Gaskessel, ein Wärmespeicher mit 30 Kubikmetern sowie ein Wasserstoffspeicher mit 29 Kilogramm Kapazität installiert. Auf den Dächern des Quartiers sind PV-Module montiert. Zum Energiekonzept gehören außerdem Windkraftanlagen auf der Schwäbischen Alb und ein Solarpark in Bayern. „Wir haben für beide Anlagen langfristige PPA-Verträge abgeschlossen“, erläutert Mayer. „Außerdem gehört ein Mieterstromkonzept dazu.“ 
 
Die Elektrolyseure laufen seit 2021. „Ganz reibungslos hat das am Anfang nicht geklappt“, berichtet Mayer. Insbesondere die Elektrolyseanlage in den Regelbetrieb zu bringen, sei anfangs eine Herausforderung gewesen. Mayer: „Aber dafür ist ein Forschungsprojekt wie unseres da. Die Anlage ist zu klein, um das Stromsystem zu beeinflussen. Allerdings haben wir im Kleinen gezeigt, was möglich ist, und gesehen, dass das Konzept skalierbar ist. Damit ist das gesamte Projekt für uns jetzt schon ein Erfolg.“ − auch wegen des hochflexiblen Energiemanagements, das dort realisiert wurde.

Die Rolle von VK Energie 

Vor anderthalb Jahren stieg VK Energie in das Projekt ein. „Bei solch komplexen Energiekonzepten ist ein Energiemanagementsystem Voraussetzung dafür, dass die Anlage technisch und wirtschaftlich funktioniert“, sagt Johannes Jungwirth, technischer Geschäftsführer von VK Energie. Der Münchner Dienstleister für Stadtwerke und Energieversorger übernahm die operative Steuerung und wirtschaftliche Optimierung des komplexen Energiesystems. VK Energie optimiert den Betrieb über eine interne Merit-Order, die Strom aus Windkraft, Photovoltaik und kurzfristigen Börsenzukäufen kombiniert.

„Durch die Zusammenarbeit mit VK Energie läuft die Elektrolyseanlage nun so, wie sie soll“, betont Mayer. „Besonders wichtig war, dass wir neben der Day-Ahead-Vermarktung nach kurzer Zeit auch die Intraday-Vermarktung realisieren konnten. Das Projekt zeigt, wie sich technologische Innovation und wirtschaftliche Betriebsführung vereinen lassen.“

KI-gestütztes Betriebsmodell

Ein besonderes Augenmerk liegt laut VK Energie auf der dynamischen Auswahl der jeweils günstigsten Stromquelle. Für das Quartier kommen PV und Windkraft über PPA-Verträge sowie kurzfristige Börsenzukäufe infrage. VK Energie erstellt dafür Fahrpläne. Dabei kommt nach Auskunft des Unternehmens eine sogenannte Multi-Market-Optimierung zum Einsatz. Das System erstellt tägliche Fahrpläne (Day-Ahead) und passt diese im Viertelstundenrhythmus laufend an Wetter- und Marktentwicklungen (Intraday) an. 

Zusätzlich steuert eine KI-Echtzeitregelung nach. „Damit holen wir das Optimum aus dem Strommarkt heraus und vermeiden Ausfälle“, erklärt Jungwirth. „Die KI lernt aus der Vergangenheit, sodass das Modell für den jeweiligen Standort laufend präziser wird.“ Besonders hervorzuheben an diesem System: Es könne situationsabhängig entscheiden, ob der erzeugte Strom zur Wasserstoffproduktion verwendet wird oder vermarktet werden soll. Dabei berücksichtigt das System automatisch regulatorische Vorgaben wie KWK-Förderung, Grenzwerte zur Wasserstoffeinspeisung ins Erdgasnetz sowie Herkunftsnachweise für grünen Wasserstoff. Diese Betriebsweise steigert die Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse und stärkt die Energiewende, indem eben auch auf kurzfristige Bedarfe des Stromsystems reagiert wird (Stromüberschuss bzw. -mangel).

Nutzung des Wasserstoffs

Der erzeugte Wasserstoff wird derzeit überwiegend ins Erdgasnetz eingespeist. Mayer hofft, dass das Quartier zukünftig an eine geplante Wasserstoffpipeline zwischen Stuttgart und Esslingen angeschlossen werden kann. Dazu läuft das Projekt „H2 GeNeSiS“. Es soll prüfen, wie eine Wasserstoffwirtschaft in Baden-Württemberg wirtschaftlich tragfähig sein kann. 

Um den Wasserstoff ins Erdgas leiten zu dürfen, muss sichergestellt werden, dass es nicht zu viel ist. Anhand von Prognosen zur Erdgasdurchflussmenge berechnet VK Energie deshalb die maximal zulässige Wasserstoffbeimischung. „Es dürfen maximal 2,5 Volumenprozent zugemischt werden“, erklärt Mayer. Im Winter sei das meist unproblematisch, im Sommer wird dadurch jedoch die Produktion begrenzt. Daher lässt sich der Wasserstoff über ein Blockheizkraftwerk rückverstromen oder zwischenspeichern. Bei hohen Strompreisen erzeugt das BHKW zusätzlich Strom und Wärme. Ein Gaskessel zur Spitzenlast deckt im Winter den Wärmebedarf mit ab. „Trotz aller Optimierungen müssen wir natürlich zuerst die Wärmeversorgung für die Menschen sicherstellen“, betont Jungwirth. Die Wärmepumpe an der Elektrolyseanlage erzeugt zudem die notwendige Kälte zur Kühlung der Elektrolyseure und ist damit Teil des Wasserstoffkonzepts.

Perspektiven des Projekts

Geplant ist, künftig auch Regelleistung in das Energiesystem einzubinden. Das würde die Wirtschaftlichkeit und die Stromsystemdienlichkeit nochmals erhöhen. „Wir hoffen, dass dies bis Ende des Jahres umgesetzt ist“, so Mayer. Aktuell arbeitet VK Energie an der Einbindung des Regelenergiemarkts. Auch gibt es bereits Ideen für weitere Projekte. Der Abschlussbericht über das Klimaquartier „Neue Weststadt“ soll im nächsten Jahr über den Projektträger Jülich erfolgen.