Was bedeutet dezentrale Energieversorgung?

Themenbereich: Dezentralisierung

by 4. Januar 2022

Wir erklären ein elektrisierendes Lokalgeschäft mit Zukunft

Warum ist die Dezentralisierung in der Energieversorgung relevant?

Die einzige Konstante im Universum ist die Veränderung. Auch die Art und Weise, wie wir uns mit Energie versorgen, verändert sich laufend.

Endkundinnen und -Kunden als auch Investoren stellen wachsende Anforderungen an die Nachhaltigkeit der Energieproduktion. Auch der Gesetzgeber fördert und fordert eine Strom- und Wärmeversorgung, welche mit den gesteckten Klimazielen vereinbar ist. Heute umfasst der Markt ein breites Spektrum an Technologien, welche die gesamte Wertschöpfungskette abdecken, von der Energieerzeugung bis hin zur -Speicherung. Die neuen Technologien begünstigen die Dekarbonisierung unserer Energieversorgung1.

Zudem beobachten wir gerade in der Photovoltaik, wie auch bei der Windkraft und bei Batteriespeichern einen beträchtlichen Preiszerfall2.

Dieser Preiszerfall ermöglicht es erstmals in der Geschichte der Energieversorung, dass das Energietrilemma – also das Abwägen zwischen wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten sowie der Gewährleistung der hundertprozentigen Versorgungssicherheit – mittels neuer Strukturen gewährleistet werden kann3.

Dabei dreht sich nicht alles um die Frage, wie Strom, Wärme und Kälte künftig hergestellt und gespeichert werden, sondern ebenso um das Wo. Insbesondere bei der Versorgung mit regenerativer Energie führt die eine Frage nämlich zur anderen. Warum das so ist? Weil Solartechnologie, Wind, Biomasse und Geothermie prädestiniert sind für die Nutzung auf lokaler Ebene. Und damit sind wir bereits mitten im Thema der dezentralen Energieversorgung4.

Was heisst dezentrale Energieversorgung?

Denkt man an klassische Energieversorgung, hat man meist das Bild einer Industrieanlage und weitreichender Starkstromleitungen vor Augen. Im Gegensatz dazu, kommen bei der dezentralen Energieversorgung kleine Anlagen in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher zum Einsatz. Somit ergeben sich sowohl geografische als auch quantitative Unterschiede. Die grossen, oft weit entfernten Anlagen der zentralen Energieversorgung stehen den vielen kleinen, verbrauchernahen Anlagen der dezentralen Energieversorgung gegenüber. So entstehen neue und andere Anforderungen an den Netzbetrieb, das Energiemanagement sowie die Schutztechnik. Die dezentralen Anlagen speisen ihren Ertrag mal in ein öffentliches Netz ein, mal dienen sie der Selbstversorgung oder sie agieren als sogenanntes Inselnetz. Entscheidend bei der Nutzung der Begrifflichkeit ist meist die Netzebene5.

Erklärung zu Netzebenen

Die Stromversorgung kennt sieben Netzebenen. Sie reichen von der Höchstspannungsebene (Ebene 1), bis zur Niederspannungsebene (Ebene 7). Drei davon sind sogenannte Transformatorenebenen als Übergang zwischen den jeweiligen Netzen. In tiefen Netzebenen finden wir heute grösstenteils zentrale Anlagen. Jedoch, je höher die Netzebene, respektive je näher am Verbraucher, desto höher ist auch die Wahrscheinlichkeit einer dezentralen Versorgung6.

Wusstest du, dass das Schweizer Stromnetz 250’000 Kilometer lang ist?
Das reicht sechs Mal um die Erde.

Der Einspeisebereich für dezentrale Technologien umfasst insbesondere das Verteilnetz. Dieses umfasst die Ebenen 3 im Hochspannungsbereich, 5 im Mittelspannungsbereich und 7 im Niederspannungsbereich und damit überregionale, regionale und lokale Stromnetze7.

Netzebenen im Überblick

Denkt man an Erzeuger, gehören Wärme-Kraft-Kopplungs-Anlagen (WKK) für die Strom- und Wärmeproduktion ebenso dazu, wie reine Stromerzeugungsanlagen wie beispielsweise Photovoltaik- und kleinere Windenergieanlagen8.

Eine Schwarz-Weiss-Angelegenheit ist das alles nicht. Ein Erzeuger kann Einzugsgebiete verschiedener Grössen – beispielsweise regional oder kommunal – versorgen. Eine PV-Anlage wiederum kann für ein Nachbargebäude als auch für ein ganzes Areal produzieren9.

Die Vorteile der dezentralen Versorgung liegen generell bei der effizienteren Nutzung sogenannter Primärenergie. Gleichzeitig geht es darum, den Energieverbrauch allgemein zu senken, um damit etwa CO2-Emissionen und idealerweise Kosten einzudämmen10.

Dezentrale Energieerzeugung bedingt/verlangt eine Transformation des bestehenden, zentralen Systems, hin zu einer verbrauchernahen Energieproduktion, durch neue Akteure, mit neuen Geschäftsmodellen sowie innovativen technischen Strukturen.

Kommt der Energieversorger der Zukunft von nebenan?

Wer in die genannten Anlagen investiert, ist nicht an die üblichen Betriebsstrukturen gebunden. Sie sind grundsätzlich flexibler. Damit steht es jeder und jedem offen, sich finanziell zu beteiligen. Schliesslich ist das projektbezogene Investitionsvolumen geringer, als dies bei Einspeisern übergeordneter Ebenen der Fall ist. Als Investoren und Betreiber kommen folglich nicht nur Energieversorger in Frage. Auch Energieabnehmer oder Dritte – wie sogenannte Contractors – sind denkbar11.

Das sorgt für eine Art Demokratisierung in der Energieversorgung.

Ein Beispiel ist die Siedlung «Am Aawasser» in Buochs. Sie wird nicht nur durch eine PV-Anlage, sondern durch ein eigenes Wasserkraftwerk mit Strom versorgt. Im Jahresschnitt produziert die Siedlung satte 70 Prozent mehr Strom als sie verbraucht. Der Betreiber? Ein Contractor12.

Die Liberalisierung des Strommarkts kommt somit in alternativer Form auf uns zu. Gerade die derzeit diskutierten, virtuellen Zusammenschlüsse zum Eigenverbrauch (ZEV) begünstigen, dass sich Konsumenten auf lokaler Ebene – nicht nur unter dem gleichen Dach – durch das ganze Jahr hindurch mit Strom versorgen können.

Der Aspekt der hundertprozentigen Versorgungssicherheit (Winterlücke) darf dabei natürlich nicht ausser Acht gelassen werden. Die Gewährleistung dieser Sicherheit – quasi eine Ausfallversicherung – könnte mittels neuer Tarifsysteme für Hausanschlüsse berücksichtigt werden. Dennoch stehen Netzbetreiber vor einem Interessenkonflikt. Sollen sie die Umsetzung lokaler Geschäftsmodelle begünstigen, wobei Energieproduzenten und Contractors profitieren? Oder sollen sie alles unternehmen, um die Refinanzierung des eigenen Netzes sicherzustellen?

Die potenzielle Vielfalt neuer Akteure bedeutet auch eine Chance zur lokalen Wertschöpfung. So entstehen neue Entwicklungspotenziale – davon profitiert insbesondere auch der ländliche Raum.

In Deutschland werden rund 18’000 Personen für den Betrieb von Windenergieanlagen beschäftigt. Auf dem Land sind doppelt so viele Personen in der regenerativen Stromerzeugung tätig, wie in der Stadt. Damit könnte die dezentrale Energieversorgung gewissermassen der Landflucht entgegenwirken – zumindest ein wenig.

Ein Blick nach Deutschland zeigt, dass traditionelle Energieversorger nur gering an der Produktion regenerativen Stroms beteiligt sind. Ihr Anteil an der Produktion im Jahr 2019 beträgt lediglich 6%. Bei den Investitionen in dezentrale Anlagen dominieren private Haushalte, Landwirtschaftsbetriebe, Bürgerenergiegenossenschaften und institutionelle Kapitalanleger13.

Potenzielle Reduktion der Auslandabhängigkeit

In unseren Breitengraden ist auch die Senkung politischer und wirtschaftlicher Abhängigkeit nennenswert.

Das hat damit zu tun, dass die Energieversorgung in der Schweiz zu grossen Teilen mittels Erdölprodukten, Erdgas und Kernbrennstoffen gedeckt wird. Ein Grossteil der Energie in Form von Strom wird grundsätzlich im Inland produziert. Für diese domestische Stromproduktion werden ausschliesslich Kernbrennstoffe importiert. Der in der Schweiz verwendete Strommix ist zudem generell CO2-arm. Betrachtet man hingegen den Gesamtenergieverbrauch, so werden nahezu drei Viertel mittels Erdölbrennstoffen, Erdöltreibstoffen, Gas und weiteren Energieträgern gedeckt. Primärenergie also, auf welche ein grosser Anteil des Ausstosses an Treibhausgasen zurückgeht. Der Löwenanteil dieser Energieträger wird importiert, wobei laut der Schweizerischen Energie-Stiftung SES zehn Milliarden Franken pro Jahr ins Ausland abfliessen. Bei der Deckung des Energiebedarfs entstehen Abhängigkeiten von Rohöl-Exporteuren wie Nigeria, Libyen oder Kasachstan14.

Das detaillierte Energieflussdiagramm 2020 der Schweiz zeigt auf, wie wir unseren Energiebedarf, ausgedrückt in Terrajoule (TJ), decken. Spannend ist der Einfluss der Pandemie auf den Verbrauch – gerade bei fossilen Treibstoffen: Der Benzinverbrauch ging um 11,4% zurück. Der Dieselverbrauch um 5,2%. Bei den Flugtreibstoffen betrug der Einbruch ganze 62,2%. Kein Wunder ist die Rede von einem historischen Einbruch. Zumindest Mutter Natur wird’s freuen.

Welche Arten von dezentralen Versorgungsstrukturen gibt es?

Weil dezentrale Versorgungssysteme zur Versorgung verschiedener Abnehmern – vom Einfamilienhaus bis zu einer ganzen Stadt – eingesetzt werden können, sehen die Versorgungsstrukturen unterschiedlich aus. Welche Versorger sich wie und wo für die Produktion eignen ist mitunter abhängig vom Lastgang und der schwankenden Produktion.

Netzebenen im Überblick

Um Schwankungen entgegenzuwirken, bieten sich Energiespeicher und die Nutzung von Anlagen mit planbaren Produktionsvolumina an.

Das macht auch deshalb Sinn, weil der Lastgang je nach dem zu versorgenden Gebiet unterschiedlich ist. Der elektrische und thermische Energieverbrauch ist je nach Abnehmer (Wohnungen, Gewerbe, Industrie) höchst unterschiedlich15.

Einflüsse auf den Lastgang am Hausanschluss

Welche Begriffe muss man im Zusammenhang mit dezentraler Energieversorgung kennen?

Bilanzkreis

Ein Bilanzkreis fasst eine beliebige Zahl von Einspeise- und/oder Entnahmestellen zusammen. Die für den Bilanzkreis zuständige Instanz sorgt anhand von Prognosen dafür, dass die Leistungsbilanz (innerhalb des Kreises) ausgeglichen ist. Abweichungen werden bei einer Unterspeisung durch den Betreiber des Übertragungsnetzes verrechnet.

Entscheidend sind grundsätzlich die Kosten, welche durch den Einsatz von Regelenergie entstehen. Wenn der Bilanzkreisverantwortliche auch für eine eigene Anlage zur dezentralen Energieversorgung zuständig ist, kann er diese nutzen, um die Abweichungen zu minimieren. Dies trägt zur Wirtschaftlichkeit des Versorgungssystems bei.

Die Betriebsführung ist natürlich komplex – insbesondere, wenn verschiedenste Erzeuger-, Speicher- und Verbraucherstrukturen zum Einsatz kommen16.

Komponenten der dezentralen Energieversorgung

Virtuelle Kraftwerke

Ein virtuelles Kraftwerk fasst voneinander unabhängig produzierende Erzeuger zusammen. Gegen aussen wirken sie dank dieser Bündelung als Einheit. Für diesen Zweck setzt die Erzeugergesellschaft auf ein übergeordnetes System für das Energiemanagement. Dieses sorgt dann für Massnahmen wie die Lastabschaltung, Lastverschiebung oder die Ansteuerung von Speichern. Solche virtuellen Kraftwerke können in Zukunft einen Beitrag an die Energiebereitstellung und den -Handel leisten. Entscheidend für die Umsetzung sind insbesondere rechtliche Rahmenbedingungen – welche sich durch die Liberalisierung des Strommarktes grundlegend verändern könnten17.

Mikro-Netze (Micro-Grids / Arealnetze)

Als Microgrids verstehen sich Netze, welche die abschliessende, dezentrale Energieversorgung sicherstellen können. Sie sind im Normalbetrieb durch definierte Schnittstellen mit dem konventionellen Netz verbunden. Die Betreiberschaft trägt für das Versorgungsgebiet eine ähnliche Verantwortung, wie klassische Energieversorgungsunternehmen. Um Totalausfällen und Nichtverfügbarkeit entgegenzuwirken, bleiben sie mit dem überlagerten Netz verbunden.

Umgekehrt können sich die Systeme vom überlagerten Netz zumindest vorübergehend abkoppeln und dabei die Selbstversorgung gewährleisten. Das setzt eine hochdynamische Regelfähigkeit, dezentrale Regelkonzepte sowie die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie voraus. Gleichzeitig können Systeme Überschüsse an Netzpartner verkaufen, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen. Verschiedene Stromspeicher können dabei sicherstellen, dass Schutzsysteme ansprechen und Motoren «anspringen»18.

Beispiele für dezentrale Energiesysteme

Virtuelles Kraftwerk zur bedarfsgerechten Stromerzeugung aus Biogasanlagen

Standort: Dezentral, Schweiz
Beteiligte: Fleco Power AG, Ökostrom Schweiz
Kategorie: Pooling, Bereitstellung von Flexibilitäten

Das virtuelle Kraftwerk der Fleco Power AG umfasst mehr als 100 Anlagen. Gemeinsam erzeugen sie mehrere dutzend Megawatt Leistung aus neuen erneuerbaren Energien (nEE). Der stabile Pool umfasst mittels Biogas, PV und Kleinwasserkraft betriebene Erzeuger. Das Pilotprojektteam betont, dass – dank des lokalen Flexibilitätsansatzes – Kosten beim Netzausbau gespart werden können. Die bedarfsgerechte Produktion hat dabei Vorteile für alle Akteure (Anlagen- und Verteilnetzbetreiber sowie EVU) mit sich gebracht19.

Virtual Global Trading AG (VGT)

Kategorie: Energiehandel

Die VGT besteht seit rund drei Jahren in Aarau. Die Firma fokussiert sich auf die Gestaltung und Entwicklung von Plattformlösungen für den dynamischen Energiehandel (P2P-Systeme). Mit der Plattform eNet verfügt die Firma über ein modulares System, mit welchem Kunden – darunter Netzbetreiber und EVU – neue Geschäftsmodelle umsetzen können. Dank der sogenannten Tokenisierung kann Energie in Echtzeit unter Einbezug eines Clearing-Systems gehandelt werden. Damit ist die Nachvollziehbarkeit der Stromherkunft sichergestellt und nachvollziehbar. Und – davon werden wir noch oft hören – flexible Modelle zur Netztarifierung rücken in greifbare(re) Nähe20.

Multi Energy Zug AG

Standort: Zug
Kategorie: Arealnetz

Die Multi Energy Zug AG ist ein Joint-Venture der WWZ AG und der Tech Cluster Zug AG. Sie ist zuständig für die Entwicklung und den Betrieb eines technologischen Ökosystems im Norden der Stadt Zug. Das Arealnetz versorgt das Vorreiterquartier mit Wärme, Kälte, Strom, Lade- und Kommunikationslösungen. Interessant: als Energiequellen dienen neben PV auch Tiefengrundwasser und Seewasser (Circulago). Somit erreicht weist das Gesamtenergiesystem einen sehr hohen Eigenversorgungsgrad21.

Exnaton AG

Standort: Zürich, Rockethub by ETH Entrepreneursclub
Kategorie: Energiegemeinschaften

Die Exnation AG hat ihren Ursprung im Forschungsprojekt Quartierstrom. Das Team, bestehend aus Forschenden der ETH Zürich und der Universität St. Gallen, hat den schweizweit ersten lokalen Energiemarkt mitaufgebaut und erprobt. In diesem Leuchtturmprojekt wurden 37 Haushalte in Walenstadt zu einem Strommarktplatz zusammengeschlossen. Die Haushalte handeln den dezentral herstellten Strom mit ihren Nachbarn. Persönliche Stromdaten werden in einer Webapplikation abgebildet. Exnation entwickelt die Software für smarte Energiegemeinschaften laufend weiter. Sie dient der effizienten Nutzung von Energie mittels datengetriebener Modelle. Zudem ist sie für die Abbildung von Geschäftsmodellen durch EVU geeignet22.

Stadtwerke Unna

Standort: Unna, Deutschland
Beteiligte: Stadtwerke Unna GmbH
Kategorie: Energiemanagement

Seit 2004 betreiben die Stadtwerke Unna fünf Blockheizkraftwerke (Standorte: Freizeitbad, Gartenvorstad, Eissporthalle, Königsborn, Karstadt und Denaro). Die Leitwarte in der Unternehmenszentrale an der Heinrich-Hertz-Straße 2 steuert die als virtuelles Kraftwerk gebündelten Erzeuger. Sie werden ergänzt durch drei Windkraftanlagen, von welchen zwei durch Bürgergesellschaften betrieben werden. Für zusätzlichen Bandstrom sorgen ein Pumpspeicherkraftwerk sowie ein Hybridkraftwerk23.

Virtuelles Kraftwerk in der Energiewirtschaft – Transferstelle Bingen (TSB)

Standort: Bingen, Deutschland
Beteiligte: Geschäftsbereich des ITB – Institut für Innovation, Transfer und Beratung gemeinnützige GmbH, div. Partner
Kategorie: Pooling, Energiehandel, Bereitstellung von Flexibilitäten

Die «Transferstelle für rationelle und regenerative Energienutzung Bingen» hat bereits 2010 eine Lösung zur Integration von kleinen Stromerzeugern sowie -verbrauchern entwickelt. Das System «EC24» umfasst Module zur Verwaltung und Steuerung eingebundener Anlagen sowie Hardware für die Kommunikation. Es bündelt Unterbrechungsfreie Stromversorgung, Blockheizkraftwerke, Gasturbinen, Verbraucher und Energiespeicher. Angeboten werden Systemdienstleistungen, Regelenergie, Spannungshaltung und Ausgleichsenergie. Auch kurzfristige Stromreserven (Minutenreserven) können dank dem Pooling bereitgestellt werden24.

Virtuelle Kraftwerke von Next Kraftwerke GmbH

Standort: Next Kraftwerke GmbH, Shell
Beteiligte: Pooling, Energiehandel, Energiemanagement

Die Next Kraftwerke GmbH ist zuständig für den Betrieb eines der grössten, virtuellen Kraftwerke in Europa. Es vernetzt Stromproduzenten, -verbraucher und -speicher. Die Firma begünstigt den «Börsengang» von Anlagen im Sinne der Direktvermarktung. Für Zusatzerlöse sorgt die Bereitstellung von Regelenergie durch den Pool. Die Firma erbringt auch Leistungen im Bereich der sogenannten Fahrplanoptimierung, im Stromhandel sowie im Bilanzkreis- und Portfoliomanagement. Mit der Software namens NEMOCS können Dritte eigene, virtuelle Kraftwerke realisieren. Im Jahr 2021 wurde die Unternehmung von Shell übernommen25.

Brooklyn Microgrid (TransActive Grid)

Kategorie: Microgrid, Energiehandel, Smart Metering

Im Projekt Brooklyn Microgrid wird das Ziel verfolgt, ein Netz zu entwickeln, dass sich komplett vom Hauptnetz abkoppeln kann. Es soll das New Yorker Viertel autark mit Strom versorgen. Durch die Tokenisierung sind direkte Abrechnung und Stromtausch möglich. Hierzu wird auf Blockchain-Technologie gesetzt26.

Warum soll Strom und Wärme in einem dezentralen Energiesystem gemeinsam betrachtet werden?

Kurzantwort: Um ein (kosten-)effizientes Gesamtsystem umzusetzen, die CO2-Ziele zu erreichen und von fossilen Energieträgern loszukommen. Stark vereinfacht können wir uns das Energiesystem in einem Dreieck verschiedener Energieformen denken:

  1. Elektrische Energie (Strom)
  2. Thermische Energie (Wärme)
  3. Chemische, beziehungsweise fossile Energie (Gas, Öl, Kohle)

Diese Energieformen können ineinander übergeführt werden. Bei der Analyse dieser Umwandlungspfade ergeben sich jedoch beträchtliche Unterschiede bezüglich des Wirkungsgrades. Die zentrale Frage ist also, wann, wo und in welcher Form die Energie zur Verfügung gestellt werden muss, damit der Heiz-, Mobilitäts- und Strombedarf abgedeckt werden kann. Zwei Technologien zeichnen sich durch besonders günstige Pfade aus:

  1. Durch die Elektrifizierung der individuellen Mobilität kann die eingesetzte Energiemenge massiv reduziert werden (Faktor 3)
  2. Durch den grossflächigen Einsatz von Wärmepumpen können drei Einheiten Wärme pro elektrisch eingesetzte Energieeinheit erzeugt werden (Coefficient of Performance, respektive COP 3)27.

Was aber ist nun «DAS» ideale System auf Haus-, Quartier-, Stadt- oder Landesebene? Und mit welchen Systemgrenzen und Optimierungskriterien soll eine Systemoptimierung vorgenommen werden? Die Auswahl und das Zusammenspiel (Stichwort Sektorkopplung) dieser Systemkomponenten ist keine triviale Angelegenheit. Denn es gilt insbesondere auch die ökonomischen Aspekte und technologische Entwicklungspotentiale zu berücksichtigen. Auch die CO2-Vermeidungspotentiale sind in den Abwägungen miteinzubeziehen. Eine isolierte Betrachtung einer Energieform wäre zwar einfacher, lässt aber nicht zu, dass das volle Potential ausgeschöpft wird.

Szenarien und Tools für die Auslegung von dezentralen Energiesystemen

In der Schweizer Forschungslandschaft wurden in den letzten Jahren insbesondere durch die Swiss Competence Centers for Energy Research (SCCERs) Fortschritte erzielt. Ab 2022 ist deren Kontinuität innerhalb des sogenannten SWEET Programms sichergestellt.

Aus diesen Kompetenzzentren sind Tools und Methoden entstanden, die es erlauben, Systeme auf verschiedenen Ebenen zu modellieren und Szenarien zu entwickeln. So sollen zukünftige Energielandschaften abgebildet werden. Zudem helfen die Tools und Szenarien, Risiken bei Investitionsentscheidung besser bewerten zu können.

Folgende Projekte leisten dazu einen Beitrag:

  1. ReMaP: Renewable Management and Real-Time Control Plattform28
  2. Nexus-e: Integrated Energy Systems Modelling Platform29
  3. PATHFNDR: PATHways to an Efficient Future Energy System through Flexibility aND SectoR Coupling (ab Februar 2022)30

Es bleibt festzuhalten, dass dezentrale Ansätze in allen relevanten Szenarien vorzufinden sind.

Welche Rolle spielen Netze, Kommunikationssysteme und IT?

Der Einsatz von dezentralen Erzeugungsanlagen beeinflusst den Betrieb und die langfristige Planung der elektrischen Energieversorgungsnetze. Die verbrauchsnahe Einspeisung wird zu Veränderungen des Lastflusses und zu Rückspeisungen in die übergelagerten Netze führen.

Während das Übertragungsnetz – in der Schweiz betrieben von Swissgrid – schon hochaufgelöst und in Echtzeit gemessen, überwacht und gesteuert wird, ist das elektrische Verteilnetz (Netzebene 7) praktisch nicht automatisiert. Das heisst, die Netze sind statisch ausgelegt und Lastflüsse sind nicht in Echtzeit einsehbar. Schutzelemente sind zwar zu grossen Teilen automatisiert, jedoch gab es bis jetzt keine Anreize dafür das Verteilnetz in hoher Granularität zu messen und zu steuern. Der Anspruch an Echtzeittransparenz wächst jedoch zum einen durch den grossflächigen Einsatz von neuen Energieerzeugungsanlagen, zum anderen durch die zunehmende Verbreitung von Elektromobilität und Wärmepumpen. Denn Spannungshaltung und Spannungsqualität müssen weiterhin gewährleistet werden können und lokale Netzengpässe, Lastspitzen- sowie Blindleistungsüberschreitungen müssen vermieden werden, um einem extensiven Ausbau der Netzinfrastruktur vorzubeugen. Grundsätzlich trägt IKT dazu bei, Lösungen für diese Herausforderungen umzusetzen.

Neben einer höheren Auflösung der Echtzeitdaten, muss die Bereitstellung, Analyse und Verarbeitung dieser Daten auf verschiedenen Ebenen erfolgen.

Hier kommt den Energiemanagementsystemen (EMS) eine entscheidende Bedeutung zu. EMS sind Anlagen, die eingebundene Verbraucher, Speicher und Erzeuger steuern. Sie stellen die systematische Beschaffung, Wandlung, Verteilung und Nutzung von Energie sicher. Durch die Koordination und Automation werden sowohl wirtschaftliche als auch nachhaltige Ziele verfolgt. So zielt die Optimierung beispielsweise darauf ab, einen möglichst hohen Eigenverbrauchsgrad zu erreichen. Innerhalb des gesteuerten Ökosystems wird dabei möglichst viel eigens produzierte Energie verbraucht oder Energie zu niedrigen Tarifen bezogen. EMS können somit technische, aber auch wirtschaftliche Probleme adressieren31.

Dazu gehören auch die Optimierung von Lastflüssen an Knotenpunkten nach definierten Kriterien und der Einbezug sowie die Bereitstellung von Flexibilitäten. EMS können dabei zentral oder dezentral und in verschiedenen Komplexitätsausprägungen zur Verfügung stehen.

Achtung: (Energiemanagement-)Systeme sind nicht zu verwechseln mit der Organisation des betrieblichen Energiemanagement nach der Norm DIN EN ISO 5000. Die Anlage kann aber zu deren Umsetzung (technische Steuerung, Monitoring) beitragen.

Dabei kommt der Interoperabilität und den Schnittstellen zwischen verschiedenen Systemen und Akteuren eine Schlüsselrolle zu. Womit wir bei einem zentralen Knackpunkt des zukünftigen, dezentralen Energiesystems sind: Wie kommunizieren dezentrale Energiesysteme auf verschiedenen Ebenen untereinander und wie können deren Flexibilitäten genutzt werden? Welche Standards sollen dabei eine Rolle spielen? Und welche Anreizsysteme gibt es, um diese Entwicklung zu ermöglichen?

Der 2019 gegründete Verein SmartGridReady hat sich dieser Herausforderung verschrieben und ein Label für beteiligte, aktive Komponenten geschaffen. SG Ready schlägt ein Stufenmodell vor. Aktive Geräte sollen Flexibilität in der Abstufung von 1 bis 6 bereitstellen können. Stufe 1 reagiert dabei auf ein diskretes on/off Signal und Geräte der Stufe 6 können ihr Verhalten anhand eines Zeitprofils (beispielsweise anhand prognostizierter Werte) hochdynamisch steuern. Die Geräte können so in EMS eingebunden werden, womit die Steuerung von Lasten begünstigt wird.

Im Jahr 2022 stehen wir am Anfang der Entwicklung. Zwar sind technische Systeme weitgehend verfügbar. Aber ein ineinandergreifendes, intelligentes System, basierend auf hochaufgelösten Daten und verbunden mit intelligenten, selbstoptimierenden Regelalgorithmen ist grösstenteils Zukunftsmusik. Klar ist heute, dass Netzinfrastruktur, Kommunikationstechnologie und IT wichtiger Enabler auf dem Weg zu dezentralen Energiesystemen sind. Unklar ist allerdings, welche Ansätze sich am Ende durchsetzen werden und mit welchen Geschäftsmodellen sich gegebenen Anreizsysteme ausnutzen lassen.

Wirtschaftlichkeit dezentraler Anlagen

Aus Investorensicht sind Anlagen dann wirtschaftlich, wenn die Einnahmen aus dem Energieverkauf laufende Kosten sowie den Kapitaldienst (Zins- und Tilgungskosten der Investition) decken können. Dies wird mit der statischen Wirtschaftlichkeitsrechnung ermittelt. Man unterscheidet zwischen:

  • Kapitalgebundenen Kosten (über Nutzungsdauer unter Berücksichtigung der Zinsen)
  • Verbrauchsgebundenen Kosten (unter Berücksichtigung der Energieträger)
  • Betriebskosten (für Personal, Verwaltung etc.)
  • Weiteren, übrigen oder betriebsfremden Aufwänden

Alternativ zur statischen Berechnung kommt auch die sogenannte Annuitätenmethode zum Einsatz. Damit wird der Faktor Zeit besser mitberücksichtigt. So kann sich beispielsweise die Liquidität und die Gewinnentwicklung je nach Zeitraum verschieden entwickeln.

Die Kapitalwertmethode oder die interne Zinsfuss-Methode berücksichtigt zusätzlich den über die Abschreibungsdauer festgelegten, kalkulatorischen Zinssatz (um das eigene Kapital «fiktiv» zu verzinsen). Im Gegensatz zur Return on Investment-Methode wird man so auch dem Zeitpunkt von Ein- und Auszahlungen oder der Preisentwicklung gerecht.

Um (aus Abnehmer- aber auch aus Anbietersicht) eine relativ einfache Vergleichbarkeit unter den Erzeugungsanlagen zu gewährleisten, können die Stromgestehungskosten (LCOE) ermittelt werden. Die Methode der Levelized Costs of Electricity (LCOE) ermöglicht es, Kraftwerke unterschiedlicher Erzeugungs- und Kostenstruktur miteinander zu vergleichen. Die Stromgestehungskosten ergeben sich aus der Gegenüberstellung aller über die Lebensdauer der Anlage für die Errichtung und den Betrieb der Anlage anfallenden Kosten und der Summe der erzeugten Energiemenge über die Nutzungsdauer. Die Berechnung kann entweder auf Grundlage der Kapitalwertmethode oder der Annuitätenmethode erfolgen.

Das Fraunhofer Institut berechnet in einer Kadenz von rund drei Jahren die Stromgestehungskosten für Erzeugungsanlagen in Deutschland und ermöglicht die heutige Vergleichbarkeit der Technologien – und geht dabei noch einen Schritt weiter und macht Projektionen in die Zukunft, mit Annahmen bzgl. Technologielernkurven32.

Interessanterweise weist die Studie von Juni 2021 bereits aus, dass die Konkurrenzfähigkeit von dezentralen Anlagen bezogen auf die Stromgestehungskosten gegenüber den zentralen Grossanlagen durchaus gegeben ist.

Stromgestehungskosten in Euro

Einpreisung der Verfügbarkeit – Speicherbarkeit

Neben den positiven wirtschaftlichen Entwicklungen der dezentralen Erzeugungsanlagen ist der Aspekt der (verminderten) Verfügbarkeit respektive der volatilen Energieproduktion ein Aspekt, der nicht unkommentiert gelassen werden kann. Es ist nicht von der Hand zu weisen, dass gerade die auf fossilen Brennstoffen betriebenen Grossanlagen in Punkto Versorgungssicherheit einen Vorteil haben (Siehe Trilemma, in diesem Fall zu relativieren durch den reduzierten CO2-Ausstoss).

Nichtsdestotrotz wird uns das Thema Speicherung noch umtreiben. Hier hat sich aus ökonomischer Sicht einiges bewegt. Es ist ausserdem davon auszugehen, dass dieser Trend anhält und es mit bestehenden Speichertechnologien wirtschaftlich möglich ist, den Mittagsstrom in die Nacht zu verschieben.

In Sachen saisonaler Speicherung gibt es noch grössere Unklarheiten – vor allem aus wirtschaftlicher Sicht. So ist es technisch durchaus machbar, dass nicht gebrauchter Strom (wir verzichten an dieser Stelle explizit auf das Wort «Überschussstrom») in Wasserstoff oder auch andere gasförmige oder flüssige Energieträger umgewandelt wird. Da die Rentabilität solcher investitionsintensiven Elektrolyseanlagen erst bei einer hohen Anzahl an Betriebsstunden gegeben ist, kann heute beobachtet werden, dass solche Anlagen vorwiegenden an Orten installiert werden, wo auf Bandstrom zurückgegriffen werden kann und Netzanschlusskosten vermieden werden können.

Unabhängig davon, welche saisonale Speichertechnologie sich durchsetzen wird: es braucht einen massiven Ausbau an erneuerbaren Energien, die in einem ersten Schritt verbrauchernahe erzeugt und konsumiert werden.

Ausblick: Wie geht es mit der Dezentralisierung weiter?

Aufgrund der Dekarbonisierung und dem Ausstieg aus der Atomkraft kommen beteiligte Akteure unter Druck, Geschäftsmodelle zu transformieren. Einerseits formulieren die Gesetzgeber ambitioniertere Klimaziele und anderseits fördern und fordern sie den Wandel hin zur Nutzung erneuerbarer Energien33.

Ein aktuelles Beispiel aus Österreich: Seit dem Inkrafttreten des Erneuerbaren Ausbau Gesetztes (EAG) können sich Privathaushalte oder Gewerbler zusammenschliessen und PV-Anlagen für den Eigenverbrauch betreiben. Verteilnetzbetreiber erwarten deshalb eine regelrechte Gründerwelle von Energiegemeinschaften34.

So setzt bei den Abnehmern ein wachsendes Bewusstsein für die Dringlichkeit eines Wandels ein. Gleichzeitig macht sich auch bei ihnen der Druck durch Regulatorien bemerkbar. Im Gegenzug werden die Transformationskosten teils mittels Förderungen subventioniert. Beschleunigt wird der Wandel auch dadurch, dass Investoren zunehmend auf nachhaltigere Portfolios setzen, weshalb sie die – neu dezentralen – Anlagen mitfinanzieren.

Vorreiter im Markt nutzten die Gunst der Stunde gezielt und bieten innovative Versorgungssysteme an, wobei auch digitale Angebote entstehen. Im Bereich der digitalen Plattformen und Lösungen könnten sich verschiedene Anbieter von EMS in allen Kategorien hervortun. So umfasst der Markt ein breites und komplexes Spektrum an Energieerzeugern und Speichern, dass flexibel gesteuert werden muss. Bezogen auf einzelne Erzeuger dürfte sich die Wärmepumpe zu einem Spitzenreiter entwickeln (wobei sie selbst auch ein Stromverbraucher ist). Für klassische EVU besteht eine Wachstumschance darin, dezentrale Energiesysteme flächendeckend(er) und integriert anzubieten. Das bedeutet beispielsweise die Mitberücksichtigung der E-Mobilität und – unserer Ansicht nach –  auch Vehicle-to-Grid (V2G). Planer und das Handwerk werden zudem vermehrt auf Plug-and-Play-Lösungen (Produktbündel) und digitale Tools für die bessere Planung und Montage setzen. Auch für den Vertrieb gibt es neue Wege. Dieser könnte vermehrt digital erfolgen35.

Diesbezüglich können Simulationen oder Besichtigungen von Muster-Quartieren und -Objekten (quasi als eine Art Schaufenster Intelligente Energie) den allgemeinen Absatz fördern, indem sie das Thema greifbar machen36.

Alles in allem ist und bleibt die Dezentralisierung der Energieversorgung ein hochspannendes Thema. Wir hoffen, dass wir mit diesem Artikel gut (wenn auch nicht abschliessend) ans Thema heranführen konnten.

 

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Quellen

  1. https://www.ey.com/de_de/power-utilities/wie-dekarbonisierung-den-wandel-im-energie-und-gebaudesektor-antreibt
  2. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.pdf
  3. https://www.worldenergy.org/assets/downloads/World_Energy_Trilemma_Index_2020_-_REPORT.pdf?v=1602261628
  4. https://www.vde.com/resource/blob/792808/db366b86af491989fcd2c6ba6c6f21ad/komplette-studie-download-ms-data.pdf
  5. https://wirtschaftslexikon.gabler.de/definition/dezentrale-energieversorgung-53698/version-276768
  6. https://www.swissgrid.ch/de/home/operation/power-grid/grid-levels.html
  7. https://www.strom.ch/de/energiewissen/stromnetze
  8. https://www.vde.com/resource/blob/792808/db366b86af491989fcd2c6ba6c6f21ad/komplette-studie-download-ms-data.pdf
  9. https://www.espazium.ch/de/aktuelles/ein-neuer-weg
  10. https://www.vde.com/resource/blob/792808/db366b86af491989fcd2c6ba6c6f21ad/komplette-studie-download-ms-data.pdf
  11. https://www.vde.com/resource/blob/792808/db366b86af491989fcd2c6ba6c6f21ad/komplette-studie-download-ms-data.pdf
  12. https://wyssmann.llc/dezentrale-energieversorgung-photovoltaik-und-kleinwasserkraft/
  13. Quelle: dezentrale Energiesysteme, Neue Technolgien im liberalisierten Energiemarkt, 3. Auflage
  14. https://www.energiestiftung.ch/id-2020-1-raus-aus-der-energieabhaengigkeit.html
  15. https://www.vde.com/resource/blob/792818/0e4b0a81f833653be1326ce5fbf2d942/kurzfassung-download-ms-data.pdf
  16. https://www.vde.com/resource/blob/792808/db366b86af491989fcd2c6ba6c6f21ad/komplette-studie-download-ms-data.pdf
  17. https://www.vde.com/resource/blob/792808/db366b86af491989fcd2c6ba6c6f21ad/komplette-studie-download-ms-data.pdf
  18. https://www.vde.com/resource/blob/792808/db366b86af491989fcd2c6ba6c6f21ad/komplette-studie-download-ms-data.pdf
  19. https://www.aramis.admin.ch/Dokument.aspx?DocumentID=45813
  20. https://vgt.energy/de/aboutus/
  21. https://www.wwz.ch/de/ueber-wwz/medien/2021/multi-energy-zug-ag
  22. https://www.exnaton.com/projects/
  23. Umwelterklärung 2005, Stadtwerke Unna
  24. https://www.tsb-energie.de/fileadmin/user_upload/Poster_virtuelles_Kraftwerk-Innopreis_2011_TSB_FINAL.pdf
  25. https://www.next-kraftwerke.de/
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  27. https://video.ethz.ch/events/2021/energy-week/energy_week_2021de/1aaa5386-0ac8-46d1-a782-c5fe7135f38a.html
  28. https://www.remap.ch/
  29. https://nexus-e.org/
  30. https://sweet-pathfndr.ch
  31. https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/bestandsaufnahme-orientierende-bewertung
  32. https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/studie-stromgestehungskosten-erneuerbare-energien.html
  33. https://assets.ey.com/content/dam/ey-sites/ey-com/de_de/topics/power-and-utilities/ey-studie-zukunft-dezentrale-energielosungen-final-20210615.pdf?download
  34. https://www.erneuerbareenergien.de/energiewende/oesterreichs-netzbetreiber-sind-bereit-fuer-energiegemeinschaften
  35. https://assets.ey.com/content/dam/ey-sites/ey-com/de_de/topics/power-and-utilities/ey-studie-zukunft-dezentrale-energielosungen-final-20210615.pdf?download
  36. https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/bestandsaufnahme-orientierende-bewertung
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