Das Energiesystem der Zukunft in Smart Cities und Smart Rural Areas

Kennen Sie die Definition einer Smart City? Nein? Nun, kein Wunder. Es gibt gar keine offizielle Definition, die auch konkrete Ziele enthält. Sie müssen sie schon selbst erstellen. Wenn Sie mögen, mit Hilfestellung durch uns. Aber dazu kommen wir später.

Energie und Energiegewinnung sind seit der landwirtschaftlichen Revolution das Herzstück der Gemeinden und der Motor für Fortschritt (Piementel und Piementel, 2008). Dieser Fortschritt basiert auf Technologien; so trieb die Dampftechnologie die Automatisierung von Herstellungsprozessen voran und ermöglichte damit die Massenproduktion. Heute erleben wir Fortschritt im Bereich der Rechenleistung und Vernetzung, die eine stark vernetzte und digitalisierte Gesellschaft schaffen.

Um Ihnen das Lesen dieses Buches zu vereinfachen, bieten wir die in Bild 3.1 dargestellten drei Beispielorte. Wir haben unterschiedliche Größen gewählt, damit sich die Mehrheit der Bevölkerung repräsentiert fühlt.

Kommunen stehen vor der ständigen Herausforderung, eine große Anzahl von Bedürfnissen verschiedener Interessensgruppen in Einklang zu bringen. Gleichzeitig wollen sie ihre Ziele im Auge behalten und die Lebensqualität für ihre Bürgerinnen und Bürger verbessern. Oft müssen sie verschiedene Optionen priorisieren, Entscheidungen zu unterschiedlichen Themen treffen und verschiedene Systeme gleichzeitig bedienen.

Um das 2015 auf der UN-Klimakonferenz in Paris verabschiedete Ziel der Weltgemeinschaft, die globale Klimaerwärmung auf deutlich unter 2 °C gegenüber dem vorindustriellen Zeitalter zu begrenzen, ist eine umfassende Dekarbonisierung des weltweiten Energiesystems notwendig. Die Klimaforschung warnt zwischenzeitlich, dass die Erwärmung gar auf maximal 1,5 °C begrenzt werden muss, um die langfristige Stabilisierung des Klimas nicht zu gefährden (Steffen et al., 2018). Hierzu sind Klimatransformationsstrategien für eine CO₂-Neutralität Deutschlands bis spätestens 2035 notwendig mit einer Reduktion der Treibhausgasemissionen um 60 % gegenüber 1990 bis 2025 und um 85 % bis 2030 (Wuppertal Institut, 2020). Konzepte für die Energieerzeugung, den Gebäudebestand sowie die Industrie und Mobilität vor Ort müssen in einem gemeinsamen Prozess auch zusammen mit (lokalen) zivilgesellschaftlichen Initiativen und Sachverständigen erarbeitet und umgesetzt werden (RLS, 2020).

Stromnetze sorgen dafür, dass der Strom von den Erzeugern tatsächlich zu jedem Verbraucher gelangt. Das macht das Stromnetz zum „Rückgrat einer gelungenen Energiewende“ (BMWi, 2020). Der umfassende Wandel der Erzeugungs- und auch der Verbrauchslandschaft erfordert nicht nur eine reine Erweiterung der bestehenden Netzinfrastruktur, sondern auch neue Ansätze, um das Netz intelligenter bzw. „smarter“ zu machen. Das folgende Kapitel bringt dem Leser die Bestandteile und Herausforderungen solcher „Smart Grids“ näher. Doch was sind die technischen und prozessualen Hintergründe unserer Stromnetze? Diese Frage beantworten wir auf den kommenden Seiten.

Wie Sie in Teil II, Kapitel 2 gelesen haben, sind Netze für das Gelingen der Energiewende essenziell. Ohne sie gelangen elektrische und thermische Energieflüsse nicht zu ihrem Zielort. Bild 3.1 greift die entsprechende Illustration aus dem vorhergehenden Kapitel auf und ergänzt die Netze als Brücke zwischen den erneuerbaren Energien und den Bedarfsstellen.

Nach den elektrischen Netzen soll es also in diesem Kapitel um thermische Netze gehen, mit diesen transportieren Energieversorger Wärme bzw. Kälte durch Rohrleitungen zu Verbrauchern. In diesem Teil fokussieren wir uns auf Wärmenetze.

In den folgenden Abschnitten lernen Sie eine grundlegende Denkweise zur Steigerung der Energieeffizienz kennen und erfahren mehr über die Potenziale und möglichen Maßnahmen der Querschnittstechnologien. Am Ende jeder Technologie erhalten Sie eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Maßnahmen. Anschließend erhalten Sie einen Einblick in die Energieeffizienz für Industrie und Gewerbe sowie Gebäude.

Das Bewusstsein für Energieeffizienz ist bei vielen Unternehmen mittlerweile vorhanden. Daneben wollen sich immer mehr Unternehmen Klimaneutralität auf die Fahne schreiben (CDP, 2020). Das Ausschöpfen von Effizienzpotenzialen hat auch dazu oberste Priorität. Die dena geht beispielhaft in den Szenarien ihrer Leitstudie „Integrierte Energiewende“ von einer Steigerung der Effizienz zwischen 0,85 und 1,12 % pro Jahr im Zeitraum von 2015 bis 2050 aus (dena, 2018, S. 25).

In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf die Energieeffizienz von Gebäuden. Zunächst (Abschnitt 3.1) stellen wir einige interessante Fakten vor, die aufzeigen, warum dieses Thema von Bedeutung ist. Anschließend vertiefen wir das Thema Querschnittstechnologien (Abschnitt 3.2) mit einem klaren Fokus auf Gewerbegebäude und erklären digitale Gebäudemanagementsysteme (Abschnitt 3.3). Anschließend erläutern wir die regulatorischen Rahmenbedingungen, mit denen Kommunen arbeiten oder die sie an lokale Gegebenheiten anpassen können (Abschnitt 3.4), bevor wir allgemeine Feststellungen in Bezug auf sie vorstellen (Abschnitt 3.5).

Weiter vorne im Buch haben wir uns die Stromerzeugung und die Bedeutung der Stromnetze für die Energiewende näher angeschaut. Im allgemeinen Diskurs zur Energiewende wird oft der Begriff der Dekarbonisierung verwendet. Dieser Begriff beschreibt dabei die Abkehr von Kohlenstoff als Energieträger. Einige Ansätze verwenden jedoch weiterhin Kohlenstoff (z. B. Biomasse oder synthetische Kraftstoffe). Im Hinblick auf die Klimawende ist es entscheidend, dass in diesen Ansätzen der Kohlenstoff aus nachwachsenden bzw. regenerativen Quellen und eben nicht-fossilen Quellen stammt. Dies wird durch den Begriff Defossilisierung zum Ausdruck gebracht (vgl. FfE, 2021). In diesem Buch nutzen wir jedoch den eher gebräuchlichen Begriff Dekarbonisierung. Für die Erreichung der Klimaziele müssen wir neben dem elektrischen System auch weitere (Energie-)Sektoren dekarbonisieren. Das bedeutet, dass wir die stoffliche und energetische Nutzung fossiler Energieträger sektorenübergreifend einstellen und durch regenerative Alternativen ersetzen. Aktuelle Szenarien zur Dekarbonisierung der Energieversorgung sehen in einer zunehmenden Elektrifizierung eben diese Alternative zu bisherigen fossilen Energieträgern wie Erdgas und Erdöl. Das intelligente (Strom-)Netz ist somit nur ein wichtiger Teil des gesamten intelligenten Energiesystems, welches neben dem Stromsektor u. a. auch die Sektoren Mobilität, Wärme und Kälte oder die Wasserversorgung einschließt. Ein Beispiel für so ein regionales, intelligentes Energiesystem mit unterschiedlichen Sektoren ist in Bild 1.1 dargestellt.

Ohne Speicherung von Energie kann die Energiewende nicht gelingen. In Energiesystemen mit hohen Anteilen an volatil einspeisendem erneuerbarem Strom und veränderten Abnahmestrukturen, z. B. wegen der Elektromobilität, wird Speicherung von Energie immer wichtiger. Die Speichertechnologien haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Auch für die Zukunft ist aufgrund von überdurchschnittlich intensiver Forschung mit vielen weiteren Neuerungen und auch mit einer weiteren Kostendegression zu rechnen (IEA, 2020).

Die Funktionalität der Energiespeicherung kann über vielfältige Technologien abgebildet werden. In diesem Abschnitt werden im Wesentlichen die marktverfügbaren Lösungen im Bereich Batteriesysteme und thermische Speicher vorgestellt, deren Anwendung im Energiesystem sowie die daraus resultierenden Auswirkungen auf Smart Cities und ländliche Regionen aufgezeigt. Die Vorstellung der Quartierslösung „Werksviertel Mitte“ in München veranschaulicht die theoretischen Inhalte anhand eines praktischen Beispiels.

Um das Ziel der Klimaneutralität in Deutschland und Europa zu erreichen, sind Energieträger wie Wasserstoff notwendig. Für diese Erkenntnis reicht schon ein Blick nach Duisburg oder Salzgitter, wo Stahlwerke stehen, die jährlich immer noch Millionen Tonnen Kohle verbrauchen. Und in Ludwigshafen benötigt allein das Chemiewerk der BASF so viel Energie wie das Land Dänemark.

Da die Zeit des Erdöls und anderer fossiler Brennstoffe sich langsam dem Ende entgegen neigt und neigen muss, wird sich der Wandel auch im Mobilitätssektor fortsetzen. In diesem Kapitel über nachhaltige Mobilität in unseren Gemeinden konzentrieren wir uns auf elektrische Antriebe – und das beinhaltet Wasserstofflösungen – für Mikromobilität, PKW und schwere Nutzfahrzeuge. Unter Mikromobilität sind beispielsweise Fahrräder, Pedelecs oder Tretroller zu verstehen – also im weitesten Sinne motorisierte sowie nicht motorisierte Kleinst- und Leichtfahrzeuge für den individuellen Personentransport (ivm, 2019). Zunächst können Sie hier über die Entwicklung in diesem Bereich lesen. Wir können keine Forschungs-Durchbrüche vorhersagen, z. B. in Bezug auf Kompaktheit, Gewicht und Preis von Brennstoffen. Für die Verantwortlichen in unseren Gemeinden führt dies zu einer herausfordernden Aufgabe: Vorbereiten der Infrastruktur unter Anstrengungen, ohne zu wissen, welche Technologien sich wann genau durchsetzen. Wir versuchen, dazu in Abschnitt 4.4 zu helfen. Auf dem Weg zu diesem Punkt stellen wir die wichtigsten Herausforderungen für diesen Sektor vor (Abschnitt 4.1), legen aktuelle Fakten über Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge dar (Abschnitt 4.2) und erklären, wie die Kunden mithilfe der Anbindung ihrer Fahrzeuge an das Energiesystem beitragen, es zu flexibilisieren – und gleichzeitig direkt monetär profitieren werden (Abschnitt 4.3).

Ein Anwendungsbeispiel für Sektorenkopplung ist die Flexibilisierung der Energienachfrage. In diesem Kapitel gehen wir zunächst auf grundlegende Mechanismen ein und zeigen Ihnen daraufhin Umsetzungsbeispiele aus der Praxis für Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistung sowie Haushalte.

Die Erzeugung von erneuerbaren Energien ist eine Schlüssellösung für die Energie- und Klimawende und hat daher eine Einspeisepriorität in die Stromnetze. Angesichts dieser Priorisierung im Energiemix besteht die neue Herausforderung darin, wie wir mit der erhöhten Volatilität der Erzeugung umgehen. Um diese Herausforderung anzugehen, gibt es eine Reihe verschiedener Optionen, wie z. B. Investitionen in neue Umwandlungskraftwerke mit hoher Betriebsflexibilität, in den Netzausbau und die Digitalisierung sowie in den Einsatz von Energiespeichern (vgl. dena, 2012, S. 7 f.). Diese einzelnen Optionen werden an unterschiedlichen Stellen in diesem Buch thematisiert.

Städte und ländliche Räume stehen gleichermaßen vor starken Transformationsprozessen, die eine ganze Reihe von Themendimensionen betreffen: Mit den steigenden Bevölkerungszahlen in den Städten wachsen auch der Energiebedarf und der zunehmende Veränderungsdruck, nachhaltiger zu handeln, während das Raumangebot sinkt. Die ländlichen Räume wiederum sind mit Landflucht, Überalterung und einer zunehmend ausgedünnten Nahversorgung konfrontiert, wenn hier nicht neue Ansätze greifen.

Digitalisierung bedeutet, Technologien und Daten zu nutzen, um Geschäftsprozesse zu verbessern, Kosten bzw. Gemeinkosten zu reduzieren, neue Einnahmequellen zu identifizieren und neue digitale Geschäftsmodelle zu schaffen. Die Stärke der Digitalisierung ist ihre Konnektivität, die ein Netzwerk bietet, Nutzer und Anlagen in einem Ökosystem zu verbinden. Das Netzwerk – in diesem Fall das Internet – bietet exponentielle Skalierbarkeit und den Zugang zu neuen Kunden (Ghobakhloo, 2020).

Auf den nächsten Seiten zeigen wir die Grundlagen und Hintergründe der Digitalisierung (Abschnitt 2.1), ihre Technologien (Abschnitt 2.2) und ihre Implikationen für Kommunen (Abschnitt 2.3) auf.

Mit der Energiewende wächst das Interesse an intelligenten Stromnetzen, also an digitalen Technologien. Viele Gemeinden stehen nun vor der Frage, wie sie ihr herkömmliches Energiesystem kosteneffizient zu einem intelligenten System umrüsten können. Wir setzen die Diskussion des vorherigen Kapitels fort und beleuchten die Aspekte der Transformation, in Bezug auf Netzwerkeffekte, Handelsplattformen, Technologien und was dies alles für die Kundschaft bedeuten kann.

Entscheidend für die Umsetzung der grünen Energiewende ist die Existenz eines vernetzten Systems von Anlagen, die nahezu in Echtzeit Informationen über das Internet austauschen (Internet der Dinge, kurz IoT). Wie Sie bereits in vorangegangenen Kapiteln lesen konnten, verändert sich unser Energiesystem deutlich. Im Vergleich zur traditionellen Vorgehensweise, in der einige wenige leistungsstarke Erzeugungsanlagen für die Deckung des Gesamtenergiebedarfs verantwortlich waren und durch die Zufuhr an fossilen Brennstoffen leicht gesteuert werden konnten, ist die Energieerzeugung nun immer häufiger geprägt durch einen erhöhten Anteil an intermittierenden, volatilen und dezentralen Anlagen der erneuerbaren Energien. Regulatorische Änderungen und Regierungsentscheidungen – wie der Ausstieg aus Kohle- und Atomenergie – haben dies nochmal verstärkt.

Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen konventionellen und smarten Städten oder smarten ländlichen Gebieten ist der Einsatz von Daten und Technologien, um bessere Entscheidungen treffen und diese Entscheidungen effizient, effektiv und wenn möglich autonom umsetzen zu können. Die rasante Entwicklung und Einführung von IoT-Technologien, die Möglichkeit, Daten zu immer geringeren Kosten zu speichern und zu verarbeiten, und die weit verbreitete Einführung von Cloud-Technologien ermöglichen die Erfassung hochwertiger Daten mit der richtigen Fülle, Häufigkeit und Auflösung. Fehlt jedoch die passende Technologie, um diese Daten in verwertbare Informationen zu verwandeln, bleibt dieser Mehrwert ungenutzt. Die Künstliche Intelligenz (KI) bietet eine Reihe von Techniken, um die richtigen Erkenntnisse aus den vorhandenen Daten zu gewinnen, um so die Entscheidungsfindung zu verbessern und die Grundlagen für intelligente Dienste zu schaffen. In diesem Artikel erklären wir zunächst, wie KI funktioniert, welche Probleme intelligente Algorithmen lösen können und wie KI bereits die relevantesten Disziplinen im Rahmen einer Smart City umsetzt. Anschließend geben wir eine Reihe von Empfehlungen für Kommunen, um die Einführung von KI aktiv zu ermöglichen und zu steuern, um Städte und ländliche Gebiete zunehmend intelligenter zu machen.

Sie haben jetzt viel über die Gründe für einen Wandel zu einer smarten Kommune gelesen und kennen die Chancen und die Schwierigkeiten – und wir hoffen, dass wir Sie als Verantwortungsträger Ihrer Gemeinde dazu motivieren konnten, selbst aktiv zu werden. So fragen Sie sich nun vielleicht: Wie finanzieren wir all das? In diesem Teil möchten wir Ihnen eine Reihe von Tipps geben, Ihnen die neuesten Finanzierungs- und Förderungsoptionen vorstellen und Ihnen erläutern, wie man dies alles bei Projekten zum Thema Städte und ländliche Regionen umsetzen kann. Denn eine Darlehensfinanzierung ist zwar durchaus möglich, aber es gibt auch wesentlich interessantere Wege.

Wunsiedel in Oberfranken ist eine Kleinstadt mit ca. 9300 Einwohnerinnen und Einwohnern.

Wie Sie anhand dieses Buches erkennen konnten, stehen große Aufgaben für unsere Städte und ländlichen Regionen an. Die Transformation der Lebensräume sollte dabei Verbesserungen schaffen und in dem Bewusstsein geschehen, dass die Kommunen Teil unseres Vermächtnisses an kommende Generationen sind.

Wenn wir darüber nachdenken, wie wir Energiesysteme, Mobilität oder Ähnliches anpassen und optimieren können, sollten wir stets bedenken, dass das Ziel der Anpassung nicht in der Verbesserung der Infrastruktur, der Einführung einer neuen Technologie oder der Bereitstellung einer Reihe von Dienstleistungen besteht. Das sind einzig Wegbereiter. Wir stellen uns eine zweckorientierte Transformation vor, die Gesundheit, Wohlbefinden und Sicherheit der Bürgerinnen und Bürger fördert und deswegen Nachhaltigkeit an die erste Stelle setzt. Daher ist es unerlässlich, den Menschen und der Gemeinschaft eine aktive Rolle zuzuweisen und sie zum Motor für Veränderungen zu machen.