Die Energiewende stellt insbesondere die Akteure rund um Gebäude und Quartiere vor neue Herausforderungen: Kommunen, Energieversorger, Projektentwickler und Wohnungseigentümergemeinschaften (WEG) müssen heute Wärmewende, Elektromobilität, Photovoltaik-Ausbau und steigende Strombedarfe gemeinsam berücksichtigen. Diese Entwicklungen treffen jedoch auf bestehende Netzinfrastrukturen, die ursprünglich nicht für diese Anforderungen ausgelegt wurden. Was früher nacheinander geplant wurde, muss heute gleichzeitig gedacht werden – genau darin liegt die Herausforderung, aber auch eine große Chance.

Projektentwickler von Quartieren und Gebäuden, Kommunen und WEGs stehen insbesondere bei Wärmekonzepten für Bestandsgebäude und Quartieren unter Handlungsdruck. Mit der erforderlichen Transformation des Wärmeenergiesystems, ambitionierten Klimaschutzzielen und dem steigenden Bedarf an Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge wird deutlich: Eine sektorale Betrachtung von Strom, Wärme, Kälte und Mobilität greift zu kurz. Gefragt sind integrierte Lösungen, die das Energiesystem als Ganzes betrachten. Doch wie kann eine solche integrierte Planung in der Praxis aussehen?

Folgende Grafik verdeutlicht die Verzahnung verschiedener Sektoren:

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Energie- und Datenflüsse für lokale Energieinfrastrukturen (Quelle: Fraunhofer IAO)

Ein typisches Wohnquartier – viele neue Anforderungen

Betrachten wir ein beispielhaftes, innerstädtisches Quartier: 5 Gebäude mit 80 Wohneinheiten, kleinere Gewerbeeinheiten sowie eine Tiefgarage mit 90 Stellplätzen. Perspektivisch sollen alle Stellplätze mit Ladeinfrastruktur ausgestattet werden. Gleichzeitig deckt eine große PV-Anlage einen großen Anteil des Strombedarfs.

Die zentralen Fragen lauten dabei:

• Wie groß muss der Netzanschluss dimensioniert sein, um eine wachsende Zahl an Elektrofahrzeugen zuverlässig zu versorgen?
• Welche Kombination von Energiesystemkomponenten aus verschiedenen Sektoren führt zu einem wirtschaftlichen und nachhaltigen Energiesystem?
• Wie lassen sich Wärmepumpe, Photovoltaik, Speicher und Elektromobilität sinnvoll zu einem nachhaltigen Energiesystem kombinieren?
• Welche Kosten entstehen und welchen Beitrag leistet das System tatsächlich zum Klimaschutz?

In der Praxis werden diese Fragestellungen häufig noch isoliert voneinander behandelt. Insbesondere die Auslegung der Ladeinfrastruktur erfolgt oftmals auf Basis pauschaler Gleichzeitigkeitsfaktoren, mit denen die maximale Leistungsaufnahme der Elektrofahrzeuge abgeschätzt wird. Diese vereinfachte Annahme wird dem realen Nutzungs- und Ladeverhalten jedoch nur selten gerecht. Die Folge sind überdimensionierte Anschlussleistungen, unnötige Netzverstärkungen oder Investitionen, die sich langfristig weder technisch noch wirtschaftlich als sinnvoll erweisen.

Integriert statt isoliert planen

Genau an dieser Stelle setzt eine integrierte Energiesystemplanung an. Statt einzelne Komponenten isoliert zu dimensionieren, wird das Quartier als gekoppeltes System aus Strom-, Wärme- und Mobilitätssektor verstanden. Lasten, Erzeugung und Speicher werden zeitlich hochaufgelöst gegenübergestellt – inklusive ihrer Wechselwirkungen. Für die Vorausschau der Netzbelastung durch Elektrofahrzeuge ist eine spezifische Lastprofilgenerierung der Fahrzeuge mit unterschiedlichem Nutzerverhalten zu empfehlen. Nur so können hohe Folgekosten und Fehlplanungen vermieden werden.

Mit dem vom Fraunhofer IAO und dem IAT der Universität Stuttgart entwickelten Local Energy Planner (kurz: LEny) (siehe auch Leselink zu meiner Dissertation unten) lässt sich ein solches Quartier realitätsnah abbilden. Elektrische Haushalts- und Gewerbelasten, Wärmenachfrage sowie Ladebedarfe von Elektrofahrzeugen werden gemeinsam modelliert. Ergänzt werden sie durch Erzeugungskomponenten wie Photovoltaik, Blockheizkraftwerke oder Wärmepumpen sowie elektrische und thermische Speicher. Durch intelligente Betriebsstrategien können hohe Ladelasten vermieden und so der Netzausbau begrenzt werden.

Durch die Simulation eines vollständigen Jahres in minütlicher Auflösung werden nicht nur Jahresenergiemengen betrachtet, sondern auch Lastspitzen, Eigenverbrauchsquoten und zeitliche Überschneidungen von Erzeugung und Verbrauch sichtbar. Zur intuitiven Bedienung des Tools wurde eine Benutzeroberfläche entwickelt.

Abbildung 2: Benutzeroberfläche zur Eingabe der Input-Parameter eines Energiesystems (Quelle: Fraunhofer IAO)

Szenarien vergleichen und fundierte Entscheidungen treffen

in besonderer Mehrwert ergibt sich aus dem Vergleich unterschiedlicher Szenarien. So kann etwa einer konventionellen Variante – bestehend aus Netzanschluss und Heizkessel – ein zukunftsfähiges Energiesystem gegenübergestellt werden. Zusätzlich lassen sich Sensitivitätsanalysen durchführen, etwa hinsichtlich:

• steigender Energiepreise,
• unterschiedlicher Elektrifizierungsgrade der Mobilität,
• variierender Dimensionierung der Komponenten (bspw. PV-Anlage oder Batteriespeicher)

Für das betrachtete Quartier wird damit nachvollziehbar, unter welchen Rahmenbedingungen ein Netzausbau erforderlich ist – und in welchen Fällen sich dieser durch intelligente Betriebsstrategien vermeiden oder deutlich reduzieren lässt. Gleichzeitig können Investitions- und Betriebskosten sowie die entstehenden CO₂-Emissionen systematisch analysiert und bewertet werden.

Vom Planungswerkzeug zum Entscheidungsinstrument

Der Local Grid Planner unterstützt damit nicht nur die technische Auslegung lokaler Energiesysteme, sondern bietet auch eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die verschiedenen Akteure der Gebäude- und Quartiersentwicklung – von Kommunen und Energieversorgern über Projektentwickler und Planungsbüros bis hin zu Wohnungseigentümergemeinschaften. Durch die integrierte Betrachtung werden Zielkonflikte zwischen Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Klimaschutz transparent gemacht. Gleichzeitig lassen sich die Auswirkungen unterschiedlicher Systemkonfigurationen quantifizieren und so eine belastbare Grundlage für langfristige Investitions- und Planungsentscheidungen schaffen.

Gerade in Zeiten, in denen viele Weichen gleichzeitig gestellt werden müssen, ist eine solche ganzheitliche Betrachtung unerlässlich. Denn die Energiewende im Quartier gelingt nur dann, wenn Strom, Wärme und Mobilität gemeinsam gedacht werden – nicht nebeneinander.

Leselinks:

• Publikation: Ein Modell zur Auslegung und multikriteriellen Bewertung von Energiesystemen zur nachhaltigen Integration der Elektromobilität
• »Living Lab« Micro Smart Grid am Fraunhofer IAO

Georg Göhler

Autorenprofil

Kategorien: Mobilität und Logistik, Nachhaltigkeit und Resilienz, Stadtsysteme
Tags: Elektromobilität, Ladeinfrastruktur, Planung Energiesysteme, Sektorenkopplung, Wärmewende