Smart East im Südwesten

Im Osten von Karlsruhe wird dieser Tage die dezentrale und klimaschonende Energieversorgung neu gedacht. Hierzu wird ein Mischgebiet im Karlsruher Osten zum Reallabor für die Energiewende in der Stadt

Bislang findet die Energiewende zumeist im ländlichen Raum oder in der Nord- und Ostsee statt und konzentriert sich auf Windkraft und Photovoltaik. In den städtischen Agglomerationen wird bislang mehr über die Energiewende diskutiert, als aktiv daran gearbeitet.

Wenn Photovoltaik-Systeme mit Speichern zum Einsatz kommen, handelt es sich bis auf einzelne Ausnahmen wie beispielsweise die virtuellen Kraftwerke der Shell-Tochter Sonnen zumeist um Einzelanwendungen. Zusammenhängende Areale werden mit Vorliebe in vollständigen Neubaugebieten gewissermaßen auf der grünen Wiese realisiert.

Das Areal von Smart East versteht sich als Mischgebiet nicht nur in Bezug auf die Nutzung durch Gewerbe, Büros und Wohnraum, sondern auch auf die Mischung zwischen erhaltenswerter, 100 Jahre alter Bausubstanz und energieeffizienten Neubauten. Ein Verbund aus Unternehmen der Energie- und IT-Branche sowie Forschungseinrichtungen hat sich das Ziel gesetzt, ein modellhaftes smartes Quartier im Karlsruher Osten zu realisieren.

Das Smart East-Quartier will schon in drei Jahren sowohl Gewerbe- als auch Wohnflächen in den Sektoren Strom, Wärme, Kälte und Mobilität digitalisieren und energetisch vernetzen. Ohne diese konsequente Digitalisierung stünde nicht zuletzt die Energiewende auf ziemlich verlorenem Posten.

Technische Herausforderungen

Die steigende volatile Einspeisung erneuerbarer Stromerzeugung durch Photovoltaik- und Windkraftanlagen resultiert in vielfältigen Herausforderungen. In der bisherigen Energiewelt konnten vor allem große, zentral organisierte Atom- und Kohlekraftwerke bedarfsgerecht Strom erzeugen - d.h. dann, wenn er benötigt wird.

Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Stromerzeugung wird es immer mehr notwendig, Strom auch dann zu verbrauchen, wenn er abhängig von Sonne und Wind zur Verfügung steht. Hierzu bietet die Kopplung der Sektoren Strom, Wärme, Kälte und Mobilität ein großes Potenzial, um ohnehin vorhandene Energiespeicher (wie Wärme- oder Kältespeicher oder den Ladevorgang von Elektrofahrzeugen) zu nutzen.

Quartiere sind eine interessante und natürliche Aggregationsebene, auf der eine solche Kopplung stattfinden kann. In Quartieren findet man nicht nur alle der zuvor genannten Sektoren, sondern meist auch sowohl die Erzeugungsseite (beispielsweise Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerke) als auch die Verbrauchsseite.

Ein näherer Blick auf den bisherigen Stromnetzbetrieb zeigt deutlich, dass das heutige Stromnetz entworfen wurde, um den Anforderungen des letzten Jahrhunderts gerecht zu werden. Während die Energieflüsse klassischerweise top-down erfolgten und man sich auf eine statische Planung bei bekannten Auswirkungen verlassen konnte, finden sich heute vermehrt Einspeisung im Verteilnetz mit Spannungserhöhungen durch PV-Einspeisungen und in steigendem Umfang auch ein Spannungsabfall durch hohe gleichzeitige Lasten beim Laden von Elektromobilen.

Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, wurden Regulatorik und Systemdienstleistungen für das Stromnetz in den vergangenen Jahren stark modernisiert. So sollen in Deutschland beispielsweise BSI-zertifizierte Smart-Meter-Gateways möglichst viel elektrische Flexibilität erschließbar machen. Anstatt nur Großkraftwerke können damit auch kleinere Erzeuger und Verbraucher einen Beitrag zur Stromnetzstabilität leisten und z.B. dabei helfen Netzengpässe zu vermeiden.

Um sich ergebende technische Potenziale im Quartier mit Endverbrauchern nutzbar zu machen, soll im Real-Labor Smart East gezeigt werden, wie lokale Akteure zusammenarbeiten und welche Geschäftsmodelle sich daraus entwickeln können. Letztendlich soll damit die dezentral organisierte Energiewende aus dem Verteilnetz heraus unter Teilhabe der Endverbraucher gefördert werden.

Regulatorische Komplikationen

Die bestehende Regulierung des Elektrizitätsmarktes soll den Wettbewerb im Stromhandel sicherstellen und trennt ihn organisatorisch vom physikalischen Netzbetrieb. Für den Stromhandel wird Deutschland gewissermaßen als durchgehende Kupferplatte betrachtet, bei welcher der Strom flächendeckend überall zu gleichen Bedingungen verfügbar ist und frei gehandelt werden kann. Den Netzbetreibern fällt in diesem System die Aufgabe zu, dafür zu sorgen, dass die gedachte Kupferplatte hinsichtlich der Verfügbarkeit des Stroms sich auch in der Realität wiederfindet.

Die Kosten für den Stromnetzbetrieb und dafür technisch benötigte Systemdienstleistungen werden den kleineren Endverbrauchern zusätzlich zu den "reinen" Stromkosten in Rechnung gestellt und sorgen zusammen mit den anderen Umlagen und Steuern dafür, dass sich zwischen dem durchschnittlichen Börsenstrompreis und dem Tarif der Endverbraucher der Strom um den Faktor 6-8 verteuert.

Der Strommarkt wurde in der jüngeren Vergangenheit vorwiegend im Sinne eines möglichst freien Handels reguliert, der inzwischen jedoch nur noch formal Berührung zur physikalischen Realität aufweist. In der theoretischen Grundlagenforschung wird dieses Problem oft umgangen, indem mit vereinfachten Annahmen gearbeitet wird, um darauf basierend dann neue Verfahren zu entwickeln und erproben.

Deutlich herausfordernder sind die bestehenden rechtlichen Rahmenbedingungen jedoch, wenn es um den Schritt in die anwendungsnahe Forschung und Umsetzung geht, wo die bestehende Regulatorik eher enge Grenzen setzt. Dies gilt insbesondere dann, wenn man zusammen mit Bürgern und Unternehmen neue Konzepte erproben will.

Es stellen sich dann schnell sehr viele knifflige juristische Fragen. Beispielsweise wäre es nicht ohne weiteres möglich, dynamische Netzentgelte zu erproben oder Haushalten dynamische Strompreise zu senden, die nur für diese gelten. Zudem hat der Kunde das Recht seinen Stromanbieter frei zu wechseln und darf dabei nicht behindert werden.

Sektorenkopplung in Smart East

Im Reallabor-Projekt Smart East soll in der Karlsruher Oststadt das gemischte Wohn- und Gewerbegebiet an der Innovations-Achse Haid-und-Neu-Straße in ein energieoptimiertes Quartier transformiert werden. Hierzu werden die Energiesysteme der direkt aneinander angrenzenden Wohn-, Büro- und Produktionsgebäude digitalisiert, vernetzt und durch Kopplung der Sektoren Strom, Wärme, Kälte und Mobilität optimiert. Mit der Digitalisierung wird letztlich auch die organisatorische Zusammenfassung der Areale beiderseits der Innovations-Achse ermöglicht.

Mit dem Projekt Smart East sollen somit die Potenziale einer erneuerbaren klimaneutralen Energieversorgung im Bestandsquartier in der Stadt evaluiert und wirtschaftlich bewertet werden.

Diese Potentiale entstehen durch die dezentrale Sektorkopplung und ein die verschiedenen Sektoren integrierendes Energiemanagement. Auf Basis der der digitalen Vernetzung und Optimierung des Betriebs der Energieanlagen will Smart East die Entwicklung von Geschäftsmodellen zur energetischen Kooperation in Quartieren forcieren. Zukunftsträchtige Geschäftsfelder für Energiequartiere, Energiegemeinschaften und Stadtwerke als Dienstleister sollen in der Praxis umgesetzt und erprobt werden.

Da alle betroffenen Stakeholder (Eigentümer, Immobilien- und Anlagenbetreiber, Mieter, Energieversorger) in Smart East beteiligt sind, entsteht im Projekt Smart East die interessante Möglichkeit, solche Geschäftsmodelle in der Realität zu erproben. Das Projekt und gewonnene Erkenntnisse sollen auch als Blaupause zur smarten Energieversorgung in anderen Quartieren dienen.