Konzepte und Methoden zur Flexibilisierung zukünftiger städtischer Energieversorgungssysteme

Für die städtische Energieversorgung hat sich seit Jahrzehnten die zeitgleiche Erzeugung elektrischer und thermischer Energie in der sogenannten Kraft-Wärme-Kopplung etabliert. Im Vergleich zur separaten Erzeugung erlaubt diese Kopplung eine verhältnismäßig effiziente Energieumwandlung. Andererseits stellt diese Eigenschaft häufig auch eine Begrenzung für das Versorgungssystem dar, weil thermische und elektrische Leistungsabgabe nicht vollständig getrennt voneinander eingestellt werden können. Es besteht also eine unerwünschte technische Abhängigkeit der Leistungslieferungen. Nehmen etwa mit der Zeit städtische Wärmebedarfe wegen Dämmung und Neubau ab oder fallen durch den Zubau Erneuerbarer Energien zeitweise die Vergütungen für elektrische Energie, dann wird ein System benötigt, das flexibel die thermische und elektrische Leistungsabgabe einstellen kann. Bestehende Heizkraftwerke können das häufig nur in Grenzen. Auch der Zubau von (voluminösen) thermischen Speichern ist innerstädtisch nicht immer praktikabel.

Hinzu kommt eine weitere Beschränkung bei der Planung und Auslegung solcher Systeme: Bei den heutigen Lösungsansätzen wird ein einzelnes Optimum bestimmt, das dann beispielsweise in Form eines Heizkraftwerks umgesetzt wird. Durch diese Denkweise mit festen Investitions- und Abschreibungszeiten muss dieses System auch eine verhältnismäßig lange Zeit unverändert eingesetzt werden. Kommt es dann aber doch zu unerwartet starken Veränderungen bezüglich der Gesetzgebung, der Entwicklung der Energiepreise oder der Verbrauchssituation, dann wäre eigentlich eine deutliche Umgestaltung der Erzeugungskapazitäten notwendig. Heutzutage ist das schlicht noch nicht möglich. Wenn zukünftig im Rahmen der Energiewende verschärfte Klimaziele und eine Neuordnung des gesamten Energiesystems (etwa durch Power-to-X) angestoßen werden, dann ist eine einfache versorgungsseitige Umgestaltung die elementare Voraussetzung für den Erfolg.

In dieser Arbeit wird hierzu ein innovatives technologieneutrales Managementkonzept erarbeitet, das die sukzessive Anpassung von Erzeugungskapazitäten erlaubt. Die Besonderheit besteht darin, dass sämtliche Anlagen als Module verstanden und eingesetzt werden. Durch diese Konzeption ist es möglich, signifikante Eingriffe in die Erzeugungskapazitäten vorzunehmen, ohne ganze Kraftwerksblöcke stilllegen zu müssen. Veränderungen werden also deutlich kleinschrittiger und granularer möglich.

Da dieses Konzept neu ist, werden umfassende Methoden entwickelt, um die Flexibilität von vielen parallel arbeitenden Modulen präzise bestimmen zu können. Hierdurch werden technische Möglichkeiten und Grenzen des Anlageneinsatzes ermittelt und diskutiert, etwa um elektrische Regelleistung anbieten zu können und gleichzeitig eine lokale Wärmenachfrage zu bedienen. Um zukünftig notwendige Anpassungen gezielt vornehmen zu können, wird insbesondere der Flexibilitätsbeitrag einzelner Systembestandteile inklusive Fernwärmesystemen vergleichend eingeordnet. Sämtliche Methoden lassen sich daher auch in Zukunft bei gänzlichen neuen technologischen Entwicklungen sicher anwenden.

Die Auswertungen der Gesamtflexibilität bestätigen die Möglichkeiten der vollständigen Entkopplung von Strom- und Wärmelieferung trotz eingeschränkter Flexibilität der zugrundeliegenden Einzelsysteme. Sämtliche Beiträge sind unabhängig von der Größenordnung der Versorgungsaufgabe, sodass sowohl Häuserblöcke, Quartiere, Stadtteile als auch alle sonstigen Nah- und Fernwärmesysteme hiermit sinnvoll auslegen und abstimmen lassen.