Wärmepumpe an E-Auto: Bitte laden!

Um eine zukunftsweisende Quartiersgestaltung nach neuestem wissenschaftlichen Stand bemüht sich das Leuchtturmprojekt „EnStadt:Pfaff“ in Kaiserslautern. Neun Partner entwickeln und demonstrieren modernste energietechnische Innovationen. Zum Fortschritt gehört unter anderem das agentenbasierte Energiemanagementsystem, das die dezentrale und eigenstromgestützte Energieversorgung optimiert. Dezentrale Energieversorgung heißt unter anderem auch, so weit wie möglich in der Versorgung autark zu sein. Die Planer neuer Stadtquartiere greifen mit dieser Absicht auf Photovoltaik (PV) zu, auf Geothermie, auf Abwasser- sowie gewerbliche und industrielle Abwärme. Das öffentliche Netz sollte nur in Ausnahmen aushelfen müssen. Umso mehr zwingt diese Philosophie sowohl von der Energiekostenseite her als auch natürlich klimaschutzbezogen dazu, besonders haushalterisch mit jeder fremden und jeder selbsterzeugten Kilowattstunde umzugehen.

Allerdings bedeutet die Verteilung der Eigenproduktion auf eine Vielzahl von Minikraftwerken auf und in Hausdächern und Fassaden eine gleiche Vielzahl von Einspeisepunkten mit permanent fluktuierenden Belastungen des öffentlichen Netzes als Folge. Das zieht einen teuren Aufwand zur Harmonisierung nach sich. Wie lässt sich gegensteuern, wie lassen sich die externen Leitungen und die entsprechende Regelungsarbeit entlasten? Die digitalisierte Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) und ihre Substruktur IoT („Internet of Things“) bieten Ansätze. Und zwar mit dem agentenbasierten Energiemanagement. Das verknüpft die KWK- und PV-Strom-Prosumer in einem Baugebiet über ein internes Netz, koppelt sie so weitgehend von der öffentlichen Infrastruktur ab. Die muss nicht mehr auf jeden Sonnenstrahl frequenzstabilisierend reagieren. Im Leuchtturmprojekt „EnStadt:Pfaff“ in Kaiserslautern liegt ein Schwerpunkt auf der Erprobung dieses Konzepts smarter Gebäudetechnik.

Sie, die smarte Gebäudetechnik, erfasst sämtliche unidirektionalen und bidirektionalen Energieflüsse: von und zu der Wärmetechnik, den Haushaltsmaschinen und den Ladesäulen für die E-Mobilität. Jedem dieser Verbraucher oder Erzeuger steht ein eigener Agent zur Seite, der den Stromfluss von und zu seinem zugeordneten Netzteilnehmer zeit- und mengenmäßig managt. Vermutlich hat man den Begriff agentenbasiertes Energiemanagement aus der Fußballwelt übernommen.

„EnStadt:Pfaff“ ist eines der sechs Leuchtturmprojekte im Programm „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“, die sich finanziell in erster Linie auf die Förderung der beiden Bundesministerien für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie für Bildung und Forschung (BMBF) abstützen. Die Vorhaben laufen mehrheitlich über fünf Jahre bis 2022. Alle sechs Quartiere haben die Aufgabe, in Form von Reallaboren nachhaltige Technologien aus den Experimentierräumen der Forschungseinrichtungen heraus auf den Praxisprüfstand zu holen und sie bei Bewährung als Muster für bundesweite neue Bebauungsgebiete und Quartierssanierungen vorzubereiten.

Sechs Leuchtturmprojekte

In ihrer technischen Ausrichtung berücksichtigen dabei die Leuchtturmprojekte die regionalen Besonderheiten: In Heide in Schleswig-Holstein zum Beispiel die Windenergie. Um die Abregelung von erneuerbarer Windenergie zu vermeiden, fließt sie in Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffherstellung und deren Abwärme in die Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden. „EnStadt:ENaQ“ in Oldenburg untersucht die Energieverschiebung vom Nachbarn zum Nachbarn, „ZED“ in der Autostadt Zwickau konzentriert sich auf die Sicherstellung einer nachhaltigen Mobilität in einem angestrebten Null-Emissionsquartier. Im Modell „Es_West_P2G2P“ in Esslingen am Neckar verknüpfen die Partner das Quartier über Elektrobusse – die Batterien als Stromspeicher – mit dem Mobilitätskonzept der Stadt.

Das Doppelprojekt „Stadtquartier 2050“ in Stuttgart und Überlingen am Bodensee gliedert sich in Neubau und Bestandssanierung. In Überlingen liegt das Hauptaugenmerk auf „Low-Tech“-Lösungen mit Holzhackschnitzeln und Solarthermie sowie einem höherwertigen Wärmeschutz aus recycelbaren Dämmstoffen, während Stuttgart das Quartier „Bürgerhospital“ mit PV und Geothermie klimaneutral machen will. Im Sozialbereich gehen alle Leuchttürme der Frage nach: Wie kann es gelingen, günstigen Wohnraum energieeffizient zu gestalten? In diesem Zusammenhang spielen Mieterstrommodelle eine Rolle und Motivationsinstrumente zum bewussten Umgang mit Energie. Beispiel „Stadtquartier 2050“: Nutzerinnen und Nutzer der Gebäude werden durch eine interaktive „Quartiersapp“ am Energiemanagement beteiligt.

Stabile Kommunikation

In der „EnStadt:Pfaff“ Kaiserslautern – eine geplante „Smart City“ mit Bestands- und Neubauten auf dem ehemaligen Gelände des Nähmaschinenherstellers Pfaff – stehen Agenten sowohl zur Erhöhung der Energieautarkie als auch der Energieeffizienz im Mittelpunkt der technisch-wissenschaftlichen Betrachtung. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), als eines der Gremien in der Forschungskooperation für das Energiemanagement zuständig, erklärt den Begriff „Agent“ so: „Ein technischer Agent ist eine abgrenzbare Hardware- oder/und Software-Einheit mit definierten Zielen. Der technische Agent ist bestrebt, diese Ziele durch selbstständiges Verhalten zu erreichen und interagiert dabei mit seiner Umgebung und anderen Agenten. Aufgrund ihrer Struktur sind Agenten nicht auf ein zentrales Kontrollsignal angewiesen. Sie können bei einem Kommunikationsausfall autark ihre lokalen Regelziele verfolgen, da sie eigenständig für den Betrieb der untergeordneten technischen zugewiesenen Anlage verantwortlich sind. Dazu ist jeder Agent mit einem Smart Meter gekoppelt.“ Mit Anlagen sind beispielsweise PV-Module, Batteriespeicher, nicht-steuerbare Last in den Wohnungen, Wärmepumpen, Ladesäulen oder Blockheizkraftwerke (BHKW) gemeint.

Wegen der Heterogenität im Netz kommt es zwangsläufig zu entgegengesetzten Interessen der einzelnen Agenten. So will der Mieterstrom-Agent die Kilowatt zu den günstigsten Konditionen direkt vom eigenen Dach beziehen, der PV-Agent dagegen genau diesen Strom wegen des höheren Ertrags netzintern an die Wärmepumpe im Nachbarhaus verkaufen. Wie sich einigen? Im Ausbalancieren der unterschiedlichen Bestrebungen der Netzteilnehmer zu einer Win-win-Situation für alle Akteure liegt die besondere Herausforderung einer effizienzoptimierenden Programmierung der Agenten. Das Modell bemüht sich also, zunächst intern Angebot und Nachfrage in der Substruktur auszugleichen, bevor es auf das übergeordnete Verteilernetz zugreift. Im Labormaßstab auf dem Teststand von Fraunhofer ISE funktioniert das Verfahren bereits zufriedenstellend. Das Pfaff-Areal als Reallabor soll belegen, dass Theorie und Praxis dieses dezentralen, zukunftsfähigen Lösungskonzepts übereinstimmen.

Gießerei als Wärmequelle

Zukunftsfähig heißt, dass das Energiekonzept auf eine klimaneutrale, sichere und bezahlbare Energieversorgung auszurichten ist und das Bebauungsgebiet als Gesamtsystem mit den Komponenten Strom, Heizwärme, Warmwasser, Kälte und Elektromobilität zu betrachten hat. Abwärme- und Abwassernutzung, Sektorenkopplung, Photovoltaik, Geothermie, „Smart Grids“ und andere Begriffe aus dem Bereich der erneuerbaren Energien stehen denn auch im Schlagwortregister des Masterplans „EnStadt:Pfaff“. Zur Wärmeversorgung sollen, laut Plan, Teile des Kalorienstroms aus dem Abwasser-Hauptsammler sowie aus der Kühlung der benachbarten Gießerei in ein Nahwärmenetz fließen. Die Stromversorgung stützt sich unter anderem auf PV-Anlagen auf den Dächern plus Batteriespeicher ab. Die Stärkung des Gemeinschaftslebens will eine Informations- und Kommunikationsplattform fördern. Sie bietet mit verschiedenen Diensten einen gesellschaftlichen Mehrwert. Beispielsweise mit dem „Pfaff-Funk“. Der verbindet Teilnehmer untereinander, unterstützt sie im Austausch von Waren und Informationen und bietet sich für weitere Dienste im Miteinander an. So auch für Energiespartipps, die eine Software individuell für die Nutzer ermittelt, oder für ein Modul, das zum Ausprobieren umweltschonender Mobilitätskonzepte, wie ein Fahrrad- und Carsharing, anregt.

Der Stand der Dinge

HeizungsJournal fragte Gerhard Stryi-Hipp vom Fraunhofer ISE, wissenschaftlicher Projektleiter von „EnStadt:Pfaff“, nach dem Stand der Neugestaltung: „Derzeit, April 2021, läuft die Planung für das Nahwärmenetz, das die industrielle Abwärme des Gießereibetriebs aufnimmt. Erste Baumaßnahmen geschehen ebenfalls, so der Umbau der drei Bestandsobjekte, nämlich das alte und das neue Verwaltungsgebäude sowie das neue Kesselhaus. Innovative Elemente wie ein regelbarer Ortsnetztrafo, eine Großbatterie, die E-Mobil-Schnellladesäulen und ähnliches befinden sich in der konkreten ingenieurtechnischen Planung und Bestellung. Die Großbatterie wird voraussichtlich eine Kapazität von 500 kWh haben. Bei der Nahwärme aus der 500 m entfernten Gießerei bemühen wir uns, die momentane Abwärmetemperatur von 45 °C auf vielleicht 60 °C anheben zu können, ohne größere Umbaumaßnahmen vornehmen zu müssen. Wenn Sie dann Verlust und Spreizungen abziehen, hätten wir eine genügend hohe Vorlauftemperatur für die Niedertemperaturheizungen in den Gebäuden.“ Ebenfalls sei man dabei, die Hürden des Energiewirtschaftsgesetzes zu erfassen beziehungsweise man bemühe sich um deren Beseitigung, um den Stromeigenverbrauch erhöhen zu können. Noch gestatte das Gesetz nicht, Nachbargebäude zu beliefern. „Solange die regulativen Rahmenbedingungen noch nicht gegeben sind, müssen wir uns darauf konzentrieren, das Gebäude ausschließlich aus seiner eigenen Photovoltaikanlage zu versorgen, zum Beispiel für das Elektromobil. Ein anderes Thema, als nur ein Beispiel von vielen, mit denen wir uns beschäftigen müssen, ist die Belastbarkeit von Batterien, was die Lebensdauer angeht. Wenn wir 50 Batterien einsetzen wollen, um zunehmend volatile Sonnenstromerzeugung zu kompensieren, müssen diese Speicher künftig wesentlich flexibler und steuerbarer sein als heute. Dabei müssen wir uns allerdings an den Fähigkeiten von Batterien, beispielsweise in puncto Lebensdauer, orientieren und einen guten Kompromiss zwischen Flexibilität und Lebensdauer finden. Also eine wirtschaftlich vertretbare Zyklenzahl.“ Das gesamte Quartier wird im Endstadium größenordnungsmäßig etwa 40 Gebäude umfassen. In erster Linie Neubauten plus einige sanierte Bestandsobjekte. Der Umbau des Bestands ist schon im Gang. Die Neubauten kommen in den nächsten Jahren hinzu. Das Konsortium „EnStadt:Pfaff“ bereitet gerade die Ausschreibung der Architekturwettbewerbe vor. 2029 soll das Quartier bezugsfertig sein.

Aktive Agenten

Im Folgenden noch einige Details zum agentenbasierten Energiemanagement in der „EnStadt:Pfaff“: Traditionelle Energiemanagementsysteme sind zentralorientiert. Ein Computer in einer Leitstelle erfasst dabei sämtliche Werte im System und regelt von dort aus die Verbraucher, Erzeuger und Verteiler. In dezentralen Energiemanagementsystemen auf Basis von Software- und Hardware-Agenten handeln dagegen die einzelnen Verbraucher und Erzeuger untereinander individuell ab, wer wem was liefert. Es gibt keine zentrale Steuerung und keine Regelsignale von außen. Die Photovoltaikanlage auf dem Dach sagt voraus, was sie in den nächsten Viertelstunden liefern wird – sie muss mithin die Wettervorhersage kennen – und die Ladesäule für das E-Auto, der Batteriespeicher und die Wärmepumpe melden ihren Bedarf an. Der muss ebenfalls prognostiziert sein. Wenn zeitgleich alle drei Konsumenten auf den Produzenten zugreifen, verteilt der gleichmäßig sein Angebot auf die Abnehmer, sollten die sich nicht vorher „unterhalten“ haben mit dem Ergebnis, dass die Wärmepumpe durchaus noch eine halbe Stunde warten kann. Das teilt sie dem PV-Agenten mit, weil sie aus den verschiedenen Temperaturen der Komponenten bis hin zum Pufferspeicher diesen Schluss gezogen hat. In diesem Fall tritt sie ihr Drittel ab. Wie gesagt, die Mikroprozessoren müssen natürlich mit den entsprechenden Regeln, Formeln, Prognosen und Algorithmen gefüttert und mit den maßgebenden Sensoren gekoppelt sein.

Wärmepumpe verzichtet

Reicht trotz Verzicht der Wärmepumpe auf die aktuelle Einspeisung der Strom vom eigenen Dach nicht aus, um das E-Auto bis zur Abfahrtszeit getankt zu haben, wird die Ladesäule auf das zweitgünstigste Preisangebot zugreifen. Das ist im „EnStadt“-Projekt „Pfaff“ der Strom von den Nachbarhäusern. Fraunhofer ISE hat die Mikrochips mit drei Preiskategorien geimpft: eigenes Dach, fremdes Dach, öffentliches Netz. Nach dieser Reihenfolge bedienen sich die Konsumenten. Dass der Strom von den Nachbarhäusern mehr kostet als vom eigenen Dach/Haus, begründet sich nicht mit der Technik, sondern mit den politischen Vorgaben. Für die Abrechnung des Mieterstroms bedeutet das, die Teilmengen der einzelnen Lieferanten erfassen zu müssen. Die von Fraunhofer-Instituten entwickelte Software für „Smart Meter“ und Gateway lässt das zu. Das agentenbasierte Energiemanagement verändert den bisherigen Ansatz der Energieversorgung: Der besteht bei der heutigen Zentralität in der Pflicht, so viel zu erzeugen, wie nachgefragt wird. Die dezentrale IoT-Strategie dagegen kehrt die Situation um: Der Verbrauch richtet sich nach dem Angebot. Zumindest so lange es unter anderem mithilfe des Zeitmanagements geht (vgl. das Beispiel Wärmepumpe). Die volatile regenerative Stromerzeugung erfordert diesen Ansatzwechsel. Der entlastet den Netzausbau und damit die Energiekosten. Da sich die Agenten bemühen, Angebot und Bedarf innerhalb eines Quartiers so weit wie möglich untereinander auszuregeln, bleibt das öffentliche Netz von den quartiersinternen Ein- und Ausspeisungen weitgehend verschont.