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Gebäude als flexible Akteure des Energiesystems

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Im Fraunhofer ISE-Projekt „Nichtwohngebäude als flexible Akteure des Energiesystems“ ist untersucht worden, wie Gebäude aus Industrie und GHD-Sektor in die Energiewirtschaft eingebunden werden können. Case Studies ermittelten das sogenannte Flexibilisierungspotenzial und zeigten, dass Gebäude künftig ein nicht unwesentlicher Baustein erneuerbarer Energiewirtschaft sein können.

Das Projekt wird im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung gefördert. Ziel war es, neuartige Wärme- und Kälteerzeugungstechnologien sowie Lösungen zur Reduzierung der CO₂-Emissionen und zur Integration erneuerbarer Energien zu demonstrieren. Neben der effizienten Nutzung und Verknüpfung von Strom, Wärme und Kälte wurde erprobt, wie Industrie und GHD-Sektor (Gewerbe, Handel, Dienstleistungen) mit ihrem „Nichtwohngebäudebestand“ an der Energiewirtschaft teilnehmen können.

„Bislang sind Liegenschaften mittelständischer Industrieunternehmen oder des GHD-Sektors nur primärenergetisch betrachtet worden, nicht als Akteure im Energiesystem. Die in ihnen schlummernden Potenziale zur Bereitstellung von Flexibilität sind bisher nur unzureichend erforscht worden, eine Lücke, die unser Projekt geschlossen hat“, erklärt Dr. Jessica Thomsen, Teamleiterin Dezentrale Energieversorgung und Märkte am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE).

Das Projekt hat gezeigt, wie durch eine ganzheitliche Energiesystembetrachtung auch in mittelständischen Organisationen ein Transformationspfad in eine treibhausgasneutrale Zukunft gefunden werden kann. Dabei kann der Grad der Eigenversorgung vor allem durch Photovoltaik in Kombination mit Wärmepumpen oder thermischen bzw. elektrischen Speichern gesteigert werden. Dies reduziert die Energiekosten sowie CO₂-Emissionen. Allerdings ist ein flexibler, netzdienlicher Betrieb mit dem aktuellen rechtlichen Rahmen und den installierten Messtechniken kaum zu realisieren. Zur Hebung relevanter Flexibilitätspotenziale müssen unter anderem die Tarifstruktur des Elektrizitätsbezugs reformiert und die technologischen Voraussetzungen geschaffen werden, um die Bereitstellung von Flexibilität wirtschaftlich interessant zu gestalten. So könnten die Netzentgelte dynamisiert und an die Netz- oder Systemerfordernisse angepasst werden.

Lösungen für Strom, Wärme und Kälte erprobt

Zunächst wurde bei den Unternehmen Hermann Peter KG Baustoffwerke, Rheinau, und Taifun-Tofu GmbH, Freiburg sowie dem ebenfalls in Freiburg ansässigen Fraunhofer ISE eine Energiesystemanalyse durchgeführt. Das Projektkonsortium entwickelte und installierte dafür detaillierte Messkonzepte zur Erfassung von Energiedaten. Auf Basis dieser Daten bildeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE die Energiesysteme der Case Studies im Energiesystemmodell District ab und erhoben das technische Potenzial der Flexibilisierung von Strom-, Wärme- und Kältenutzung.

So wurden am Fraunhofer ISE ein Kältenetz und ein Kaltwasserspeicher mit 200 Kubikmetern Volumen installiert. Durch den Austausch mehrerer kleiner, dezentraler Kälteanlagen konnte die Systemeffizienz gesteigert werden. Der Kältespeicher ermöglicht es zudem, einen größeren Teil der Last durch freie Kühlung zu decken und die Kälteanlagen flexibler zu betreiben, z. B. entlang eines sich ändernden Strompreises. Auch die wichtige Rolle von Wärmepumpen wurde durch das Projekt unterstrichen. „Die Vorortanalysen haben uns gezeigt, welche Möglichkeiten es für uns gibt, den Prozesswärmebedarf CO₂-neutral zu gestalten“, erklärt Alfons Graf, Verantwortlicher „Technischer Ausbau“ beim Projektpartner Taifun Tofu GmbH. Diese Erkenntnisse sollen bei zukünftigen Investitionsentscheidungen berücksichtigt werden.

Flexibilitätspotenziale ohne Anreize nicht nutzbar

Die vom Projektteam für den Nichtwohngebäudesektor erhobenen Flexibilitätsoptionen wurden in ein regionales und deutschlandweites Energiesystem- und Energiemarktmodell eingebunden, um deren Interaktion mit dem Energiesystem und die damit verbundenen Auswirkungen zu bewerten. Um das negative und positive Flexibilitätspotenzial für Deutschland abzuschätzen, erhob das Team den Nichtwohngebäudebestand und berechnete das Flexibilitätspotenzial für verschiedene Technologien.

Um die berechneten Flexibilitätspotenziale einordnen zu können, wurden sie mit der prognostizierten Residuallast (Bedarf an Strom, der nicht durch erneuerbare Energien abgedeckt werden kann) für Deutschland im Jahr 2045 verglichen. Dabei zeigte sich, dass allein die Nichtwohngebäude ein relevantes Flexibilitätspotenzial besitzen, das bis zu 3,2 Prozent der Residualenergie im Jahr 2045 entspricht.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts lag in der rechtlichen Analyse der Hemmnisse, die derzeit eine Nutzung der Flexibilitätspotenziale verhindern. Diese Analyse wurde vom Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität (IKEM) als weiterem Projektpartner durchgeführt. Sie ergab, dass ohne ökonomische Anreize für die Bereitstellung von Flexibilität Unternehmen die finanziellen und nicht-finanziellen Aufwendungen zur Erschließung der Potenziale aktuell nicht kompensieren können. Das Projektteam entwickelte daher eine Roadmap, um die notwendigen Rahmenbedingungen für die Flexibilisierung aufzuzeigen. Ein zentrales Hemmnis sind die Netzentgelte: Eine Reformierung, die einen Strombedarf in Anlehnung an das Stromangebot fördert (z. B. Anreiz zu Spitzenlasten bei Solarstromspitzen), würde die Flexibilisierung wirtschaftlich interessanter machen.