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Beschreibung

Microgrids sind kleinere Versionen eines lokalen, zentralisierten Stromnetzes - auch bekannt als Makronetz - und sind mit Steuerungsfunktionen ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, im Tandem mit dem lokalen Makronetz oder autonom auf eigenständiger Basis zu arbeiten. Microgrids als solche gibt es schon seit Jahrzehnten. Sie versorgen Industriestandorte, Militärbasen, Campusse und kritische Einrichtungen wie Krankenhäuser mit Strom, wobei in erster Linie mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Hubkolbengeneratoren zum Einsatz kommen. Viele Städte interessieren sich jetzt jedoch für Microgrid-Systeme, die erneuerbare Erzeugungsressourcen und verschiedene Energielasten besser integrieren, mehrere Nutzer bedienen und/oder Umwelt- oder Notfallmaßnahmen erfüllen können.

Microgrids können der Umwelt, den Versorgungsunternehmen und den Kunden mehrere Vorteile bringen. Diese Vorteile sind für Städte besonders wichtig, da sie sich bemühen, intelligente, sichere und lebenswerte Gemeinden mit einer florierenden Wirtschaft zu schaffen. In Anbetracht der lokalen Prioritäten und Herausforderungen haben Kommunen drei gute Gründe, Microgrids zu verfolgen:

  1. Microgrids tragen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei und helfen den Städten, ihre Klimaziele zu erreichen, indem sie:
    • Förderung der Integration und Aggregation erneuerbarer Energiequellen dank ihrer Fähigkeit, Energieerzeugung und -verbrauch innerhalb des Mikronetzes durch dezentrale, steuerbare Erzeugung und Speicherung (z.B. KWK, thermische Speicherung oder Brennstoffzellen) auszugleichen.
    • Nutzung von Energie, die andernfalls verschwendet würde (z.B. Verluste bei der Stromübertragung oder Abwärme bei der Energieerzeugung), dank der Nähe zwischen dem Ort der Energieerzeugung und dem Ort, an dem sie benötigt wird.
  2. Microgrids können die Widerstandsfähigkeit des zentralen Netzes stärken und erhöhen, indem sie:
    • Erhöhung der systemweiten Zuverlässigkeit und Effizienz, da sie dank ihrer Fähigkeit, den lokalen Energiebedarf zu isolieren und autonom zu übernehmen, dazu beitragen, die Energienachfrage zu senken oder zu steuern und gleichzeitig die Überlastung des Netzes zu verringern.
    • Verringerung der Anfälligkeit des Netzes durch Bewältigung drohender Stromausfälle und Schutz vor möglichen Cyberangriffen auf die Energieinfrastruktur.
    • Aufrechterhaltung der Energieversorgung in Notfällen oder bei Naturkatastrophen, insbesondere für kritische öffentliche Dienste, und Unterstützung des Makronetzes bei der Erholung von Systemausfällen.
  3. Microgrids können der Gemeinschaft besser dienen und die lokale Wirtschaft fördern, indem sie:
    • Die Stromtarife dank eines effizienteren und kostengünstigeren Netzmanagements, einer stärkeren Nutzung wertvoller, ungenutzter Energie und/oder geringerer Investitionen in zusätzliche Energiekapazitäten oder Übertragungsinfrastrukturen unter Kontrolle halten.
    • Förderung der Wettbewerbsfähigkeit von Kommunen, da diese niedrige Energiekosten und ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bieten können, die neue Unternehmen und Arbeitsplätze anziehen können, insbesondere Branchen, die sehr empfindlich auf Stromausfälle reagieren (z. B. Rechenzentren, Forschungseinrichtungen usw.).
    • Sicherstellung der Stromversorgungssicherheit für isolierte oder schwer zu versorgende Gemeinden durch die kostengünstige Bereitstellung sauberer, zuverlässiger und widerstandsfähiger Energie.
    • Ein idealer Weg, um erneuerbare Ressourcen auf kommunaler Ebene zu integrieren und eine Beteiligung der Kunden am Stromgeschäft zu ermöglichen.

Zu lösende Probleme

Energiekosten Kohlenstoff-Emissionen Energieverluste Unzuverlässige Energieversorgung Steigender Energiebedarf Veraltete, schwache und fehlende Infrastruktur
Produkte, die diese Funktionen anbieten

Lösung für den Microgrid-Ausgleich

Ausgleich zwischen Mikronetz und stadtweitem virtuellem Kraftwerk durch den Verkauf von Energie, wenn die Nachfrage im Mikronetz überschritten wird und umgekehrt.

Wertschöpfungsmodell

Kosten-Nutzen-Bewertung der Lösung.

Wertmodell für ein intelligentes Stromnetz (BABLE, 2021)

Stadtkontext

Für welche unterstützenden Faktoren und Merkmale einer Stadt ist diese Lösung geeignet? Welche Faktoren würden die Umsetzung erleichtern?

Lokale Regierungen können eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung der Implementierung von kommunalen Microgrids in bestehende Stromnetze spielen, um stadtspezifische Ziele zu erreichen. Dies ist eine komplexe Aufgabe, die institutionelle Änderungen und regulatorische Aktualisierungen erfordert. Dennoch reagieren Anbieter und Entwickler von Microgrids auf Marktsignale, und die lokale Politik kann Klarheit schaffen, Prioritätsstufen kommunizieren und Eintrittsbarrieren senken. Darüber hinaus können Kommunalverwaltungen Interessengruppen und Bürger einbeziehen, um Bedürfnisse und Möglichkeiten zu ermitteln und sogar selbst zum Kunden von Microgrids werden, wie z.B. das deutsche Dorf Feldheim, das für sich in Anspruch nimmt, das einzige netzunabhängige Dorf in der entwickelten Welt mit 100% erneuerbaren Ressourcen zu sein. Einige Schlüsselfaktoren für die Einführung von kommunalen Microgrids sind die folgenden:

  • Schaffung des politischen Umfelds durch die richtige Mischung aus politischen Instrumenten und Anreizen zur Beseitigung aller regulatorischen und administrativen Hindernisse. Neben den traditionellen Anreizen für dezentrale Energieressourcen wie Einspeisetarife oder Net-Metering-Systeme gibt es weitere wirksame Alternativen wie den Verzicht auf Genehmigungsgebühren, um die Verfahren zu beschleunigen, oder die Gewährung von Anreizen für die Flächennutzungsplanung für Projekte, die Microgrid-Funktionen wie Energiespeicherung, erneuerbare Energieerzeugung oder intelligentes Management umfassen. Ebenso müssen Vorschriften, die die Energiespeicherung vor Ort verhindern oder das Eigentum der Versorgungsunternehmen an Speicheranlagen ausschließen, aktualisiert werden.
  • Dietechnologische Infrastruktur, die die zukünftige Entwicklung von Mikrogittern ermöglicht, wie z.B. der Einsatz intelligenter Zähler oder die Abdeckung der Konnektivitätsinfrastruktur.
  • Engagement und Motivation der Gemeinschaft , um den sozialen Wert der Implementierung und des Betriebs des Microgrids innerhalb der Gemeinschaft zu erhöhen und damit die soziale Akzeptanz zu steigern.
  • Die Einstellung und das Aktivitätsniveau der lokalen Versorgungsunternehmen haben einen großen Einfluss auf die Entwicklung von Microgrids in der Gemeinde. In der Vergangenheit hat der Widerstand der Versorgungsunternehmen die Einführung von kommunalen Microgrids behindert, aber in letzter Zeit gibt es einige Versorgungsunternehmen, die diese Projekte aktiv vorantreiben. Die Europäische Kommission drängt die Versorgungsunternehmen, ihre Aktivitäten im Bereich der nicht-traditionellen Elektrizitätsinfrastruktur zu verstärken, was die Bedingungen für die Entwicklung kommunaler Mikronetze verbessern könnte.
  • Umweltbedingte Einschränkungen wie Einflussbereich, Platzverfügbarkeit, erneuerbare Energiequellen und andere lokale Ressourcen sowie die Energiedichte des Gebiets.

Unterstützende Faktoren

  1. Schaffung eines unterstützenden politischen Umfelds.
  2. Ermöglichung des lokalen Energiehandels zwischen dezentraler Erzeugung und bidirektionalem Stromfluss.
  3. Klare und transparente Regeln für die Zusammenschaltung mit dem Hauptnetz.
  4. Verfügbarkeit von lokalen Energiemärkten.
  5. Sicherstellung der wirtschaftlichen Effizienz und Rentabilität, wenn die Sicherheit der Stromversorgung kein Thema ist.
  6. Unterstützung tragfähiger Geschäftsmodelle und Vorteilsausgleich zur Bewältigung der hohen Kapitalkosten.
  7. Schaffung geeigneter Governance-Modelle für von der Gemeinschaft geführte Initiativen.
  8. Sicherstellung der Einbeziehung von Interessengruppen zur Maximierung des sozialen Nutzens.
  9. Schutz von Daten und Kommunikation.
  10. Einsatz einer geeigneten Speichertechnologie und -größe.
  11. Bessere Integration von Energiemanagementsystemen und Unternehmensmanagementsystemen.
  12. Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit der Schnittstellen mit den Bewohnern der Gemeinde, um Transparenz zu gewährleisten und energieeffizientes Verhalten zu fördern.

Regierungsinitiativen

Welche Anstrengungen und Maßnahmen unternehmen die lokalen/nationalen öffentlichen Verwaltungen, um diese Lösung zu fördern und zu unterstützen?

In den europäischen Ländern wird die Einführung lokaler Energiesysteme durch viele Initiativen und politische Maßnahmen auf europäischer oder nationaler Ebene unterstützt. Viele Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die mit nationalen oder europäischen Mitteln gefördert werden, konzentrieren sich auf intelligente Netze, Energieeffizienz, die Integration dezentraler erneuerbarer Ressourcen, intelligentes Netzmanagement und vieles mehr.

Im Kontext der EU-Politik gehören zu den politischen Triebkräften für solche Projekte die zunehmende Überlastung der Netze und die steigende Energienachfrage, der Klimawandel, die Erschöpfung fossiler Brennstoffe, die alternde Infrastruktur der Stromnetze und der europäische Energiebinnenmarkt. All diese Faktoren, die die Einführung lokaler Energiesysteme vorantreiben, wurden durch das jüngste EU-Klima- und Energiepaket "Saubere Energie für alle Europäer" und jetzt den neuen europäischen Green Deal inspiriert.

Eine bemerkenswerte Initiative ist die Einrichtung der Smart Grid Task Force (SGTF) als Teil des dritten EU-Energiepakets im Jahr 2009, die bei der Einführung von intelligenten Netzen beraten soll. Im Rahmen der Entwicklung eines gemeinsamen Standards für europäische intelligente Netze hat die Europäische Kommission den Europäischen Normungsorganisationen (ESO) mehrere Aufträge erteilt, um Standards für die Interoperabilität intelligenter Stromzähler, Standards für das Laden von Elektrofahrzeugen und ein hohes Maß an intelligenten Netzdiensten und -operationen festzulegen.

Die EU weist derzeit die Mitgliedsländer an, ihre Vorschriften für den Strommarkt und die erneuerbaren Energien zu aktualisieren, um es den Gemeinden zu ermöglichen, als Aggregatoren von erneuerbaren Energien, flexiblen Lasten und Speicherdiensten für das Gesamtnetz zu fungieren und so den Weg für kommunale Mikronetze zu ebnen.

Stakeholder Mapping

Welche Interessengruppen müssen bei der Planung und Umsetzung dieser Lösung berücksichtigt werden (und wie)?

Karte der Interessengruppen für ein intelligentes Stromnetz (BABLE, 2021)

Marktpotenzial

Wie groß ist der potenzielle Markt für diese Lösung? Gibt es EU-Ziele, die die Umsetzung unterstützen? Wie hat sich der Markt im Laufe der Zeit und in letzter Zeit entwickelt?

Der Vormarsch von Microgrids ist Teil eines breiteren Trends zur Digitalisierung, Dezentralisierung und Dekarbonisierung des Energiesektors. Weltweit ist der wachsende Markt für lokale Energiesysteme eine Reaktion auf Umweltbedenken, einen Mangel an robuster Netzinfrastruktur und Stromzuverlässigkeit, steigende Energiepreise und eine Kombination aus regulatorischem Druck und Anreizen. Infolgedessen wird erwartet, dass der Microgrid-Markt in den nächsten 10 Jahren schnell wachsen wird.

Jährliche Gesamtkapazität von Microgrids und Ausgaben für die Implementierung nach Regionen, Weltmärkte: 2020-2029 (Guidehouse Insights)

Obwohl Europa als weltweit führend auf dem Weg zu einer kohlenstoffarmen Energiezukunft gilt, macht es nur 9 % des weltweiten Microgrid-Marktes aus. Die direkteste Erklärung dafür ist, dass sich die überwiegende Mehrheit der installierten Microgrid-Kapazitäten in Europa auf abgelegenen Inseln befindet, die nicht an das Festlandnetz angeschlossen sind. Ein genauerer Blick darauf, wie die EU-Märkte eng miteinander verflochten und reguliert sind, zeigt jedoch ein deutliches Muster, das die Entwicklung von Microgrids stark einschränkt (laut Navigant Research): (1) Europa hat sich auf den groß angelegten Einsatz erneuerbarer Energien konzentriert, wie z.B. Offshore, was massive Investitionen in die Übertragungsinfrastruktur erfordert; (2) der Einsatz dezentraler Energieressourcen (DER) basiert in erster Linie auf Einspeisetarifen, einem Geschäftsmodell, das das entscheidende Merkmal eines Mikronetzes, nämlich die Insellösung, ausschließt; (3) die bevorzugten Methoden zur Bewältigung der Variabilität erneuerbarer Energien und zur Erhöhung der Stromzuverlässigkeit tendieren zum grenzüberschreitenden Handel und nicht zu lokalisierten Mikronetzen

Letztlich verlagert die fortgeschrittene Integration des europäischen Marktes den Schwerpunkt von Microgrids auf VPPs. In der Tat ist Europa führend bei der Einführung von VPP-Plattformen mit ausgefeilten Funktionen, die die Integration von erneuerbaren Energien und den Echtzeit-Energiehandel ermöglichen, um den Wert von Flexibilitätsressourcen zu maximieren und gleichzeitig die Tür zu neuen Wertströmen zu öffnen, um Märkte für Hilfsdienste zu schaffen.

Betriebsmodelle

Welche Geschäfts- und Betriebsmodelle gibt es für diese Lösung? Wie sind sie strukturiert und finanziert?

Bis vor kurzem war das Geschäftsmodell für Microgrids für viele Organisationen ein Hindernis, da die erforderlichen kostspieligen Kapitalausgaben und die hohen finanziellen Risiken, die mit ihrem Bau und ihrer Einrichtung verbunden sind, ein Hindernis darstellten. Jetzt werden durch neue Finanzierungs- und Betriebsmechanismen die Hürden für Organisationen und Gemeinden abgebaut, so dass mehr Microgrids - und damit die nachhaltige Energiewende - Realität werden können.

Betriebsmodell für ein intelligentes Microgrid-System (BABLE, 2021)

Rechtliche Anforderungen

Einschlägige gesetzliche Richtlinien auf EU- und nationaler Ebene.

Da es in der Europäischen Union keine spezifischen Regelungen für Microgrids gibt, müssen zunächst die wichtigsten Regelungsbereiche für Microgrids definiert und die bestehenden europäischen Richtlinien mit diesen Bereichen verknüpft werden. Die für Microgrids relevanten Regulierungsbereiche und die entsprechenden Richtlinien sind:

Erneuerbare Energien: Berücksichtigung von erneuerbaren Erzeugungseinheiten innerhalb des Microgrids, einschließlich Maßnahmen zur Förderung der Integration von erneuerbaren Energien, Energieeffizienz und Dekarbonisierung.

Verordnungen Erneuerbare Energien (BABLE, 2021)

Netzanschluss: Anforderungen an den Anschluss an das Verteilernetz für Verbraucher, Erzeugungseinheiten und Energiespeicher.

Verordnungen Netzanschluss (BABLE, 2021)

Eigenverbrauch und Energiespeicherung: Bedingungen für die Lieferung von Produktionsüberschüssen, Möglichkeit der Nutzung von Speichersystemen, etc.

Vorschriften für Eigenverbrauch und Energiespeicherung (BABLE, 2021)

Alles in allem ist der Umfang der Regulierung, die direkt für Microgrids in der EU gilt, gering, was auch die Unterschiede zwischen den Regulierungen für Microgrids in den einzelnen Mitgliedsstaaten erhöht. Nichtsdestotrotz sind die Auswirkungen einiger Verordnungen wie 2009/28/EG zur Förderung erneuerbarer Energien beträchtlich. Um die Ziele der europäischen Richtlinien in Bezug auf Microgrids zu erreichen, haben die Mitgliedsstaaten Strategien eingeführt, die auf wirtschaftlichen Anreizen basieren. Das gängigste Fördersystem in der EU basiert auf Einspeisetarifen (FITs). Es gibt jedoch auch andere relevante Anreize wie Marktprämien, grüne Zertifikate und traditionelle Ausschreibungen.

Daten und Standards

Welche relevanten Standards, Datenmodelle und Software sind für diese Lösung relevant oder erforderlich?

Daten und Standards für ein intelligentes Micogrid-System (BABLE, 2021)

Die Entwicklung dieser Lösung wurde mit EU-Mitteln unterstützt.

Anwendungsfälle

Sehen Sie sich Beispiele für die Umsetzung dieser Lösung in der Praxis an.

Energie

Gebäude

Intelligente Energie und autarker Block

Ein Plan zur Senkung des Stromverbrauchs in Hochschulgebäuden in Barcelona durch die Installation und Nutzung von photovoltaischen Solaranlagen.

Energie

Gebäude

Intelligente Nahwärmegebiete

Im Rahmen des GrowSmarter-Projekts ist "Smart Local Thermal Districts" Teil der Gebäudesanierung in Ca l'Alier, bei der die Stromerzeugung vor Ort (PV-Anlagen) mit dem bestehenden lokalen DHC-Netz kombiniert wird, wodurch der Verbrauch fossiler Primärenergie für die Wärme- und Kälteerzeugung reduziert wird.

Energie

Micro-Grid Management System

Microgrid Management Controller, entwickelt zur Integration unterschiedlicher Energieanlagen bei einzelnen Akteuren, um die Energieleistung in den Bereichen Kosten, CO2, Abflachung von Spitzenlasten und effektive Nutzung kohlenstoffarmer Energieerzeugung zu verbessern.

Energie

ICT

Zentraler Energie-Controller der Smart City

Eine Energiemanagement-Plattform für virtuelle Kraftwerke, die es den städtischen Akteuren ermöglicht, dezentrale Energieressourcen (Erzeugung, Speicherung und Last) von einer einzigen Plattform aus aktiv zu verwalten.

Energie

ICT

Anlagen zur Energiespeicherung

Energiespeichersystem mit Li-Ion-Batterien, das bidirektionale Flexibilität bietet. Es ist für den dynamischen Zyklus gedacht.

Energie

Verkehr

ICT

Netzunabhängige Ladestation für eine nachhaltige Mikro-Mobilität

In der Hochschule Bochum wurde eine netzunabhängige Ladestation als Pilotprojekt installiert, um die Solarenergie durch eine flexible und modulare leichte EV-Dockingstation zu nutzen.

Energie

Mikro-Netz innerhalb des öffentlichen Netzes

Mikronetze sind kleinere, unabhängige Netzstrukturen, die eine unabhängige, dezentrale Energieerzeugung ermöglichen und somit den lokalen Verbraucher direkt mit dem lokalen Erzeuger und den Speichersystemen verbinden. Ziel ist es, den Grad der Autarkie zu erhöhen.

Energie

ICT

Mikro-Netz passt sich an wechselnde Jahreszeiten an - Smart Meter Prognose

Ein Microgrid nutzt intelligente Sensortechnologie, um sich an die wechselnden Jahreszeiten anzupassen und die Energieeffizienz zu verbessern. Diese Technologie kann die Wetterbedingungen aufzeichnen, Trends speichern und den Verbrauch auf intelligente Weise anpassen.

Energie

ICT

Stirling Smart Energy Projekt

Der Climate Change Act 2019 verpflichtet Schottland dazu, bis 2045 alle Treibhausgasemissionen auf Null zu reduzieren. Stadtverwaltungen in ganz Schottland haben die Führung bei der Festlegung von Zielen zur Emissionsreduzierung übernommen, einige mit ehrgeizigen Fristen vor dem nationalen Netto-Null-Ziel Schottlands.

Energie

ICT

Wärmespeicherung einschließlich IKT-Integration für wirtschaftliche Wärmeversorgung

Überwindung der unzureichenden Stromerzeugung durch die Einbeziehung der Solaranlage Dunker zur Wärmeversorgung eines Stadtteils, der nicht genug erneuerbare Energie erzeugen kann.

ICT

Wasser

Luft

Wetterinformationen für die Stadt Conwy und für Bootsliegeplätze

Der Fluss Conwy, der durch das Herz der Grafschaft fließt, dient als beliebter Anlegeplatz in der Stadt Conwy. Es bestand ein dringender Bedarf, genauere Informationen für die Nutzer von Anlegestellen zu sammeln und diese wertvollen Informationen mit Touristen zu teilen.

Energie

ICT

Baumwollspinnerei Microgrid Simulation

The integration of Baumwollspinnerei asset data into the LSW virtual power plant allows for the simulation of live traded energy quantities based on spot market prices. The system calculates the real-time and forecasted economic potential of surplus trade with these assets.

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