Intelligente Mikronetze

Beschreibung

Mikronetze sind kleinere Varianten eines lokalen, zentralisierten Stromnetzes – auch als Makronetz bezeichnet – und verfügen über Steuerungsfunktionen, die es ihnen ermöglichen, entweder im Verbund mit dem lokalen Makronetz oder autonom als eigenständiges System zu betrieben zu werden. In dieser Form gibt es Mikronetze bereits seit Jahrzehnten; sie versorgen Industriestandorte, Militärstützpunkte, Universitätsgelände und kritische Einrichtungen wie Krankenhäuser mit Strom, wobei in erster Linie mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) und Kolbenmotorgeneratoren zum Einsatz kommen. Viele Städte interessieren sich nun jedoch für Mikronetzsysteme, die erneuerbare Energiequellen und verschiedene Energieverbraucher besser integrieren, mehrere Nutzer versorgen und/oder Anforderungen im Bereich Umweltschutz oder Notfallmaßnahmen erfüllen können.

Mikronetze können der Umwelt, den Energieversorgern und den Kunden zahlreiche Vorteile bieten – Vorteile, die für Städte besonders wichtig sind, da sie bestrebt sind, intelligente, sichere und lebenswerte Gemeinden mit florierender Wirtschaft zu schaffen. Unter Berücksichtigung lokaler Prioritäten und Herausforderungen haben Kommunen drei gute Gründe, den Ausbau von Mikronetzen voranzutreiben:

1. Mikronetze tragen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei und helfen Städten dabei, ihre Klimaziele zu erreichen, indem sie:
   • die Integration und Bündelung erneuerbarer Energiequellen fördern, da sie durch dezentrale, steuerbare Erzeugung und Speicherung (z. B. KWK, thermische Speicherung oder Brennstoffzellen) Energieerzeugung und -verbrauch innerhalb des Mikronetzes ausgleichen können;
   • Energie nutzen, die andernfalls verloren gehen würde (z. B. Stromübertragungsverluste oder Abwärme aus der Energieerzeugung), dank der räumlichen Nähe zwischen dem Ort der Energieerzeugung und dem Ort des Energiebedarfs.
2. Mikronetze können die Widerstandsfähigkeit des zentralen Stromnetzes stärken und erhöhen, indem sie:
   • die systemweite Zuverlässigkeit und Effizienz steigern, da sie dazu beitragen, den Energiebedarf zu senken oder zu steuern und gleichzeitig Netzengpässe zu verringern – dank ihrer Fähigkeit, den lokalen Energiebedarf autonom zu isolieren und zu decken;
   • die Anfälligkeit des Netzes verringern, indem sie drohende Stromausfälle abfedern und Schutz vor potenziellen Cyberangriffen auf die Energieinfrastruktur bieten;
   • die Aufrechterhaltung der Energieversorgung in Notfällen oder bei Naturkatastrophen, insbesondere für kritische öffentliche Dienste, sowie die Unterstützung des Hauptnetzes bei der Wiederherstellung nach Systemausfällen.
3. Mikronetze können der Gemeinschaft besser dienen und die lokale Wirtschaft stärken, indem sie:
   • die Stromtarife dank eines effizienteren und kostengünstigeren Netzmanagements, einer stärkeren Nutzung wertvoller Abfallenergie und/oder geringerer Investitionen in zusätzliche Energiekapazitäten oder Übertragungsinfrastruktur unter Kontrolle halten.
   • Förderung der Wettbewerbsfähigkeit von Kommunen, da diese niedrige Energiekosten und ein hohes Maß an Versorgungssicherheit bieten können, was neue Unternehmen und Arbeitsplätze anziehen kann, insbesondere in Branchen, die besonders anfällig für Stromausfälle sind (z. B. Rechenzentren, Forschungseinrichtungen usw.).
   • die Stromversorgungssicherheit für abgelegene oder schwer zu versorgende Gemeinden gewährleisten, indem sie kosteneffizient saubere, zuverlässige und widerstandsfähige Energie bereitstellen;
   • Darstellung einer idealen Möglichkeit, erneuerbare Ressourcen auf kommunaler Ebene zu integrieren und die Beteiligung der Kunden am Stromversorgungsunternehmen zu ermöglichen.

Zu lösende Probleme

Wertschöpfungsmodell

Wertemodell für ein Smart-Grid-System (BABLE, 2021)

Stadtkontext

Kommunen können eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Umsetzung von kommunalen Mikronetzen in bestehenden Stromnetzen spielen, um städtespezifische Ziele zu erreichen. Dies ist eine komplexe Aufgabe, die institutionelle Veränderungen und regulatorische Anpassungen erfordert. Dennoch reagieren Anbieter und Entwickler von Mikronetzen auf Marktsignale, und die Kommunalpolitik kann für Klarheit sorgen, Prioritäten kommunizieren und Einstiegshürden senken. Darüber hinaus können Kommunalverwaltungen Interessengruppen und Bürger in Bezug auf Bedürfnisse und Chancen einbinden und im Rahmen bestimmter kommunal geführter Initiativen sogar selbst zum Mikronetzkunden werden, wie beispielsweise im deutschen Dorf Feldheim, das sich als einziges netzunabhängiges Dorf in der entwickelten Welt mit 100 % erneuerbaren Ressourcen bezeichnet. Einige Schlüsselfaktoren zur Sicherstellung des Ausbaus von kommunalen Mikronetzen sind die folgenden:

• Schaffung der politischen Rahmenbedingungen durch die richtige Kombination aus politischen Instrumenten und Anreizen, um alle regulatorischen und administrativen Hindernisse zu beseitigen. Neben traditionellen Anreizen für dezentrale Energiequellen wie Einspeisevergütungen oder Net-Metering-Regelungen gehören zu den weiteren wirksamen Alternativen der Verzicht auf Genehmigungsgebühren zur Beschleunigung der Verfahren oder die Gewährung von Anreizen bei der Flächennutzungsplanung für Projekte, die Mikronetz-Komponenten wie Energiespeicherung, Erzeugung erneuerbarer Energien oder intelligentes Management umfassen. Ebenso müssen Vorschriften, die die Energiespeicherung vor Ort verhindern oder den Besitz von Speicheranlagen durch Energieversorger ausschließen, aktualisiert werden.
• Technologische Infrastruktur zur Ermöglichung der zukünftigen Entwicklung von Mikronetzen, wie beispielsweise die Einführung intelligenter Zähler oder die flächendeckende Bereitstellung von Konnektivitätsinfrastruktur.
• Das Engagement und die Motivation der Gemeinschaft, um den gesellschaftlichen Nutzen der Implementierung und des Betriebs des Mikronetzes innerhalb der Gemeinschaftzu steigern und damit die gesellschaftliche Akzeptanz zu erhöhen.
• Die Haltung und das Engagement der lokalen Energieversorger habengroßen Einfluss auf die Entwicklung von Mikronetzen in der Gemeinde. In der Vergangenheit hat der Widerstand der Energieversorger den Aufbau von Mikronetzen in Gemeinden behindert, doch in jüngster Zeit gibt es einige Energieversorger, die diese Projekte proaktiv vorantreiben. Die Europäische Kommission drängt die Energieversorger dazu, ihre Aktivitäten im Bereich der Entwicklung nicht-traditioneller Strominfrastrukturen zu verstärken, was die Rahmenbedingungen für die Entwicklung von Mikronetzen in Gemeinden verbessern könnte.
• Umweltbedingte Einschränkungen wie der Einflussbereich, die verfügbare Fläche, erneuerbare Energiequellen und andere lokale Ressourcen sowie die Energiedichte des Gebiets.

Unterstützende Faktoren

1. Schaffung eines förderlichen politischen Umfelds.
2. Ermöglichung des lokalen Energiehandels zwischen dezentraler Erzeugung und bidirektionalem Stromfluss.
3. Klare und transparente Regeln für den Netzanschluss an das Hauptnetz.
4. Verfügbarkeit lokaler Energiemärkte.
5. Gewährleistung von Wirtschaftlichkeit und Rentabilität, wenn die Versorgungssicherheit nicht beeinträchtigt ist.
6. Unterstützung tragfähiger Geschäftsmodelle und einer Gewinnbeteiligung zur Bewältigung hoher Kapitalkosten.
7. Schaffung geeigneter Steuerungsmodelle für gemeindegeleitete Initiativen.
8. Einbeziehung der Interessengruppen zur Maximierung des gesellschaftlichen Nutzens.
9. Gewährleistung des Datenschutzes und der Kommunikationssicherheit.
10. Einsatz geeigneter Speichertechnologien und -kapazitäten.
11. Bessere Integration von Energiemanagementsystemen und Unternehmensmanagementsystemen.
12. Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit bei Schnittstellen zu den Anwohnern, um Transparenz zu gewährleisten und energieeffizientes Verhalten zu fördern.

Regierungsinitiativen

In den europäischen Ländern wird die Umsetzung lokaler Energiesysteme durch zahlreiche Initiativen und politische Maßnahmen auf europäischer oder nationaler Ebene gefördert, wobei sich viele Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die von nationaler oder europäischer Förderung profitieren, auf intelligente Stromnetze, Energieeffizienz, die Einbindung dezentraler erneuerbarer Energiequellen, intelligentes Netzmanagement und vieles mehr konzentrieren.

Im Rahmen der EU-Politik zählen zu den politischen Triebkräften für solche Projekte die zunehmende Netzüberlastung und der steigende Energiebedarf, der Klimawandel, die Erschöpfung fossiler Brennstoffe, die alternde Infrastruktur des Stromnetzes sowie der innereuropäische Energiemarkt; All diese Faktoren, die die Einführung lokaler Energiesysteme vorantreiben, wurden durch das jüngste Klima- und Energiepaket der EU „Saubere Energie für alle Europäer“ sowie nun durch den neuen Europäischen Grünen Deal inspiriert.

Eine bemerkenswerte Initiative ist die Einrichtung der Smart-Grid-Taskforce (SGTF) im Rahmen des dritten EU-Energiepakets im Jahr 2009, deren Aufgabe es ist, bei politischen Maßnahmen und Vorschriften zum Ausbau intelligenter Netze beratend tätig zu sein. So wurden im Rahmen der Entwicklung eines gemeinsamen Standards für europäische Smart Grids von der Europäischen Kommission mehrere Aufträge an die europäischen Normungsorganisationen (ESO) erteilt, um Standards für die Interoperabilität intelligenter Stromzähler, Ladevorschriften für Elektrofahrzeuge sowie ein hohes Niveau an Smart-Grid-Diensten und -Betrieb festzulegen.

Die EU weist die Mitgliedstaaten derzeit an, ihre Vorschriften für den Strommarkt und den Bereich der erneuerbaren Energien zu aktualisieren, damit Gemeinden als Aggregatoren für erneuerbare Energieerzeugung, flexible Lasten und Speicherdienste für das gesamte Netz fungieren können, wodurch der Weg für kommunale Mikronetze geebnet wird.

Stakeholder Mapping

Akteursübersicht für ein Smart-Grid-System (BABLE, 2021)

Marktpotenzial

Die Weiterentwicklung von Mikronetzen ist Teil eines umfassenderen Trends hin zur Digitalisierung, Dezentralisierung und Dekarbonisierung des Energiesektors. Weltweit ist der wachsende Markt für lokale Energiesysteme eine Reaktion auf Umweltbelange, den Mangel an einer robusten Netzinfrastruktur und Versorgungssicherheit, steigende Energiepreise sowie eine Kombination aus regulatorischem Druck und Anreizen. Infolgedessen wird erwartet, dass der Markt für Mikronetze in den nächsten 10 Jahren rasch wachsen wird.

Jährliche Gesamtleistung von Mikronetzen und Investitionsausgaben nach Region, Weltmärkte: 2020–2029 (Guidehouse Insights)

Obwohl Europa als weltweit führend auf dem Weg zu einer kohlenstoffarmen Energiezukunft gilt, macht es nur 9 % des globalen Mikronetzmarktes aus. Die naheliegendste Erklärung dafür ist, dass der überwiegende Teil der installierten Mikronetzkapazität in Europa auf abgelegenen Inseln liegt, die nicht an das Festlandnetz angeschlossen sind. Ein genauerer Blick auf die enge Verflechtung und Regulierung der EU-Märkte zeigt jedoch ein deutliches Muster, das der Entwicklung von Mikronetzen erhebliche Einschränkungen auferlegt (laut Navigant Research): (1) Europa hat sich auf den großflächigen Ausbau erneuerbarer Energien konzentriert, beispielsweise auf Offshore-Anlagen, was massive Investitionen in die Übertragungsinfrastruktur erfordert; (2) Der Ausbau dezentraler Energiequellen (DER) basierte in erster Linie auf Einspeisevergütungen, einem Geschäftsmodell, das das wesentliche Merkmal eines Mikronetzes – nämlich den Inselbetrieb – ausschließt; (3) Die bevorzugten Methoden zur Bewältigung der Schwankungen erneuerbarer Energien und zur Erhöhung der Stromversorgungssicherheit tendieren eher zum grenzüberschreitenden Handel als zu lokalen Mikronetzen

Letztendlich verlagert die fortschreitende Integration des europäischen Marktes den Schwerpunkt von Mikronetzen hin zu VPPs. Tatsächlich ist Europa Vorreiter bei der Einführung von VPP-Plattformen mit hochentwickelten Funktionen, die die Integration erneuerbarer Energien und den Energiehandel in Echtzeit ermöglichen, um den Wert von Flexibilitätsressourcen zu maximieren und gleichzeitig neue Wertschöpfungsströme zu erschließen, um Märkte für Netzdienstleistungen zu schaffen.

Betriebsmodelle

Bis vor kurzem stellte das Geschäftsmodell für Mikronetze für viele Organisationen ein Hindernis dar, da deren Aufbau und Einsatz mit hohen Investitionskosten und erheblichen finanziellen Risiken verbunden waren. Nun senken neue Finanzierungs- und Betriebsmechanismen die Hürden für Organisationen und Gemeinden und ermöglichen es, dass mehr Mikronetze – und damit die nachhaltige Energiewende – Realität werden.

Betriebsmodell für ein intelligentes Mikronetzsystem (BABLE, 2021)

Rechtliche Anforderungen

Da es in der Europäischen Union keine spezifischen Vorschriften für Mikronetze gibt, ist es erforderlich, zunächst die wesentlichen Regelungsbereiche für Mikronetze zu definieren und die bestehenden europäischen Richtlinien mit diesen Bereichen zu verknüpfen. Die für Mikronetze relevanten Regelungsbereiche und die damit verbundenen Richtlinien sind:

Erneuerbare Energien: Berücksichtigung erneuerbarer Erzeugungsanlagen innerhalb des Mikronetzes, einschließlich Maßnahmen zur Förderung der Integration erneuerbarer Energien, der Energieeffizienz und der Dekarbonisierung.

Vorschriften zu erneuerbaren Energien (BABLE, 2021)

Netzanschluss: betrifft die Anforderungen an den Anschluss von Lasten, Erzeugungsanlagen und Energiespeichern an das Verteilernetz.

Vorschriften zur Netzanbindung (BABLE, 2021)

Eigenverbrauch und Energiespeicherung: Bedingungen für die Einspeisung von Überschussstrom, Möglichkeiten zum Einsatz von Speichersystemen usw.

Vorschriften zu Eigenverbrauch und Energiespeicherung (BABLE, 2021)

Insgesamt ist der Umfang der für Mikronetze in der EU unmittelbar geltenden Vorschriften gering, was auch die Unterschiede zwischen den Vorschriften für Mikronetze in den einzelnen Mitgliedstaaten verstärkt. Dennoch sind die Auswirkungen einiger Vorschriften wie der Richtlinie 2009/28/EG zur Förderung erneuerbarer Energien beträchtlich. Um die Ziele der europäischen Richtlinien im Zusammenhang mit Mikronetzen zu erfüllen, haben die Mitgliedstaaten Strategien auf der Grundlage wirtschaftlicher Anreize umgesetzt. Das in der EU am weitesten verbreitete Fördermodell basiert auf Einspeisevergütungen (FITs); es gibt jedoch auch andere relevante Anreize wie Marktprämien, grüne Zertifikate und traditionelle Ausschreibungen.

Daten und Standards

Daten und Standards für ein intelligentes Mikronetzsystem (BABLE, 2021)