Auswirkungen hoher erneuerbarer Energieanteile auf städtische Stromnetze unter Berücksichtigung der Fernwärmeinfrastruktur

Die Energie-, Wärme- und Verkehrswende kann eine Herausforderung für die städtische Netzinfrastruktur werden. Um die Auswirkungen vor allem auf die Niederspannungsnetze in städtischem und stadtnahem Umfeld beurteilen zu können, wird in dieser Dissertation die Auswirkung einer vollumfassenden Energiewende aufgezeigt. Die ausgesuchten Niederspannungsnetze sind als typische Netze in der Region Köln zu betrachten. In einem ersten Schritt wird davon ausgegangen, dass in den zu untersuchenden Niederspannungsnetzen alle für die Photovoltaik geeigneten Dächer mit Photo-voltaik-Modulen belegt werden und diese als netzgekoppelte PV-Anlagen betrieben werden. Hierzu ist eine detaillierte Auswertung der Dachflächen notwendig, da für die untersuchten Netze kein Solarkataster existiert. In diesem Zusammenhang ist zu untersuchen, ob es zu Problemen im Spannungsband [Niederspannungs-richtlinie] oder zu Betriebsmittelüberlastungen [Kabel, Transformatoren] kommt. Um realistische Berechnungen durchführen zu können, werden statistisch gemittelte Lastprofile benötigt, die auch zukünftige Entwicklungen wie Demand Side Management bei Großgeräten im Haushalt, elektrische Brauchwasser-erwärmung mit Überschüssen aus erneuerbaren Energien, verstärkte Nutzung von Wärmepumpenheizungen unter Berücksichtigung von verbesserter Energieeffizienz bei Bestandsgebäuden [energetische Sanierung | Reduktion des Heizwärmebedarfs um biszu 70 % in Bezug auf den durchschnittlichen Gebäude-bestand] berücksichtigen. Damit diese Lastprofile effizient erstellt werden können, wird ein Lastprofilgenerator benötigt, der diese Aufgabe übernehmen kann. Dieser wird auf bereits bekannten Methoden wie den Standard-Lastprofil für Haushalts-strom, Wasserzapfprofilen für Warmwasser und den einschlägigen DIN-Normen für die Heizenergieberechnung erstellt. Für den Bereich Elektromobilität wird auf statistisch ausgewertete Fahr-/Mobilitätsprofile zurückgegriffen, deren Datensätze vom KIT [Karlsruher Institut für Technologie] über einen Zeitraum von 20 Jahren gesammelt worden sind. Anhand von Grundrissdaten der Gebäude aus Liegenschaftskarten lassen sich relativ genaue Heizprofile anhand der so bestimmten beheizten Fläche mit Hilfe des Lastprofilgenerators erstellen, um so die Belastung der Netze durch Wärme-pumpenheizungen darzustellen. Treten Probleme bei der Einhaltung des Spannungsbandes bzw. Betriebsmittelüberlastungen für den untersuchten Fall in den Niederspannungsnetzen auf, werden Lösungsansätze wie z.B. Demand Side Management, Lastreduktion, aber auch eine Kombination aus Wärmepumpen-heizungen und Kraftwärmekopplung, thermische Speicher und Batteriespeicher [auch bidirektionale Traktionsbatterien von E-Fahrzeugen] genutzt, um einen zulässigen Arbeitspunkt in den Niederspannungsnetzen zu erreichen. Außerdem wird die Auswirkung der energetischen Gebäudesanierung bis hin zum Passivhaus auf den Fernwärmesektor anhand eines Fernwärmemodells betrachtet. Besonderer Wert wird auf die Begutachtung der Verteilverluste gelegt. Durch eine verbesserte Fahrweise der Fernwärmesysteme und ggf. eine Weiterentwicklung der Anlagentechnik – insbesondere bei der Brauchwassererwärmung durch Fernwärme – können Verteilverluste bei Energieeffizienzgebäuden deutlich reduziert werden. Die Betrachtung des Energieverbrauchs und der nutzbaren Flächen durch Photovoltaik in einer Metropole zeigt aber auch, dass eine Großstadt auch in Zukunft, vor allem im Winter, auf Energieimporte aus dem Umland angewiesen sein wird. Im Sommer ist es bei ausreichenden Speicherkapazitäten in der Stadt möglich, diese zeitweise durch lokale dezentrale Photovoltaik zu versorgen. Mit Hilfe von dezentralen Speichern können die vorgelagerten Netzebenen entlastet werden. Diese Dissertation zeigt Lösungsansätze für die Energiewende im Hinblick auf eine effiziente Nutzung städtischer Niederspannungsnetze auf.