SINTEG geht in den Endspurt

Experten arbeiten mit Hochdruck an Musterlösungen für die digitale Energiezukunft Deutschlands

Der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch soll in Deutschland von aktuell rund 40 Prozent bis 2030 auf 65 Prozent gesteigert werden. Doch wie können mehr Wind- und Sonnenstrom sicher und verlässlich in das Energieversorgungssystem integriert werden? Welche Rolle spielt die Digitalisierung? Welche Ideen gibt es für mehr Akzeptanz der Energiewende? Auf diese und andere Fragen gibt SINTEG 2020 die ersten Antworten.

SINTEG ist die Kurzformel von „Schaufenster intelligente Energie - Digitale Agenda für die Energiewende“, ein von der Bundesregierung gefördertes Forschungsprojekt. In fünf Modellregionen, den „Schaufenstern“, werden neue technische und regulatorische Lösungen im Energiebereich entwickelt und sogleich dem Praxistest unterworfen. Die an SINTEG beteiligten Expertinnen und Experten kamen am 11. und 12. September 2019 in Kassel zusammen, um wie in jedem Jahr ihre Ergebnisse zu präsentieren, sich zu vernetzen und auszutauschen. Dieses Jahr dabei: Der im BMWi für Energiethemen zuständige Staatssekretär Andreas Feicht. Dieser dankte den Akteuren für ihr anhaltendes Engagement und hob den großen Einsatz der Beteiligten hervor: sowohl den Mut der privaten Wirtschaft zu Investitionen als auch den Gemeinschaftsgeist der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Es herrsche eine besondere Stimmung, hob der Staatssekretär hervor, die von Enthusiasmus, Entdeckergeist und einem engen Austausch ganz unterschiedlicher Partner geprägt sei. Der Veranstaltungsort – der Kasseler Universitätscampus – trug zu einer offenen Atmosphäre und einem regen Austausch der Teilnehmer bei. Für ausreichend Gesprächsthemen sorgten die in SINTEG entwickelten Lösungsideen, die sich derzeit in der Testphase befinden und deren erste Ergebnisse für 2020 erwartet werden.

Die Energiewelt von morgen wird digital vernetzt sein

Das Energiesystem befindet sich in einem Umbruch. Während früher zentral gelegene Kohle- und Kernkraftwerke den Strom in Höchstspannungsnetze einspeisten und dieser über mehrere Stufen bis hinab zur Niederspannungsebene in die Haushalte transportiert wurde, wird Energie heute zunehmend dezentral produziert. Strom wird auf Verteilnetzebene eingespeist – zum Beispiel von Photovoltaikanlagen auf Gebäudedächern und von Windrädern in den Küstenregionen an der Nord- und Ostsee. Verbraucher werden zu sogenannten „Prosumenten“, die Energie nicht mehr nur konsumieren, sondern auch selbst produzieren. An diese Veränderungen gilt es, das Energiesystem anzupassen: Stromnetze müssen, bildlich gesprochen, von Einbahnstraßen zu mehrspurigen Autobahnen werden. Außerdem müssen die Netze insgesamt ausgebaut werden, damit es nicht zu Engpässen kommt.

Da neue Netze nicht von heute auf morgen gebaut sind, suchen Fachleute ergänzende Lösungen, um Netzengpässe zu vermeiden – zum Beispiel bauen sie mithilfe digitaler Technologien Netze zu sogenannten Smart Grids um. Hier setzt auch SINTEG an: Digitale Marktplattformen, intelligente Messsysteme und Betriebsmittel, wie Transformatoren, ermöglichen ein optimales Zusammenspiel von Erzeugungsanlagen, Netzen, Verbrauchern und Speichern. Flexible Verbraucher sollen den Strom dann nutzen, wenn er erzeugt wird. Dabei hilft die Digitalisierung.

Eine Schlüsselrolle kommt intelligenten Messsystemen (iMSys) zu. In den SINTEG-Projekten war ursprünglich ein großflächiger Einsatz zu Testzwecken geplant. Weil es bislang nicht genügend zertifizierte Geräte gab, haben die SINTEG-Akteure Lösungen entwickelt, um in der vorgegebenen Projektlaufzeit dennoch zu Daten und somit zu Ergebnissen zu kommen. Mit den digital erfassten Daten können die Fachleute bessere Prognosen zu Stromerzeugung und -verbrauch erstellen, sodass sie Energieströme flexibel und das Netz intelligent steuern können. Auf diese Weise tragen die Expertinnen und Experten bei SINTEG dazu bei, künftig einen effizienten und sicheren Netzbetrieb bei einem hohen Stromanteil aus fluktuierenden Energien zu gewährleisten.

Fünf Modellregionen repräsentieren Deutschland

Die Idee hinter SINTEG: Im Kleinen auf lokaler und regionaler Ebene proben, was zukünftig im Großen in ganz Deutschland gelingen soll. Dafür wurden bei
SINTEG fünf Modellregionen (Schaufenster) geschaffen, in denen Expertinnen und Experten aus allen 16 Bundesländern mitarbeiten. Die zwischen Kiel und München, Essen und Zwickau entwickelten Ideen und Lösungen für die Energiewelt der Zukunft werden anschließend wie Puzzleteile zu einem großen Zukunftsbild zusammengesetzt. Seit Anfang 2017 arbeiten daran bei SINTEG rund 1.000 Fachleute u.a. aus Hochschulen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und Unternehmen bundesweit.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert SINTEG bis Ende 2020 mit rund 200 Millionen Euro. Durch die zusätzlichen Investitionen der rund 300 Projektpartner in den Modellregionen kommt so insgesamt eine halbe Milliarde Euro zusammen, mit denen neue Lösungen vor Ort erprobt werden. SINTEG wird aber nicht nur mit Fördergeldern unterstützt, sondern auch durch eine zeitlich befristete Rechtsverordnung mit „Experimentieroption“ begleitet. Durch diese „SINTEG-Verordnung“ erhalten die Projektpartner einen finanziellen Ausgleich, wenn durch den Probebetrieb der neuen Technologien ein wirtschaftlicher Nachteil entsteht (z.B. durch eine anteilige Erstattung von Netzentgelten). Dabei sollen Praxistests ermöglichen, dass die beteiligten Fachleute Herausforderungen frühzeitig erkennen und Hinweise für die zukünftige Weiterentwicklung des Rechtsrahmens liefern können.

Neuartige Zellstruktur integriert PV-Strom intelligent

Die Modellregion „C/sells“ umfasst die Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern und Hessen. Aufgrund des häufig sonnigen Wetters im sogenannten
Solarbogen Deutschlands spielen Photovoltaik (PV)-anlagen in diesem Schaufenster eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Um möglichst viel PV-Strom integrieren zu können und dabei Versorgungssicherheit zu gewährleisten, verfolgt C/sells einen innovativen Ansatz zellulärer, vielfältiger und partizipativer Energieinfrastrukturen.

Als Zellen werden dabei einzelne Einheiten, wie Gebäude, Quartiere, Areale, aber auch ganze Verteilnetze, bezeichnet. In einer solchen Zelle kann autonom über Stromverbrauch und -erzeugung entschieden werden; gleichzeitig agiert diese im Verbund mit anderen Zellen. Außerdem stellt jede Zelle dezentrale Daten für übergelagerte Ebenen zur Verfügung. Zwischen einzelnen Zellen können regionale Energieprodukte gehandelt werden. Darüber hinaus ermöglicht der zelluläre Ansatz, dass bei Stromausfällen einzelne Zellen im Inselnetzbetrieb, also lokal abgegrenzt von anderen Netzen, gefahren werden und beim Netzwiederaufbau helfen können. Für die Zellen ergeben sich wirtschaftliche Chancen durch den Handel mit Flexibilität; das heißt, sie werden etwa dafür vergütet, wenn sie ihre Stromnutzung daran anpassen, ob gerade viel oder wenig Strom im Netz ist. Einzelne Zellen tragen auch Verantwortung für die Stabilität des gesamten Energiesystems. Auf diese Weise erweitern die C/sells-Lösungen bestehende Ansätze der Energiewirtschaft und ermöglichen kleinteiligen, dezentralen Erzeugern und steuerbaren Verbrauchseinrichtungen die Teilhabe an dem Projekt.

Die Zellfunktionen eröffnen daneben auch eine neue Dimension der Partizipation. Bürgerinnen und Bürger können in ihrem Haushalt oder in ihrer Nachbarschaft in erneuerbare Energien investieren, den Strom und die Flexibilität selbst nutzen oder vermarkten.

Dezentrale Speicher reduzieren Stromspitzen und entlasten das lokale Stromnetz

Das Schaufenster Designetz [1] umfasst die Bundesländer Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Saarland. Hier zeigen Fachleute, beispielsweise anhand der
sogenannten Energiewabe Rhein-Hunsrück-Kreis südlich von Koblenz, wie ein mehrstufiges Energiemanagement auf lokaler und regionaler Ebene – vom Haushalt bis zur Umspannanlage – funktioniert. Eine Energiewabe besteht aus mehreren Komponenten unterschiedlicher Technologien, die zusammengeschaltet und vernetzt eine größere Flexibilitätsleistung bereitstellen können als eine Komponente alleine. Gleichzeitig kann auch jede einzelne Wabe weitgehend autonom gesteuert werden – zum Beispiel, um Netzengpässe an einem bestimmten Abschnitt im Verteilnetz der Energiewabe zu vermeiden.

Eine wichtige Rolle spielen in diesem Projekt zum Beispiel Elektrospeicherheizungen, Batterie- sowie Lithium-Ionen-Speicher, die lokal nicht benötigte Flexibilität bündeln und auf regionaler Ebene für die Energiewabe zur Verfügung stellen. Auf diese Weise werden Stromspitzen reduziert und das Netz entlastet. So zum Beispiel in Simmern, wo zahlreiche Photovoltaikanlagen in das Netz einspeisen. Ebenso kann Flexibilität überregional angeboten werden: Die Energiewabe hilft damit aufzuzeigen, wie sich Energieerzeugungsanlagen im ländlichen Raum besser mit städtischen Lastzentren austauschen können.

Daten decken Stromverbrauchsmuster auf

Die SINTEG-Expertinnen und -Experten der Modellregion enera [2] in den Landkreisen Aurich, Friesland und Wittmund sowie der Stadt Emden haben mit SAM
(smartes Auslese- und Kommunikationsmodul) eine Ergänzung zu intelligenten Messsystemen (iMSys) entwickelt, die völlig eigenständig und unabhängig funktioniert: Dieses Modul wird ganz einfach – per Magnet – an der sogenannten optischen Schnittstelle einer modernen Messeinrichtung befestigt. Im Gegensatz zu intelligenten Messsystemen zielt das Modul auf den Einbau bei Verbrauchern, die weniger als 6.000 Kilowattstunden Strom pro Jahr nutzen und nicht verpflichtet sind, iMSys einzubauen. Auf diese Weise haben die enera-Fachleute einen Weg gefunden, um die vielen privaten Haushalte und kleineren Betriebe in der ländlichen Region mit geringem Aufwand noch vor der Markteinführung in das Projekt einzubinden.

Mithilfe einer eigenen Stromversorgung, die unabhängig vom eigentlichen digitalen Zähler funktioniert, sowie einer Datenübermittlung über das WLAN des Teilnehmers können die ermittelten Daten einerseits wieder dem Teilnehmer zurückgespielt werden. Dieser erhält so detaillierte Informationen zu seinem Stromverbrauch. Andererseits werden die Daten an die Smart-Data-und-Service-Plattform von enera übermittelt. Aus diesen Daten lernen die Fachleute, Muster abzulesen und den regenerativ erzeugten Strom – an der niedersächsischen Küste fast 250 Prozent mehr, als vor Ort eingesetzt werden kann – besser und intelligenter zu verteilen. Insgesamt wird das Bewusstsein für den eigenen Stromverbrauch auf diese Weise gefördert und die Digitalisierung des Energiesystems wird beschleunigt.

Wasserstoffnutzung treibt Sektorkopplung voran

In Brunsbüttel an der Elbmündung ist im Schaufenster NEW 4.03 kürzlich die erste Anlage zur Aufnahme von erneuerbar erzeugtem Wasserstoff ins
Erdgasnetz in Schleswig-Holstein eröffnet worden. Damit wird mustergültig demonstriert, wie Sektorkopplung als wichtiger Meilenstein der Energiewende in Norddeutschland über die Branchen Energie, Verkehr und Wärme hinweg gelingen kann.

Verknüpft ist die Anlage, die von der Netzleitstelle in Rendsburg westlich von Kiel fernüberwacht wird, mit einer für die Wasserstofferzeugung erfor-derlichen Power-to-Gas-Anlage (Elektrolyse-Verfahren) und einer Wasserstofftankstelle für Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Damit verfolgen die Expertinnen und Experten einen ganzheitlichen Ansatz: Im Windpark Westerbüttel wird zunächst vor Ort Windstrom produziert und anschließend überschüssiger Strom in Wasserstoff umgewandelt. Dieser kann in Speichern aufbewahrt werden, die an die Wasserstofftankstelle angeschlossen sind. Diese soll künftig bis zu 80 Pkw mit erneuerbar erzeugtem Kraftstoff versorgen. Zusätzlich kann Wasserstoff ins Erdgasnetz eingespeist werden. Auf diese Weise wird die durch Windkraft erzeugte Energie bestmöglich genutzt.

Künstliche Intelligenz verbessert Erzeugungsprognosen

Auch Start-ups tragen bei SINTEG zum Erfolg des Förderprogramms bei: Ein Beispiel ist die in Berlin ansässige Firma Solandeo, die Teil des Schaufensters WindNODE4 im Nordosten Deutschlands ist. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Unternehmens arbeiten daran, mithilfe neuer Prognoseverfahren unabhängig von herkömmlichen, oft unzureichenden Wetterprognosen zu werden und dadurch die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien künftig besser vorhersagen zu können.

Dafür analysieren selbstlernende Algorithmen große Mengen an Echtzeitdaten digitaler Stromzähler. Diese sind beispielsweise in Speichern, Windrädern, Solar- und Biogasanlagen verbaut, wie etwa im brandenburgischen Feldheim nördlich von Wittenberg. Hierdurch wird es möglich, die regenerativ erzeugte Energie effizienter zu nutzen und Abschaltungen aufgrund fehlender Netzkapazitäten zu verringern. Schnellere, günstigere und räumlich bessere Prognosen der Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien helfen also, die Energiewende billiger und sicherer zu machen.

Viel Einsatz für mehr Akzeptanz und Partizipation

Die innovativen Ergebnisse der einzelnen Projekte und die Begeisterung für die Arbeit an der Energiewende können Bürgerinnen und Bürger vor Ort erleben. Im Rahmen zahlreicher kreativer Aktionen und Veranstaltungsformate informieren die SINTEG-Expertinnen und -Experten in ihren Regionen deutschlandweit über die Projekte und laden zum Mitmachen ein.

Beispiele sind die „Besuchbaren Orte“ wie eine an SINTEG teilnehmende Supermarktfiliale oder eine Tankstelle bei WindNODE und die „Route der Energie“ bei Designetz. Entlang der „Route der Energie“ erhalten Interessierte an als Haltestellen gestalteten Informationssäulen nicht nur Wissen über das Projekt, sondern finden auch einen sogenannten Marker zum Abfotografieren, der in Kombination mit der Designetz-App eine dreidimensionale, interaktive Energiewelt entstehen lässt. Besucher können damit zum Beispiel spielerisch den Wind wehen oder überschüssigen Strom in Gas und Wärme umwandeln lassen.

Andere Formate sind das Energiewendemodell des Schaufensters NEW 4.0, das im Rahmen einer Roadshow an verschiedenen Orten ausgestellt wird. Besucher können virtuell erkunden, vor welchen Herausforderungen die Energieversorgung in ihrer Region steht und wie diese bewältigt werden können. Das C/sells-Partizipationsteam hat mit dem „Tram Talk“ ein nicht alltägliches Veranstaltungsformat entwickelt, bei dem Bürger während einer Straßenbahnfahrt mit Experten über die Energiezukunft diskutieren. Um die Menschen in ihrer Region für eine aktive Beteiligung am Projekt zu gewinnen, startete enera einen Roadtrip. Zwei Mitarbeiter fuhren dabei auf Lastenfahrrädern quer durchs Land und sprachen mit Anwohnern über die Möglichkeiten jedes Einzelnen, sich an der Energiewende zu beteiligen.

Erste Ergebnisse in 2020

Anfang 2020 startet SINTEG ins letzte Projektjahr. Dann wird es darum gehen, aus den Ideen und Konzepten, die bereits in der Praxis erprobt worden sind, konkrete Ergebnisse abzuleiten. Dabei werden die Projektpartner von verschiedenen Akteuren der wissenschaftlichen Begleitforschung unterstützt: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereiten Wissen auf, diskutieren mit den Partnern die Übertragbarkeit der Ergebnisse sowie Verwertungs- und Vermarktungsoptionen und evaluieren SINTEG, um die Wirkfähigkeit auf Programmebene zu verbessern und die Zielerreichung zu überprüfen. Auch Erkenntnisse aus der Umsetzung der SINTEG-Verordnung sind essenziell, damit der regulatorische Rahmen angepasst und fortentwickelt werden kann.

Viele der in SINTEG erworbenen Erfahrungen werden in die künftige Förderpolitik einfließen: Die Reallabore der Energiewende, die die Bundesregierung in ihrem 7. Energieforschungsprogramm als neues Förderformat etabliert, entwickeln zukunftsfähige Energietechnologien unter realen Bedingungen und im industriellen Maßstab fort. Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier hatte im Februar 2019 erstmals einen entsprechenden Ideenwettbewerb ausgeschrieben; insbesondere ging es dabei um neue Konzepte zu Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien, um großskalige Energiespeicher im Stromsektor und um energieoptimierte Quartiere. Den Siegern des Wettbewerbs, bundesweit 20 Konsortien mit Partnern aus Industrie und Forschung, stellt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Zeitraum 2019 bis 2022 jährlich bis zu 100 Millionen Euro zur Verfügung. Darüber hinaus hat die Bundesregierung in den Eckpunkten zum Strukturstärkungsgesetz vorgesehen, einmalig zusätzliche 200 Millionen Euro für Reallabore in Strukturwandelregionen bereitzustellen, um die Bedeutung traditioneller Energieregionen für das Energiesystem der Zukunft zu unterstreichen.

[1] www.designetz.de/blaupause-und-bausteine/speicher/energiewabe-rhein-hunsrueck-kreis/
[2] https://projekt-enera.de/blog/sam-kampagne-die-kleinigkeit-infos/
[3] https://bit.ly/2NmUypH
[4] www.windnode.de/ergebnisse/windnode-konkret/muster-erkennen/

Kontakt: Silke Stahl Referat: Schaufenster Intelligente Energie, Flexibilität der Nachfrage und Speicher und Katharina Klöber – Projektträger Jülich