Strom à la carte aus „Micro Smart Grids“

Micro Smart GridDie "Öko Guru" Ladestationen für die Elektrofahrzeuge des Fraunhofer IAO. Foto: Fraunhofer IAO

Stuttgarter Forscher testen im Praxisversuch, wie sich Ökostrom am sinnvollsten nutzen lässt. Im Mittelpunkt steht dabei die intelligente Einbindung von Elektroautos und leistungsfähigen Energiespeichern mit so genannten Micro Smart Grids.

Zugegeben, der Slogan „Global denken, lokal handeln“ klingt etwas angestaubt. Er passt aber einfach zu gut zu dem Projekt, an dem Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) seit rund sechs Jahren arbeiten. Mit kleinen, dezentralen Energienetzen, sogenannten Micro Smart Grids, wollen sie das große Projekt Energiewende vorantreiben. Ziel sei es, „auf lokaler Ebene Erzeugung und Verbrauch in Einklang zu bringen“, sagt Florian Klausmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IAO. Damit ließen sich die durch den Boom erneuerbarer Energien zunehmend überforderten Netze entlasten und möglicherweise auch ein Teil der umstrittenen und teuren neuen Fernleitungen einsparen.
Als „lebensnahes Labor“ dient Klausmann und seinen Kollegen ein Parkhaus in Stuttgart-Vaihingen. An den Außenseiten des oberen Parkdecks sind Fotovoltaikmodule mit einer Spitzenleistung von 30 Kilowatt installiert. Typische Privatanlagen kommen auf zwei bis drei Kilowatt. Der Sonnenstrom fließt durch dicke Kabel zu Ladestationen für die 23 Fahrzeuge umfassende Elektroautoflotte des Instituts sowie in eine Lithium-Ionen-Batterie im Keller des Parkhauses. Auf dem Schaltschrank zeigt ein Display die aktuellen Leistungsdaten an. An diesem trüben Novembernachmittag steuern die Module kaum etwas zur Versorgung der E-Autos bei – der größte Teil des Ladestroms kommt aus dem Netz.

Micro Smart Grids: Kluges Speichern und Verbrauchen

An einem klaren Sommertag sieht es anders aus. „Auf das ganze Jahr gerechnet reicht die Leistung der Module aus, um unseren gesamten Elektroauto-Fuhrpark zu laden“, sagt Klausmann. Doch wegen der stark schwankenden Stromproduktion der Solarmodule ist die regenerative Vollversorgung eben nur in der Theorie möglich. „Ein Windrad wäre eigentlich ein idealer Ausgleich“, sagt Klausmann. Auf den Diagrammen, die der Forscher bei einer Fachtagung des IAO zeigt, ist sogar eines eingezeichnet. Doch gebaut wurde es nicht, weil die Windverhältnisse in Vaihingen zu schlecht sind.
Umso wichtiger sind Energiespeicher, mit denen sich Überschüsse aus Zeiten hoher Sonneneinstrahlung bis zur Nutzung in sonnenärmeren Perioden zwischenlagern lassen. Batterien – wie jene im Keller des Parkhauses – können diesen Job mangels ausreichender Kapazitäten sowie hoher Kosten nur zum Teil erledigen. Deshalb setzen die IAO-Forscher auch auf den chemischen Energiespeicher Wasserstoff, der sich durch elektrolytische Spaltung von Wasser mit überschüssigem Solar- oder Windstrom klimaneutral erzeugen lässt.
Auf dem Dach des Parkhauses steht ein Container, dessen tausend Liter großer Wasserstofftank über eine Kapazität von 2000 Kilowattstunden verfügt und damit zwanzigmal so viel Energie aufnehmen kann wie die Lithium-Speicherbatterie. Neben dem Tank befindet sich eine Brennstoffzelle, die bei Bedarf aus Wasserstoff Strom produziert. Gespeichert wird das Gas durch Anlagerung an eine Flüssigkeit, die sich in Stahl- oder Kunststofftanks aufbewahren lässt – ohne hohen Druck oder Kühlung. Laut IAO handelt es sich um den europaweit ersten Wasserstoffspeicher dieser Art im Regelbetrieb, der mit der LOHC-Technik arbeitet.
Eine entscheidende Rolle bei Micro Smart Grids spielt die Software, die das Zusammenspiel aller Komponenten in Echtzeit steuert und systematisch die Elektromobilität mit einbindet. Denn die Batterien der Elektroautos bieten eine zusätzliche Speichermöglichkeit für Ökostrom, der aktuell nicht benötigt wird. In Spitzenlastzeiten könnten die Autobatterien einen Teil des Stroms wieder einspeisen und so das Netz stabilisieren. Bislang übernehmen das vor allem fossile Kraftwerke, die kurzzeitig angefahren werden – und die CO2-Einspareffekte erneuerbarer Energien mindern.

Hilfe bei den Klimazielen

In die Suche nach der optimalen Betriebsstrategie, in die im Idealfall auch die komplette Wärme- und Kälteversorgung der Gebäude integriert werden sollte, fließen auch Wetterprognosen ein. So ist es etwa vor einem sonnenreichen Tag sinnvoll, die Batterien weitgehend leerzufahren, damit sie am nächsten Tag möglichst viel Strom aufnehmen können. Mit ihrer Software können die Fraunhofer-Experten zudem simulieren, was etwa die Einbindung eines Blockheizkraftwerks zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung oder die Installation einer zusätzlichen Pufferbatterie bringen würde.
Energiewende und Elektromobilität gehören für die Fraunhofer-Forscher dabei zwingend zusammen. Durch eine engere Verknüpfung von Strom- und Verkehrssektor ließen sich die Klimaziele der Bundesregierung besser und zu geringeren Kosten erreichen, argumentieren sie. Um die E-Autos optimal in das lokale Stromnetz einzubinden, übernimmt die Steuerungssoftware auch das Fuhrparkmanagement. So entscheidet das System aufgrund der angemeldeten Dienstfahrten und des Ladezustands der Fahrzeuge, wer welchen Dienstwagen bekommt. Der Automat, der nach der Identifikation des Mitarbeiters per Kartenleser die Fahrzeugschlüssel ausgibt, trägt die Aufschrift „Eco Guru“ – auf Deutsch: Öko-Guru.
Bislang ist die Energiewende vor allem eine Stromwende, während sich im Verkehrssektor kaum etwas getan hat. Die verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen seien in Deutschland zwischen 1990 und 2014 nicht zurückgegangen, wie Uwe Brendle, Referatsleiter beim Bundesumweltministerium, bei der IAO-Tagung erläutert. Deshalb bestehe „dringender Handlungsbedarf“. Um die Pariser Klimaziele zu erreichen, müssten die Emissionen des Verkehrs bis 2030 um 55 Prozent sinken. Sollte der CO2-Ausstoß in anderen Sektoren langsamer zurückgehen als geplant, müsse der Beitrag des Verkehrs sogar noch größer ausfallen, so Brendle. Tatsächlich sieht der jetzt beschlossene Klimaschutzplan der Bundesregierung für die Industrie geringere CO2-Einsparziele vor als ursprünglich von Umweltministerin Barbara Hendricks geplant.
Die „Schnittstelle“ zwischen erneuerbaren Energien und Elektroautos spielt für Brendle die entscheidende Rolle bei der Verringerung des CO2-Ausstoßes im Verkehrssektor. Dazu gehört natürlich auch eine effiziente Ladeinfrastruktur. So setzen die Fraunhofer Forscher auf Schnellladesäulen mit bis zu 150 Kilowatt Leistung, die deutlich kürzere Ladezeiten ermöglichen.

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