FORSCHUNG LEBEN – das Magazin der Universität Stuttgart

Netzstabilität aus dem Heizkeller

Intelligente Steuerungen machen regenerative Energieerzeugung wetterunabhängig

Wie kann man in Gebäuden dafür sorgen, dass Wärme genau dann erzeugt wird, wenn es für die Stabilität des Stromsystems am besten ist? Das am Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart geplante Smart Energy Lab soll dafür intelligente Steuerungen entwickeln und so einen wichtigen Baustein zur Energiewende liefern.

Der Atomausstieg läuft, der Kohleausstieg ist für 2038 geplant. Die Bundespolitik reagiert damit einerseits auf das Sicherheitsempfinden vieler Menschen und andererseits auf die Notwendigkeit, den Kohlenstoffdioxidausstoß zu reduzieren. Klar ist aber, dass auch nach 2038, wenn das letzte Kohlekraftwerk in Deutschland abgeschaltet sein soll, eine ausreichende, stabile und sowohl wirtschaftliche als auch umweltgerechte Stromversorgung benötigt wird. Im Jahr 2018 wurden zwar bereits mehr als 40 Prozent des in der Bundesrepublik erzeugten Stroms aus regenerativen Quellen gewonnen. Dieser Anteil wird bis in 20 Jahren aller Voraussicht nach auch weiter deutlich steigen. Dennoch stellt die Energiewende – neben anderen Sektoren – auch die Stromversorgung vor Herausforderungen. Denn: Windkraftwerke oder Photovoltaikanlagen stellen den Strom nicht zwingend dann zur Verfügung, wenn er benötigt wird. Was also tun, wenn mitten in einer Bedarfsspitze Flaute herrscht und Wolken am Himmel stehen?!

Mit Fragen wie diesen beschäftigt sich Julia Kumm vom IER der Universität Stuttgart. Auf dem früheren Telekom-Areal auf dem Campus der Universität Stuttgart in Vaihingen bauen Julia Kumm und ihre Kollegen das Smart Energy Lab auf, eine Versuchsanlage für dezentrale intelligente Energiesysteme. Konzipiert wurde das Smart Energy Lab von Prof. Kai Hufendiek, dem Leiter des IER. In dem Komplex sollen künftig Seminarräume, Büros für Forscher und Mitarbeiter, aber auch ein Gästehaus Platz fi nden – Nutzungsarten, die den IER-Wissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern künftig ermöglicht, unter Realbedingungen zu forschen.

Prof. Kai Hufendiek und Julia Kumm vom IER. (c) Universität Stuttgart/U. Regenscheit
Intelligente Heizungstechnologien sind das Ziel der Forschungsgruppe um Prof. Kai Hufendiek und Julia Kumm vom IER.

Übungsraum für intelligentes Zusammenspiel

„Das Smart Energy Lab wird ein Experimentierraum, in dem wir möglichst flexibel unterschiedlichste Konfigurationen untersuchen wollen“, erklärt Julia Kumm. Die Versuchsaufbauten für die Heizsysteme der Zukunft dürften dabei gar nicht so spektakulär wirken, wie man im ersten Moment vielleicht denkt: „Wir nutzen aktuelle Standardgeräte, wie sie in jedem Gebäude im Heizkeller stehen könnten. Das Spannende passiert hinter der Fassade, durch das intelligente Zusammenspiel der Komponenten.“

Im Smart Energy Lab liegt der Fokus nicht darauf, die einzelnen Heizungstechnologien selbst technisch weiterzuentwickeln. „Unser Ziel ist, dass Heizungen künftig nicht mehr nur die eigene Versorgungsaufgabe sehen, sondern intelligent auf die Situation im gesamten Energiesystem reagieren“, so Julia Kumm.

Ein Beispiel: In vielen Heizräumen stehen heute Wärmeerzeuger, die dann Warmwasser erzeugen, wenn es benötigt wird. Was aber wäre, wenn dort eine Luftwärmepumpe und ein großer Warmwasserspeicher stünden? Die Wärmepumpe könnte in einer windigen Nacht, wenn im Netz viel Strom vorhanden ist, viel heißes Wasser erzeugen und im Speicher puffern. Im Umkehrschluss lieferte dieser Speicher auch dann Wärme, wenn gerade weniger Strom verfügbar ist. „Theoretisch könnte jeder Heizungskeller auf diese Weise Flexibilisierungs- oder Stabilisierungsaufgaben für das Gesamtsystem übernehmen“, sagt Julia Kumm. „Man kann Speicher dazu nutzen, die Erzeuger genau dann laufen zu lassen, wenn es für das System sinnvoll ist, unabhängig vom aktuellen Wärmebedarf.“ Wichtigste Bedingung sei jedoch, dass die Wärmeversorgung jederzeit gesichert bleibt. Und für die Nutzer sollen die innovativen Steuerungen keinen Mehraufwand oder Einbußen an Komfort mit sich bringen. „Niemand müsste seine Gewohnheiten ändern“, betont Kumm, die außerdem dafür plädiert, die „Teilnahme“ am Versorgungssystem fair zu vergüten.

Das Smart Energy Lab soll über Jahre hinweg als Versuchsplattform dienen, um Steueralgorithmen für diese komplexe Aufgabe zu testen. Nimmt man Wärmeerzeuger unterschiedlicher Hersteller, verschiedene Speichersysteme, Gebäudegrößen und Nutzergewohnheiten sowie mehrere Steuerungsvarianten in den Versuchsaufbau auf, ergibt sich eine riesige Zahl an möglichen Konfi gurationen, die die Forschenden in Stuttgart auf ihren Nutzen für das Gesamtsystem hin untersuchen wollen. Und das alles unter Realbedingungen. Das Smart Energy Lab wird auf dem Campus Vaihingen während der Versuchszeiträume eine Nutzfl äche von bis zu 5.000 Quadratmetern mit Energie versorgen, unterstützt von einem redundanten Heizsystem, das außerhalb der Versuchszeitreihen die Versorgung übernimmt. Vorgesehen ist unter anderem ein Wärmespeicher mit einem Volumen von etwa 70 Kubikmetern. Am Ende sollen möglichst robuste, intelligente Steuerungen stehen.

„Gebäudescharfe“ Prognosen

Welcher Vielzahl an Herausforderungen sich die Forscher hierbei stellen müssen, offenbart sich erst auf den zweiten Blick. Die Steuerung beruht zunächst einmal auf Lastprognosen für das Gebäude. Das heißt, dass das System eine „Vorstellung“ davon bekommen muss, wie der Wärmeverbrauch der nächsten Stunden und Tage aussehen wird. Außerdem muss es – etwa beim Einsatz einer Pho tovoltaikanlage – abschätzen, wie sich die Stromerzeugung entwickelt. Und all das soll praktisch „gebäudescharf“ geschehen, also nicht etwa über eine Region hinweg betrachtet. Die Steuerungen müssen daher so lernfähig ausgestattet sein, dass sie individuelles Nutzerverhalten und das Wetter mit den Bedürfnissen des übergeordneten Stromnetzes vereinbaren können.

Wer bezweifelt, dass dezentrale Wärmespeicher einen nennenswerten Beitrag zur Energiewende und zur Netzstabilisierung leisten können, dem hält Julia Kumm einige wenige Zahlen entgegen: Ein Drittel des deutschen Endenergieverbrauchs wird in den Sektoren Haushalt und Gewerbe, Handel, Dienstleistung für Wärmeerzeugung verursacht. Bislang werden hierfür zu rund 80 Prozent konventionelle Energieträger verwendet, wohingegen die Bundesregierung bis 2050 einen „nahezu klimaneutralen Gebäudebestand“ anstrebt. Viel Spielraum also für kluge Steuerungssysteme, die auf Basis Künstlicher Intelligenz zur Energiewende beitragen.

„Ich finde vor allem die interdisziplinären Fragestellungen spannend“, verdeutlicht Julia Kumm, die seit rund vier Jahren am IER forscht, den Reiz ihrer Arbeit. Sie sieht darin eine sehr praxisnahe Anwendung Künstlicher Intelligenz: Die Steuerung „erspürt“ in Echtzeit, was im angeschlossenen Haus passiert und bringt diese Erkenntnisse mit dem weitverzweigten und hochkomplexen Netz überein. Der genaue Starttermin des Smart Energy Labs steht noch nicht fest. Erste Komponenten sollen jedoch noch 2019 in den Testbetrieb gebracht werden.

Jens Eber

Prof. Dr.-Ing. Kai Hufendiek
Leiter des Instituts für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart
Abteilung Energiemärkte & Intelligente Systeme (EI)

Dr.-Ing. Julia Kumm
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart
Abteilung Energiemärkte & Intelligente Systeme (EI)

Experten-Profil Kai Hufendiek

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin, Forschungspublikationen

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