Entwicklung von Energiekonzepten für Städte

Die Energiewende stellt Städte und Gemeinden vor strategische Entscheidungen, die langfristig über Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit und Klimaziele bestimmen. Viele Kommunen haben ihre Wärmeplanung bereits abgeschlossen – doch für ein wirklich zukunftsfähiges Energiesystem lohnt es sich, weiter zu denken und Strom- und Wärmesektor gemeinsam zu betrachten.

Politische Entscheidungsträger und Stadtwerke stehen dabei vor grundlegenden Fragen:

Wie kann unsere Stadt in Zukunft zuverlässig und bezahlbar mit Energie versorgt werden? Welche Technologien bieten unter unseren örtlichen Bedingungen echte Vorteile? Und wie erreichen wir einen möglichst hohen Grad an Unabhängigkeit vom Energiemarkt, ohne wirtschaftlich nachteilige Entscheidungen zu treffen?

Um solche Fragen beantworten zu können, muss das kommunale Energiesystem als Ganzes verstanden und analysiert werden.

Ein Energiesystem verfügt über unterschiedliche Energiequellen. Dazu gehören regenerative Erzeuger wie Photovoltaik und Windkraft. Gleichzeitig bleibt das übergeordnete Netz, in das Ihre Stadt oder Gemeinde eingebunden ist, eine zusätzliche Versorgungsquelle.

Hinzu kommen Konversionstechnologien, die Energie gezielt in eine andere Form überführen können. Elektrolyseure wandeln elektrische Energie beispielsweise in Wasserstoff um, der später über ein Blockheizkraftwerk wieder verstromt werden kann. Dabei entsteht zusätzlich nutzbare Abwärme, die in Wärmenetze oder Speicher integriert werden kann. Für die Wärmeerzeugung stehen – ähnlich wie bei der Langzeitspeicherung – viele Alternativen zur Verfügung, von klassischen Wärmepumpen bis hin zu geothermischen Anwendungen.

Speicher stabilisieren das Gesamtsystem. Batterien dienen typischerweise als Kurzzeitspeicher im Tagesverlauf. Chemische Speicher wie Wasserstoff ermöglichen es, Energie über längere Zeiträume zu halten und saisonale Schwankungen abzufangen. Wärmespeicher können – abhängig von ihrer Auslegung – sowohl kurz- als auch langfristig Energie aufnehmen und abgeben.

Auf Basis Ihrer kommunalen Daten entsteht ein präzises Lastprofil, das die reale Wärme- und Stromnachfrage Ihrer Stadt abbildet. Erst dadurch wird sichtbar, wie das Gesamtsystem über Tage, Wochen und Jahreszeiten hinweg tatsächlich arbeitet.

Die Vielzahl an Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zeigt: Eine Betrachtung einzelner Komponenten genügt nicht – das Verhalten des Gesamtsystems muss verstanden werden.

Für diese komplexe Aufgabe wurde FRESH entwickelt – der Fast Renewable Energy Simulation Hub. FRESH ermöglicht es, eine große Zahl an Energiesystemen zu simulieren.

Die besondere Stärke liegt in der Geschwindigkeit: Dadurch können wir verschiedenste Erzeugungs-, Speicher- und Konversionskonzepte für Ihre Stadt technisch untersuchen und realistische Systemverläufe abbilden. FRESH liefert damit die technische Grundlage für die spätere wirtschaftliche Bewertung – ohne diese im Voraus festzulegen.

Alle technischen Simulationsergebnisse werden anschließend in einer sogenannten Punktewolke dargestellt. Jeder Punkt repräsentiert ein mögliches Energiesystem und ordnet es anhand von Autarkiegrad und Kosten ein. Die Farbgebung zeigt dabei, welche Erzeugungstechnologie dominiert – etwa mehr Windenergie (blau) oder mehr Photovoltaik (rot).

Durch diese Darstellung wird der gesamte Lösungsraum sichtbar. Interessant ist dabei vor allem die Frage, welches Energiesystem vollständige Autarkie zu geringsten Kosten erreicht. Auch für alle anderen Autarkiegrade – sofern keine vollständige Autarkie angestrebt wird – gibt es Kostensieger. Sie liegen auf einer Linie, die einer mathematischen Funktion ähnelt und die Grenze des technisch Machbaren beschreibt. Wir nennen diese Linie die einhüllende Effizienzgrenze.

Eine Erkundung des Raumes um diese Effizienzgrenze herum liefert ebenfalls wertvolle Erkenntnisse. Es existieren Systemstrukturen, die im Kosten-Autarkie-Raum dicht beieinander liegen, aber technologisch stark voneinander abweichen. Dadurch können Sie gezielt nach Systemen suchen, die zu Ihren Rahmenbedingungen passen – etwa Varianten mit wenig Windkraft, wenn in Ihrer Gemeinde nur begrenzte Flächen dafür zur Verfügung stehen.

Wenn sich wirtschaftliche Rahmenbedingungen ändern – beispielsweise Preise oder zukünftige CO₂-Kosten – können die Ergebnisse in Sekunden entlang der Kostenachse neu sortiert werden, ohne die technischen Simulationen wiederholen zu müssen. Dadurch erhalten wir eine komplett neue Punktewolke.

Ergänzend dazu zeigen die Komponentensplines, wie sich Veränderungen einzelner Komponenten – PV-Anlagen, Windkraft, Batterien, Wasserstoffspeicher, Elektrolyseur oder thermischer Speicher – auf Kosten und Autarkie auswirken. Dadurch wird sichtbar, welche Rolle jede Technologie im Gesamtsystem spielt und wo Investitionen besonders effizient sind.

Mithilfe der Punktewolke lässt sich ein System identifizieren, das für Ihre Stadt wirtschaftlich sinnvoll und gleichzeitig zukunftssicher ist. Die letzten Schritte hin zu vollständiger Autarkie sind erfahrungsgemäß besonders kostenintensiv. Die Punktewolke zeigt präzise, ab welchem Punkt ein begrenzter Energiezukauf wirtschaftlicher ist als weitere Investitionen in Erzeugung oder Speicher.

Welcher Autarkiegrad optimal ist, hängt von Verbrauch, Flächen, Kostenannahmen und zukünftigen energiepolitischen Entwicklungen ab. Durch verschiedene Szenarien schaffen wir eine belastbare Grundlage für langfristig robuste politische Entscheidungen.

Ein modernes kommunales Energiesystem ist ein komplexes Zusammenspiel vieler Technologien und muss deshalb als Gesamtsystem simuliert und bewertet werden. Mit FRESH und der Punktewolke machen wir alle technisch und wirtschaftlich sinnvollen Systemvarianten sichtbar und zeigen, welche Struktur für Ihre Stadt langfristig tragfähig ist. So entsteht eine klare, fundierte Entscheidungsgrundlage für eine sichere, wirtschaftliche und zukunftsfähige Energieversorgung.