Modellprojekt ESM-Regio: Optimierung des Energiesystems über Sektorkopplung

Die Reduktion des Primärenergieeinsatzes und der Treibhausgase sind zentrale Ziele der Energiewende. Allerdings reicht die Umstellung von fossilen auf regenerative Energieträger nicht aus, um sie zu erreichen. Eine übergreifende Betrachtung und Optimierung der unterschiedlichen Sektoren des Energiesystems – Elektrizität, Gas, Wärme und Verkehr – kann die Weiterentwicklung des Energiesystems in Deutschland wesentlich vorantreiben. Potenziale bestehen vor allem auf der regionalen Ebene.

Ziel des Projekts ESM-Regio – kurz für „Mehrsektorale gekoppelte Energiesystemmodellierung auf regionaler Ebene" – ist es, ein zeitlich hochaufgelöstes Energiesystemmodell in der Größenordnung von Landkreisen zu erstellen, das die vier Sektoren Elektrizität, Gas, Wärme und Verkehr sowie die benötigten Schnittstellentechnologien berücksichtigt. Ein wesentliches Merkmal des Vorhabens besteht in einer sektorübergreifenden Modelllogik. Geeignete Simulationsverfahren ermöglichen eine ganzheitliche Analyse und Optimierung des Systembetriebs unter Betrachtung der vier maßgeblichen Sektoren des Energiesystems.

Für einen hohen Realitätsbezug wird das Modell für eine beispielhafte Region entwickelt und erprobt. Beispielregion ist die Stadt und Teile des umgebenden Landkreises Bayreuth. Für sie stehen Daten, Ausbauszenarien und realistische Fragestellungen zur Verfügung beziehungsweise können durch die Projektpartner erarbeitet werden. Gleichzeitig besitzt diese Region eine zentrale Struktur aus Stadt und umgebendem Land sowie nennenswerte Anteile von Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) und Industrie. Des Weiteren ist die Region ohne Einflüsse wie angrenzende Großstädte. Die komponentenbasierte Modellstruktur des Projekts ermöglicht die Übertragbarkeit auf andere Regionen.

Worum geht es beim Projekt ESM-Regio?

Das Projekt ist die Fortsetzung von Projekten zur Systemanalyse Bayern, die durch mehrere Unternehmen und den Freistaat Bayern gefördert wurden und ihren Ursprung im Energiecampus Nürnberg (EnCN) hatten, sowie dem Projekt KOSiNEK (Kombinierte Optimierung, Simulation und Netzanalyse des elektrischen Energiesystems Deutschlands im europäischen Kontext), das im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung gefördert wurde."

Das vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Projekt ESM-Regio hat eine Laufzeit von drei Jahren und ein Volumen von rund 1,85 Mio. Euro. Es wird koordiniert vom Lehrstuhl für Informatik 7 der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Als wissenschaftliche Partner beteiligt sind von Seiten der FAU der Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik (EVT), der Lehrstuhl für Wirtschaftsmathematik (EDOM) und die Juniorprofessur für Energieinformatik (EINF) sowie das Institut für Hochspannungstechnik, Energiesystem- und Anlagediagnose der Hochschule Coburg (IHEA). Industrielle Partner sind die Energieagentur Nordbayern, Nürnberg und Kulmbach (EAN), die Stadtwerke Bayreuth als Regionales Energieversorgungsunternehmen (SB) sowie der Cluster Energietechnik der Bayern Innovativ GmbH .

Für Prof. Christian Weindl, Leiter des Instituts für Hochspannungstechnik, Energiesystem- und Anlagediagnose der Hochschule Coburg (IHEA) ist das Projekt ESM-Regio wegweisend: „ESM-Regio liefert wichtige Basisinformationen zum sektorenübergreifenden Energieaustausch und versetzt uns in die Lage, eine gesamtenergetische und somit ressourcenschonende Optimierung unseres Energiebedarfs und des notwendigen Netzausbaus zu erreichen. Die hierbei zu entwickelnden flexiblen Berechnungsverfahren und Simulationsmethoden bilden eine der Voraussetzungen für die hohen Ziele der Energiewende.“

Dr. Rainer Seßner, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH begrüßt den Start des Projekts in Stadt und Landkreis Bayreuth: „Wir freuen uns, dass Bayern Innovativ das Projekt ESM-Regio unterstützen kann. Mit unseren branchenübergreifenden Netzwerken in den Spezialisierungsfeldern Digitalisierung , Energie , Gesundheit , Material und Produktion sowie Mobilität können wir alle relevanten Akteure für die Sektorkopplung zusammenführen und Innovationen beschleunigen.“

Projektkoordinator Prof. Reinhard German, Inhaber des Lehrstuhls für Rechnernetze und Kommunikationssysteme und Zweitprofessor an der Monash University in Melbourne, Australien: „Die Forschungsförderung ermöglicht es uns, ein neuartiges Simulationsmodell zu erstellen, das die übergreifende Steuerung und Optimierung der vier wichtigsten Sektoren des Energiesystems abbildet und dadurch signifikante Einsparpotentiale ermitteln kann. Es freut mich besonders, dass neben starken wissenschaftlichen Partnern mit den Stadtwerken Bayreuth, der Energieagentur Nordbayern und Bayern Innovativ sehr relevante Industriepartner beteiligt sind und damit der Realitätsbezug gesichert ist. Dies ist auch eine hervorragende Grundlage, die Ergebnisse auf andere Regionen zu übertragen.“

Prof. Marco Pruckner, Juniorprofessor für Energieinformatik am Lehrstuhl Informatik 7 der FAU freut sich ebenfalls über den Projektstart: „Im Projekt ESM-Regio werden wir ein umfassendes Werkzeug für die Evaluierung von Sektorkopplungsmechanismen auf regionaler Ebene mit einem hohen Realitätsbezug entwickeln. Dabei widmet sich die Juniorprofessur dem Verkehrssektor, um die Mobilitätswende und die damit verbundene Systemintegration von Elektrofahrzeugen in verschiedensten Bereichen voranzutreiben."

Prof. Alexander Martin, Inhaber des Lehrstuhls für Wirtschaftsmathematik und Institutsleiter des Fraunhofer IIS: „In ESM-Regio kommt ein Verfahren zur lernenden Optimierung zum Einsatz, das benötigte Randbedingungen aus detaillierteren Simulationsmodellen für die sektorenübergreifende Steuerung ableitet. Durch die kontinuierliche Abgleichung mit der realen Infrastruktur und den dazugehörigen Daten der Beispielregion Bayreuth bei der technisch-algorithmischen Entwicklung wird ein Tool geschaffen, das sich agil in anderen Regionen Deutschlands einsetzen lässt. Es freut mich sehr, dass wir hiermit einen wichtigen Beitrag für den Aufbau dezentraler nachhaltiger Energiesysteme leisten können.“

Jürgen Bayer, Geschäftsführer der Stadtwerke Bayreuth ist gespannt, welche Ergebnisse das Forschungsprojekt liefern wird: „Die Verteilnetzebene unter die Lupe zu nehmen, ist für das bundesweite Stromnetz enorm wichtig. Denn hier warten große Herausforderungen: Ein Megathema ist bereits heute die E-Mobilität, die nicht zulasten der Versorgungssicherheit gehen darf. Und schon bald wird grüner Wasserstoff seinen Platz in unserem Energiesystem finden. Umso wichtiger ist die ganzheitliche Perspektive des Projekts: Wir müssen die Sektoren Elektrizität, Gas, Wärme und Verkehr zusammendenken – nur so können wir die Energiewende nachhaltig und effizient gestalten. Das wollen wir natürlich auch in Bayreuth tun und wir sind überzeugt, dass uns das Forschungsprojekt entscheidend dabei helfen wird. Aber auch andere Verteilnetzbetreiber sollten hellhörig werden: Das Bayreuther Modell wird sich auf zahlreiche andere Netze übertragen lassen. Wir gehen davon aus, dass der gesamtgesellschaftliche Nutzen von ESM Regio groß sein wird.“