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Themen: Quartier & Stadt, Sanierung von Siedlungen, Dezentrale Energieerzeugung, Stromnetze, Lastmanagement, Energiesysteme, Wärmenetze & Kältenetze
Innovation: Reallabor: DELTA - Darmstädter Energie-Labor für Technologien in der Anwendung
Schlagworte:

Quintessenz

  • Urbanes Energiesystem verbinden und optimieren
  • Abwärmepotenziale sektorübergreifend nutzbar machen
  • Innovationscluster für neue Geschäftsmodelle etablieren, ausgerichtet an der Energiewende
  • Städtisches Stromnetz unter Einbindung des elektrisierten Nahverkehrs flexibilisieren
  • Regionale Wasserstoffnutzung mit Elektrolyse vor Ort

Städte könnten deutlich energieeffizienter sein: Abwärme beispielsweise, die ungenutzt aus Industrieanlagen strömt, kann Gebäude wärmen und dort fossiles Gas ersetzen. Solche Ideen zur Energieeinsparung will das nun gestartete Reallabor der Energiewende DELTA umsetzen – und damit zunächst das Energiesystem von Darmstadt flexibler und klimafreundlicher machen.

Städte weisen eine hohe Energiedichte sowie verschiedenste komplexe Energieströme auf. Dieses städtische Energiesystem ist deshalb für die deutschen Klimaziele besonders wichtig. Die Energiewende wäre wohl deutlich einfacher, wenn man auf der vielzitierten grünen Wiese starten könnte. Reale Startvoraussetzung ist aber der Bestand an Wohngebäuden, Industrieanlagen, Mobilitätsinfrastruktur, Energienetzen mit vorhandenen Bedürfnissen der Akteure und resultierendem Energieverbrauch. Gibt es eine Methode, solche Energiesysteme so zu optimieren, dass die Städte tatsächlich den nächsten Schritt der Energiewende machen können?

Um diese Frage zu beantworten, haben sich in Darmstadt mehrere Akteure, die bereits erfolgreiche Einzel-Innovationen umgesetzt haben, zum Reallabor DELTA zusammengeschlossen. Darunter große Industrie-Unternehmen, kleine Mittelständler, Start-ups, kommunale Unternehmen und Forschungseinrichtungen; koordiniert von der TU Darmstadt. An deren erfolgreiches Projekt ETA-Fabrik knüpfen die Arbeitspakete des neuen Reallabors an. DELTA (kurz für „Darmstädter Energie-Labor für Technologien in der Anwendung“) soll zum „Schaufenster für die urbane Energiewende durch interagierende energieoptimierte Quartiere“ werden – so der volle Titel des Projekts. Die Ziele sind hoch gesteckt: Als Reallabor will DELTA Vorbildfunktion einnehmen und Ergebnisse gewinnen, die auch auf andere Städte übertragbar sind.

Was sind die Reallabore der Energiewende?

DELTA zählt zu den Gewinnern des Ideenwettbewerbes Reallabore der Energiewende des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Die Reallabore zeigen praxisnah, wie Energiewende funktioniert. Die zukunftsweisenden Projekte betrachten jeweils mehrere Energietechnologien im Zusammenwirken und setzen diese im industriell relevanten Maßstab um. Im 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung sollen sie als innovatives Format in der Förderpolitik die angewandte Forschung in Richtung Praxistransfer ergänzen und die Energiewende voranbringen.

DELTA startet mit sieben Teilprojekten

Dabei verfolgen die Forscherinnen und Forscher ein Bottom-up-Vorgehen in drei Schritten, die sich dem Ziel der CO2-Reduktion unterordnen. Zunächst wollen sie in unterschiedlichen Quartieren Teilprojekte umsetzen, die zur Energieeinsparung beitragen können. Dann wollen sie diese verbinden und optimieren. Um von Anfang an das Optimum im Blick zu behalten und Querschnittaufgaben effizient zu bearbeiten, stehen die sieben Teilprojekte aber schon ab dem ersten Schritt nicht vereinzelt nebeneinander, sondern werden durch ein gemeinsames Projektmanagement wissenschaftlich und technisch verbunden. So erfolgt die Planung in den Teilprojekten von vornherein abgestimmt auf das gemeinsame Ziel einer optimierten städtischen Energieversorgung. Inbetriebnahme und letzte Verbesserungen der quartierübergreifenden Systeme sollen bis zum Ende der Projektlaufzeit 2026 abgeschlossen sein.

Methodisch-Technischer Ansatz des Reallabors der Energiewende DELTA

Methodisch-Technischer Ansatz des Reallabors der Energiewende DELTA

© PTW, TU Darmstadt

Städte bestehen aus vielen einzelnen Quartierstypen. DELTA betrachtet hierbei sowohl industriell wie auch wohnlich geprägte Zwecke. Sie unterscheiden sich zum Beispiel hinsichtlich der Mobilitätsbedarfe, der Energieinfrastruktur, des zeitlichen Verlaufs der Energienutzung sowie der benötigten Nutzenergien. Eine kluge energetische Kopplung dieser Sektoren kann konventionelle Energieträger aus dem Energiesystem verdrängen.

Die Teilprojekte von DELTA beschäftigen sich mit energieoptimierten Wohnquartieren, nutzbarer Industrie-Abwärme, dezentraler Elektrolyse, Flexibilität im Mittelspannungsnetz, emissionsarmer Mobilität sowie nichttechnischen Innovationen. Die Teilprojekte werden dabei ganz real mit Leitungen und Speichern für Wärme, Strom, Gas und Wasserstoff verknüpft und die Netze mit digitalen Methoden betrieben.

Einen ersten Überblick über das Projekt zeigt diese Animation:

14.500 Tonnen CO2 im Jahr einsparen

Das DELTA-Team schätzt, in Darmstadt dauerhaft etwa 14.500 Tonnen CO2 im Jahr einsparen zu können. Das entspricht, grob gerechnet, dem kompletten CO2-Fußabdruck von über 1600 Menschen; also einem Prozent der Darmstädter Bevölkerung. Zusätzlich soll das elektrische Flexibilitätspotenzial um 4,6 MW steigen – und damit eine weitere Dekarbonisierung der Stromversorgung ermöglichen. Diese Flexibilität einzelner Energieerzeuger oder -verbraucher ist nötig, um volatile Quellen wie Wind- und Sonnenenergie ins Netz zu integrieren und ausgleichen zu können, wenn diese besonders viel oder kaum Energie liefern. Insbesondere Speicher wie Batterien oder Wasserstoff sind hier hilfreich. Aber auch Verbraucher, die sich zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausschalten oder ihren Leistungsbedarf verändern, gehören dazu. Etwa eine Ladestation für Elektroautos, die sich dem aktuellen Stromdargebot anpasst.

Skalierungen nach dem Ende der Projektlaufzeit könnten die Einsparungen bis auf 25.000 Tonnen jährlich und das Flexibilitätspotenzial auf bis zu 12 MW anheben.  

Gliederung des Reallabors der Energiewende DELTA

Gliederung des Reallabors der Energiewende DELTA

© PTW, TU Darmstadt

Neben der gesteigerten Energieeffizienz will das Reallabor auch erreichen, dass innovative Geschäftsideen zu wirtschaftlich tragfähigen Geschäftsmodellen werden. Dazu sollen auch die derzeit bestehenden rechtlichen Gestaltungsspielräume ausgeschöpft und mögliche weitere regulatorische Spiel- und Handlungsräume identifiziert werden.

Teilprojekt 1: Energieoptimiertes Wohnquartier

Auf dem Gelände zweier ehemaliger US-Kasernen entsteht mit dem Ludwigshöhenviertel ein neues Stadtquartier für rund 3.000 Menschen. Ziele der Stadt Darmstadt sind ein weitestgehend klimaneutrales Quartier und bezahlbarer Wohnraum.

Abwärme und Geothermie (über ein zentrales Erdsondenfeld) als emissionsarme Wärmequellen sollen energieoptimierte Gebäude ausreichend heizen können. Hilfestellung liefern Wärmepumpen und hybride PVT-Anlagen, die Photovoltaik und Solarthermie verbinden. Die zusätzliche Stromproduktion kann beispielsweise ein Parkhaus mit Batteriespeichern und Lademöglichkeit für E-Autos versorgen. Lokale Betreiber können sich so neue Geschäftsmodelle erschließen, aber auch die Bewohner profitieren von Energiedatenvisualisierung und Sharing-Angeboten.

Energetisch vernetztes sowie energie- und ressourcenoptimiertes Wohnquartier

Teil von DELTA wird auch ein energetisch vernetztes sowie energie- und ressourcenoptimiertes Wohnquartier sein. Energie kommt unter anderem von Solaranlagen.

© ISM+D, TU Darmstadt

In der CO2-optimierten Planung des Quartiers soll nicht nur der Betrieb, sondern auch die Herstellungs- und die Rückbauphase berücksichtigt werden. Der Einsatz kreislaufgerechter Baukomponenten spart ebenso CO2 ein, wie die zentrale Wärmeversorgung. Alle Einzelmaßnahmen aufsummiert ergeben ein CO2-Einsparpotenzial von über 1000 Tonnen im Jahr. Weiterhin bietet die zentrale Wärmeversorgung mit Wärmepumpen sowie der dezentrale Einsatz von PV, Batteriespeichern und Ladeinfrastruktur ein erhebliches Flexibilisierungspotenzial.

Teilprojekt 2: Interagierendes energieoptimiertes Industriequartier

Auf seinem Campus betreibt das Wissenschafts- und Technologieunternehmen Merck viele Wärmeprozesse. Die Wärme aus dem Hochtemperaturwärmenetz – basierend auf einer Druckheißwasserversorgung mit 150 °C – wird derzeit auch für Prozesse im Bereich von 20 bis 90 °C genutzt. Ein eigenes Niedertemperaturnetz kann künftig auch die Wärme aus diesen Prozessen weiternutzen.

Dazu will DELTA thermische Produktionsprozesse verknüpfen, die sich durch wechselnde Aufheiz- und Abkühlvorgänge auszeichnen. Die Abwärme eines sich im Abkühlvorgang befindlichen Prozesses kann in einem parallelen Aufheizprozess genutzt werden. Das reduziert die benötigte Menge an Kühlwasser und macht prozessintern anfallende Abwärme durch Einbindung in das Niedertemperaturwärmenetz prozessextern verfügbar. Durch gebündelte Einzelmaßnahmen wie bedarfsgerecht geregelte Primär- und Sekundärnetze, KI-basierte Betriebsstrategien und dadurch intelligent gesteuerte Pumpen und Übergabestationen soll schließlich der Energiebedarf im Gesamtsystem gesenkt und der Anteil der Abwärmenutzung gesteigert werden.  

Doch die anfallende Abwärme wird nicht zu jedem Zeitpunkt in Prozessen auf dem Industrieareal gebraucht.  Durch eine sogenannte Abwärmeauskopplung über eine Wärmeübergabestation mit Wärmepumpe kann sie an die Fernwärmeversorgung von Wohnquartieren übergeben werden und dort Gebäude und Warmwasser heizen. Das steigert den Nutzungsgrad der industriellen Abwärme noch weiter.

Das Reallabor DELTA soll zeigen, dass auch CO2-minimierte Niedertemperaturwärme wirtschaftlich genutzt werden kann – und zwar innerhalb und außerhalb von Industriequartieren. Das gesamte Maßnahmenpaket birgt ein jährliches Einsparpotenzial von über 10.000 Tonnen CO2, über die Hälfte davon alleine durch die betriebsinternen Effizienz- und Abwärmemaßnahmen. Nach Projektabschluss können die Einsparungen bei entsprechender Skalierung sogar auf 14.000 Tonnen pro Jahr steigen.

Teilprojekt 3: Multi-sektoraler Einsatz von dezentraler Elektrolyse

Als Speichermedium kann Wasserstoff das Energiesystem flexibilisieren (Power-to-Gas). Eine dezentrale Elektrolyse bietet sich dabei zur Kopplung von und mit verschiedenen Sektoren an. Die Projektpartner wollen Potenziale zur Mehrfachnutzung von Elektrolyse im Stadtgebiet nutzen. Da die Wirtschaftlichkeit im Wesentlichen durch die Strombezugskosten dominiert wird, soll in einem ersten Schritt eine Elektrolyseeinheit mit einem Megawatt Leistung am Darmstädter Müllheizkraftwerk errichtet werden. Die Produktionsmenge soll genügend Treibstoff für eine H2-Busflotte liefern.

Die Elektrolyseanlage soll flexibel betrieben werden und überlastfähig sein. Die Nennlast von einem Megawatt, bei der die Anlage optimal läuft, kann diese auch deutlich überschreiten. So würde auch die Wasserstoffproduktion weiter erhöht. In welchem Umfang das möglich und sinnvoll ist, will DELTA ebenfalls herausfinden. Ist mehr Wasserstoff produziert als Speicher und Busse fassen, kann dieser ins Gasnetz eingespeist werden.

Eine Betankungseinheit kann diesen Wasserstoff sowohl als Treibstoff zur Verfügung stellen, als auch Industrieanlagen versorgen. Die Elektrolyseanlage liegt dabei nah an der Heizzentrale und dem neu errichteten Wärmespeicher. So kann ihre Abwärme auf kurzem Weg in das Fernwärmenetz eingebunden werden. Auch der Sauerstoff, der bei der Elektrolyse zusätzlich zum Wasserstoff entsteht, kann die Verbrennungsprozesse im MHKW verbessern. Beides erhöht die Effizienz und reduziert Transportverluste. Zudem soll sich der Einsatz der Anlage am Strompreis orientieren. So läuft die Elektrolyse mit Strom, wenn ein hohes Angebot an Wind- und PV-Strom die Preise an der Strombörse senkt. Damit trägt die Anlage zur Integration erneuerbarer Energien bei. Insgesamt spart die Wasserstoff- und Abwärmenutzung fast 1100 Tonnen CO2 im Jahr ein.

Im zweiten Schritt wird eine Erweiterung der Elektrolyseeinheit auf eine Leistung von 6 MW untersucht. Durch eine ergänzende CO2-Abscheidung am MHKW oder an einer Biogasanlage würde dann ein CO2-H2-Fermentationsprozess für Chemikalien der Grundstoffindustrie ermöglicht.Damit wäre der Grundstock dafür gelegt, künftig Kohlenstoff in einem Wirtschaftskreislauf zu führen, anstelle immer weitere klimawirksame Gase zu emittieren. Eine Maßnahme verknüpft so die vier verschiedenen Sektoren Elektrizität, Wärme, Verkehr und Industrie.

Teilprojekt 4: Energieflexibles Fahrzeugdepot

Der öffentliche Nahverkehr Darmstadts wird aktuell durch die Einführung von Elektrobussen dekarbonisiert – im Rahmen von DELTA wird dieser Prozess zusätzlich vorangetrieben und unterstützt. Dabei steht nicht nur die Elektrifizierung im Vordergrund, die Projektpartner wollen vor allem nachweisen, dass die beachtliche elektrische Flexibilität der Busflotte weiteren Zusatznutzen generieren kann, indem sie zum Beispiel Lastspitzen im Netz des Betriebshofs und im zuführenden Verteilnetz glättet.

Durch die Aufrüstung der vorhandenen Ladeinfrastruktur im Betriebshof wird im Projekt auch bidirektionales Laden/Entladen ermöglicht, das heißt elektrische Energie kann nicht nur in die Busse geladen, sondern auch aus diesen entnommen werden. So lassen sich Spitzenlasten abfedern. Zunächst sind 450 Kilowatt zu- oder abschaltbare Lade- und Entladeleistung geplant.

Ebenfalls untersucht wird der „Betriebshof der Zukunft“, der einen weiter optimierten ÖPNV ermöglicht. Hierbei werden neben dem elektrischen Laden auch Betriebsstrategien für den ÖPNV adressiert und im Rahmen eines umfassenden Planungs- und Simulationsmodells zusammengeführt. Dieses Modell soll die Entwicklung und den zukünftigen Aufbau eines Betriebshofs in Darmstadt unterstützen, der deutschlandweit als Beispiel für einen nachhaltigen und intelligenten ÖPNV dienen kann.

Teilprojekt 5: Flexible urbane Mittelspannungsnetze

Elektrofahrzeuge und eine flexible und dabei vor allem aber auch emissionsarme Energieversorgung von Quartieren werden die Mittelspannungsnetze in Städten künftig auf die Probe stellen. Die Netze müssen die volatile Einspeisung aus erneuerbaren Energien über Flexibilität in Form von Speichern und flexiblen Verbrauch koordinieren. Eine rasche und effektive Laststeuerung ist für den kostengünstigen und ausfallsicheren Netzbetrieb essentiell.

DELTA wird deshalb die Subsidiarität von urbanen Mittelspannungsnetzen testen. Bei lokalen Engpässen können Quartiersspeicher eingreifen. Ferner lässt sich mithilfe der Zustandsschätzung ein intelligenter Betrieb der Netze realisieren. Die Forscherinnen und Forscher wollen aber auch neue Netzformen untersuchen, bei denen benachbarte Teilnetze mit zusätzlichen Leitungen verbunden werden. Wird das Mittelspannungsnetz im Nachbarquartier inhomogen belastet, kann durch eine stärkere Vermaschung die Flexibilität und Robustheit der Stromversorgung insgesamt erhöht werden. Dies führt dazu, dass die Netze hohen Belastungen standhalten, etwa wenn es um die Schnellladung von Elektrobussen geht.

Urbanes Straßenbahnnetz als geteilte Infrastuktur für ÖPNV und Elektromobilität

Urbanes Straßenbahnnetz als geteilte Infrastuktur für ÖPNV und Elektromobilität

© ISM+D, TU Darmstadt

Die Projektpartner wollen dazu die bestehende Netzinfrastruktur so effizient wie möglich nutzen. So ist beispielsweise die Verwendung des Straßenbahnstromnetzes für Schnellladeinfrastruktur denkbar. Ein Quartiersspeicher liefert weitere 250 Kilowatt Lade- bzw. Entladeleistung, um die Flexibilität weiter zu steigern.

Teilprojekt 6: Ressourcenschonung durch Urbane Sharing Modelle

DELTA betrachtet nicht nur technische Innovationen, die beispielsweise Netze effizienter auslasten. Ein großes Einsparpotenzial bietet auch die „Sharing Economy“, also eine gesellschaftliche Bewegung, die die gemeinsame Nutzung von energieintensiv herzustellenden Gütern als Prinzip verfolgt, um klimaschädliche Emissionen zu vermeiden. Denkt man zum Beispiel an E-Roller, leuchtet schnell ein, dass wenige vorgehaltene Geräte für viele Menschen ausreichen; das spart Ressourcen bei der Herstellung und erhöht die Nutzungsquote.

Ein „Sharing-Hub“ auf der Lichtwiese TU Darmstadt und zwei weitere „Sharing-Points“ im Stadtgebiet von Darmstadt dienen als zentrale Treffpunkte und Übergabeorte für digital vereinbarte physische Sharing-Prozesse, zum Beispiel als Standort, an dem technische Geräte zur Entleihe zur Verfügung stehen. Zudem konzentrieren sie Dienstleistungsangebote, und ermöglichen als Mobilitätsknoten beispielsweise Fahrgemeinschafts-Projekte, mit denen Verkehrsaufkommen und -emissionen sinken.

Teilprojekt 7: Technology Scale-up

DELTA bindet auch Start-ups ein, deren Innovationen zum Projektziel passen und dieses mit frischen Ideen voranbringen. Die Firma Kraftblock hat beispielsweise einen Wärmespeicher entwickelt, der als größere Heizzentrale Abwärme nutzen und somit Erdgas für mehrere Wohneinheiten ersetzen kann. Bislang fehlte den Gründern die Möglichkeit, den Speicher im realen Umfeld zu demonstrieren; im Rahmen von DELTA soll der Sprung in die breite Umsetzung gelingen.

Weitere Innovationen sind ein intelligenter Fenstergriff, der den Erdgasbedarf in Altbauten um 20 Prozent senken soll, und ein intelligentes Heizkörperthermostat, das die benötigte Heizenergie von Schulen oder Rathäusern um über 30 Prozent reduzieren soll.

Drei Cluster bündeln die übergreifenden Aufgaben

Weitere Arbeiten von DELTA sind in drei Clustern organisiert, die Querschnittsaufgaben aus den Teilprojekten bündeln. Sie fassen die Aspekte der Digitalisierung zusammen, werten die Projektfortschritte aus und dienen der Information und Ergebnisverbreitung.

Projektkonsortium des Reallabors der Energiewende DELTA

Projektkonsortium des Reallabors der Energiewende DELTA

© ISM+D, TU Darmstadt

Das Cluster „Energie-Daten“ soll neue Digitaltechnologien einsetzen, etwa zur Messung und Optimierung der Teilprojekte oder auch zur Koordination der Energieteilsysteme. Das Cluster „Energie-Innovationen“ entwickelt und sammelt Best-Practice-Beispiele im Umgang mit beteiligten Stakeholdern, untersucht das vorliegende Innovationsökosystem, also die Entstehung von Innovationen durch das Zusammenwirken der heterogenen Stakeholder, und schließlich auch den Gesamterfolg unterschiedlicher Quartiersmaßnahmen. Am Ende soll eine integrierte Methode zur Energiesystemplanung entstehen.

Das dritte Cluster bildet die „Energie-Akademie“. Hier sollen alle Akteure zusammenkommen. Nicht nur die Projektpartner, sondern auch interessierte Unternehmen, Anwender und die interessierte Öffentlichkeit, die einen Blick auf die Zukunft der Energiewende werfen will. Hier stellen die Beteiligten ihre Ergebnisse vor, zeigen anschauliche Best-Practice-Beispiele und diskutieren die nächsten Schritte im Projekt.(pj)

Letzte Aktualisierung: 20. Mai 2021

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