Sektorenkopplung braucht politische Leitlinien - auch für Gebäude und E-Mobilität

Die Energiewende nimmt Fahrt auf. Noch aber fehlen gemeinsam gültige Datenmodelle für den Informationsaustausch zwischen den Sektoren. Gebäude- und E-Fahrzeuge sind bisher zwar über einige Normen vernetzt, als digitale Normen könnten sie künftig aber auch einen zentralen Beitrag zur Kopplung dieser Sektoren bei der Stromnutzung leisten. VDE, DKE und DIN haben mit dem Konzept der SMART Standards eine Lösung vorgelegt.

Herausforderung: Smart Cities von fossilen Emissionen befreien

Auf den Verkehrssektor entfallen 32 Prozent und auf private Haushalte 26 Prozent des Endenergieverbrauchs. Rechnet man die überwiegend in Gebäuden oder mit Fahrzeugen erbrachten Leistungen des Handels sowie von Gewerbe und Dienstleistungen mit 14,5 Prozent hinzu, entfallen rund zwei Drittel des Energieverbrauchs auf Gebäude und Fahrzeuge. Der bisherige Anteil fossiler Energieträger liegt in diesen Sektoren bei über 90 Prozent. In Gebäuden werden 83 Prozent des Energieeinsatzes für Heizung und Warmwasserbereitung benötigt.

Um die Ziele der Energiewende zu erreichen, ist die Substitution mit erneuerbaren Energien durch direkte Stromnutzung in Wärmepumpen (Power-to-Heat), Power-to-Gas (Methan, Erdgas) sowie Fernwärme erforderlich. Hier wird die Sektorenkopplung einen wichtigen Beitrag leisten, den Wärmemarkt – vor allem in Städten – von den fossilen Energien und damit von CO2-Emissionen zu befreien.

Die Sektorenkopplung im Wärmemarkt behandeln wir allerdings in einem eigenen Beitrag über Industrie. Hier betrachten wir nachfolgend nur die Sektorenkopplung zwischen Gebäuden und E-Fahrzeugen für den Strommarkt.

Potenzielle Rolle für lokale Netzstabilität und Versorgungssicherheit

Aufgabe der Sektorenkopplung ist es, die volatile Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien auszugleichen und sie effektiv zu nutzen. Millionen von kleinen und großen Kraftwerken sollen mit den Energieabnehmern so vernetzt werden, dass sie digital und weitgehend automatisiert Angebot und Nachfrage nach Energie managen. Bei einem hohen Stromangebot mit geringerer Nachfrage sollen Speichertechnologien den Strom aufnehmen und ihn bei Dunkelflaute wieder einspeisen.

Damit das gelingt, steht im Zentrum der Sektorenkopplung zwischen Gebäuden und E-Fahrzeugen die datentechnische und energetische Kopplung. Gebäude, die mit einer Kraft-Wärme-Kopplung sowie einer Photovoltaikanlage und einem Stromspeicher ausgestattet sind, könnten gemeinsam mit Fahrzeugbatterien im Stromnetz der Zukunft eine lokal wichtige Rolle für die Netzstabilität und Versorgungssicherheit in Smart Cities spielen.

Gebäude werden effizienter und zu Stromproduzenten

Der Auf- und Ausbau der erneuerbaren Energien im Gebäudesektor wird sich in den nächsten Jahren stark beschleunigen. Die Technologien dafür sind vorhanden: Photovoltaik und Brennstoffzellen sowie Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit grünem Wasserstoff oder aus Strom erzeugtem Methan.

Um einen hohen Eigenstromanteil zu nutzen, werden Gebäude mit Speichertechnik (z. B. thermische Speicher über Wärmepumpe oder Batterien) ausgestattet. Nur so lässt sich die volatile Stromproduktion erneuerbarer Energien effizient nutzen und an den ebenfalls volatilen Energiebedarf im Gebäude angleichen. Parallel steigern Ingenieur*innen die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen. Mittlerweile können PV-Module auch in Fassaden und bald auch schon in Fenstern integriert werden.

Damit ist absehbar, dass einige Immobilien, je nach Nutzung, künftig mehr Energie produzieren könnten als die Bewohner*innen selbst verbrauchen. Das Modellprojekt „Aktiv Stadthaus“ der ABG Holding Frankfurt zeigt, dass dies bereits heute möglich ist.

Was passiert mit dem Strom in E-Fahrzeugen, wenn diese tagelang parken?

Diese Entwicklung ist ideal für die Elektromobilität, denn auch die beschleunigt sich. 2021 wurden 350.000 batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) neu zugelassen. 2022 könnten es 450.000 sein. Der Anteil bei den Kfz-Neuzulassungen von batterieelektrischen Fahrzeugen lag im April 2022 bei zwölf Prozent; hinzu kam die gleiche Anzahl an Hybridfahrzeugen. Bei monatlichen Zulassungszahlen von über 60.000 BEV-Fahrzeugen mit einer modernen Batterie werden bereits 2024 über eine Millionen E-Fahrzeuge auf deutschen Straßen unterwegs sein. Zumindest theoretisch, denn ein Pkw parkt rund 22 Stunden am Tag. Verschiedene Studien in Europa kamen unabhängig voneinander zu diesem Ergebnis.

Hier ist die Frage berechtigt, wie der in E-Fahrzeugen gespeicherte Strom netzdienlich genutzt werden kann. Die Herausforderung liegt neben den Fahrzeugherstellern in der bidirektionalen Ladetechnik. Und auch bei den heute vorliegenden und künftigen Normen besteht Handlungsbedarf.

Smart Buildings und E-Mobilität müssen Energieflüsse managen

Übertragen auf die beiden Sektoren Gebäude und E-Mobilität bedeutet Sektorenkopplung, dass die Akteure (Anlagen und Batteriespeicher) auf ihrer lokalen Ebene die Verwendung des gerade produzierten und gespeicherten Stroms aushandeln. Dafür müssen Gebäude- und Fahrzeugtechnik interoperable Datenmodelle entwickeln, über die sie einen Informationsaustausch vornehmen können. Die Grundlagen für die Kopplung von Stromnetz und Ladestationen beschreibt die Normenreihe IEC 61851. Zudem schafften das „Smart Grid Architecture Model“ (SGAM) und die Norm IEC 61850 die Grundlagen, dass Netzbetreiber und Erzeuger erneuerbarer Energien das schwankende Stromangebot aus PV- und KWK-Anlagen und den Strombedarf in eine Balance bringen können.

Über ein Smart Meter Gateway (SMGW) erfolgt die Steuerung am Netzanschlusspunkt beim Endkunden. Im Zentrum stehen hier bereits der bidirektionale Datenaustausch und die Interoperabilität zwischen den Akteuren und ihren technischen Instanzen. Aber für die Ziele einer digitalen und weitgehend automatischen Selbstregulierung der Sektoren fehlt ein entscheidender Entwicklungsschritt. Dafür müssen die Normen digitalisiert und zu SMART Standards werden, über die alle beteiligten Akteure die erforderlichen Daten austauschen können.

Industrie 4.0 unterstützt mit Verwaltungsschale Sektorenkopplung

Die Grundlagen für die Erfüllung dieser Anforderungen sind bereits erarbeitet. Mit der Verwaltungsschale hat die Plattform Industrie 4.0 ein Modell vorgelegt, mit dem eine datentechnische Repräsentanz von physischen und virtuellen „Dingen“ als „Digitaler Zwilling“ möglich ist. Ihre Architektur arbeitet mit Teilmodellen, mit denen jeder Akteur im Strommarkt (Anlagen, Speicher, Stromverbraucher) Information über sich wie Ladestände, Strombedarf oder Verbrauch und Zustandsdaten sowie Normen integrieren kann.

Über die Verwaltungsschale beziehungsweise den digitalen Zwilling ist es möglich, dass Anlagen und Speicher miteinander Informationen über Angebot und Nachfrage von Strom austauschen. Die Kommunikation in der Verwaltungsschale arbeitet mit internationalen Standards und mit einheitlicher Semantik. Die Normenreihe IEC 63278, die die Verwaltungsschale festlegt, wird aktuell im IEC/TC 65 erstellt. VDE, DKE und DIN haben sie maßgeblich vorbereitet und mitgestaltet.

SMART Standards werden „Teilmodell Norm“ in der Verwaltungsschale

Die Verwaltungsschale kann man sich als „Hardware“ vorstellen, die in jeden Akteur (Anlage, Speicher) integriert ist. Dort sammelt sie Informationen und stellt sie für das Netz bereit. Anlagen teilen aufgrund der Wetterdaten die prognostizierte Strommenge in den nächsten 24 Stunden mit. Speicher melden ihre Kapazität, E-Fahrzeuge aus den Nutzerdaten die berechnete Stromnachfrage in den kommenden Tagen. Alternativ registrieren die Besitzer ihre Fahrzeugbatterie für einen frei definierbaren Zeitraum als netzdienlich.

Diese Kommunikation braucht aber auf Seiten der unterschiedlichen Normenreihen eine Schnittstelle für den Datenaustausch. Und diese „Software“ bietet das „Teilmodell Norm“ in der Verwaltungsschale. Daran arbeiten die Fachleute von VDE, DKE mit dem DIN in IDiS (Initiative Digitale Standards). Ihre Zielvorstellung über die Digitale Norm der Zukunft ist, dass diese „alle relevanten Informationen für eine Normungs- und Standardisierungsaufgabe“ umfasst und „diese in einer für die Anwendung passenden Weise und Umfang bereit“ stellt. „Sie kann sowohl von Menschen als auch von Maschinen initiiert, erstellt, aufbereitet, umgesetzt und angepasst werden.“ Die Idee ist also, eine neue „Norm für die Normung“ zu etablieren. Der Arbeitstitel des Projekts ist SMART Standards. Das Akronym SMART setzt sich zusammen aus Normen (Standards), deren Inhalte für Maschinen anwendbar, lesbar (Readable) und übertragbar (Transferable) sind.

Automatisierung der Sektorenkopplung über SMART Standards

Nach Vorstellung von IDiS werden SMART Standards künftig die Informationen einer Norm mit Ausführungs- und Anwendungsinformationen verknüpfen, sodass diese von Maschinen direkt ausgeführt oder interpretiert und mit anderen Informationsquellen kombiniert werden, sodass komplexe Handlungen und Entscheidungsprozesse automatisiert durchgeführt werden können.

Für die Sektorenkopplung bedeutet dies, dass beispielsweise als netzdienlich angemeldete Speicheranlagen von Gebäuden und E-Fahrzeugen von Verteilnetzbetreibern genutzt werden dürfen, um regionale Lastspitzen auszugleichen. Die in der Verwaltungsschale hinterlegten Daten und Normen des Speichers sowie des Netzes handeln aus, wie sie interagieren und dabei die Normen der jeweiligen Technik beachten.

Standards fehlen auf Hardware-Ebene der Hersteller

Bis das eben skizzierte Szenario Wirklichkeit wird, sind allerdings einige Hürden zu überwinden. Hersteller sind dafür bekannt, dass sie Informationen nicht gerne teilen. Tesla gibt mittlerweile nicht einmal mehr die Leistung seiner Fahrzeuge an. Zudem versuchen viele Akteure im Energie- und Automotivmarkt, eigene Standards zu etablieren, um sich Marktvorteile zu verschaffen. Das ist legitim, sofern dabei nicht Gemeinwohlinteressen tangiert sind.

Bisher schließen sowohl die E-Fahrzeug- als auch die Batteriehersteller das bidirektionale Laden und die Netzdienlichkeit ihrer Speicher aus. Global betrachtet ist es bisher auch nicht möglich, sich auf einen gemeinsamen Stecker für Ladesäulen und Fahrzeuge zu einigen. Bis heute gibt es vier Steckertypen: Typ 1, Typ 2, CCS und CHAdeMO. Tesla hat für seine Supercharger ein weiteres Steckersystem. Immerhin scheint sich hierzulande der Typ-2-Stecker als europäischer Standard durchzusetzen. Der im asiatischen Markt verbreitete CCS-Stecker will aber hierzulande auch noch eine Rolle spielen.

Politische Leitlinien müssen Silodenken überwinden

Hier ist die nationale und internationale Politik gefragt. Die EU und vor allem Deutschland sollten Vorreiter sein und die Industrie zur Mitwirkung motivieren. Die Sektorenkopplung ist ein Vorhaben, ohne das die Energiewende kaum gelingen wird. Die Akteure in Politik und Wirtschaft müssen das Silodenken überwinden, das in den Sektoren bisher praktiziert wird.

Die Normungsgremien von DKE und DIN haben die Notwendigkeit erkannt, dass sich alle aufeinander zubewegen müssen. Normen könnten in den kommenden Jahren als SMART Standards einen wichtigen Beitrag dazu leisten, dass der Daten- und Informationsaustausch sektorübergreifend automatisiert organisiert werden kann.

Allerdings wird auch immer deutlicher, dass es für die Umsetzung der Sektorenkopplung klare politische Leitlinien geben muss. Nur so kommt Bewegung und Dynamik in die Energiewende.

Mehr zur Sektorenkopplung:

Dieser Fachbeitrag gehört zu einer Artikelserie zur Bedeutung der Sektorenkopplung für die Energiewende.

Die Artikelserie setzt sich mit der Frage auseinander, wie die hierfür erforderliche Flexibilität ins Energiesystem gebracht werden kann.

SMART Standards spielen hierbei eine zentrale Rolle und werden unter anderem die Kopplung der Sektoren Energy & Infrastructure und Gebäude & Mobilität sowie mit der Industrie ermöglichen.

Mehr Informationen erhalten Sie auf dem Innovation Campus am 28. Juni.
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