Über
Plus-Energie-Regionen (Positive Energy Districts) und Plus-Energie-Nachbarschaften (Postive Energy Neighbourhoods) sind ein integraler Teil eines umfassenden Ansatzes zur nachhaltigen Stadtentwicklung, inklusive Technologie, räumlicher, regulatorischer, finanzieller, rechtlicher, sozialer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte bei gleichzeitiger Optimierung dreier Schwerpunkte: Energieeffizienz, Energieflexibilität, und Energieerzeugung in Richtung Autarkie und Überschussproduktion. Richtlinien für die Identifizierung der geografischen und virtuellen Grenzen von PEDs sind aktuell in Diskussion, eine gemeinsame europäische Definition in Vorbereitung.
Ein Referenzrahmen für Plus-Energie-Regionen und -Nachbarschaften ist im Weißbuch „White Paper on PED Reference Framework“ wie folgt geschaffen: Energieeffiziente und energieflexible städtische Gebiete bzw. Gebäudegruppen welche netto null CO2 emittieren und aktiv die jährliche lokale oder regionale Überschussproduktion von erneuerbaren Energiequellen managen. Sie benötigen die Integrierung von verschiedenen Systemen und Infrastrukturbereichen, und die Interaktion zwischen Gebäuden, Nutzern und den regionalen Energie-, Mobilitäts- und ICT-Systemen, bei Sicherung der Energieversorgung und ein gutes Leben für alle im Sinne von sozialer, ökonomischer und umweltrelevanter Nachhaltigkeit.
Der SET-Plan, von der Europäischen Union in 2008 übernommen und im Jahr 2015 überarbeitet, ist ein erster Schritt für die Etablierung einer europäischen Energie-Technologie-Politik, mit dem Ziel die Generierung von Wissen sowie den Transfer und die Übernahme von Technologien zu beschleunigen um Umwelt- und Klimaschutzziele zu erreichen. Der SET Plan fokussiert auf 10 Schwerpunktbereiche, von welchen unter Thema 3.2 über „Smart Cities und Gemeinschaften“ die Planung, Umsetzung und Vervielfältigung von 100 Plus-Energie-Regionen bis 2025 für eine nachhaltige Stadtentwicklung unterstützt. Diese PED/PENs können sowohl neu erschlossene Stadtteile umfassen, sollen aber auch ambitionierte Lösungen für die Stadterneuerung beinhalten.
Es existieren bereits eine Vielzahl an PED-bezogenen Entwicklungen innerhalb der EU. Eine umfassende Zusammenfassung von bestehenden Beispielen von PED-bezogenen Projekten wurde von JPI in 2020 erstellt. Im Rahmen des INTERACT-Projekts werden best-practice Beispiele von existierenden PED Ansätzen in ausgewählten Ländern untersucht und genauso wie Bedürfnisse der Stakeholder in der lokalen Stromversorgung in die Projektergebnisse integriert.
Energie-Gemeinschaften sind eine neue Form einer sozialen Bewegung, welche partizipativere und demokratischere Prozesse im Energiebereich ermöglicht. Energie-Gemeinschaften involvieren Bürger, öffentliche und private Aktoren in verschiedenen gemeinschaftlichen Energieaktionen um Nutzen für die Gemeinschaft und die Umwelt zu schaffen.
Die Definitionen der Energie-Gemeinschaften hat sich mit der Entstehung von zwei Europäischen Richtlinien entwickelt, und zwar mit der Richtlinie über interne Strommärkte (Internal Electricity Market Directive (EU) 2019/944) und der Richtlinie über erneuerbare Energien (Renewable Energy Directive (EU) 2018/2001).
Im November 2016 hat die Europäische Kommissaion vorgeschlagen, die lokalen Energie-Gemeinschaften definiert als “einen Verein, eine Genossenschaft, eine Partnerschaft, eine non-profit Organisation oder eine andere rechtliche Person, welche effektiv von lokalen Aktionären oder Mitgliedern gesteuert wird, in der Regel wert-orientiert und nicht profit-orientiert, eingebunden in verteilte Stromgeneration und in der Leistung von Aktivitäten eines Netzbetreibers, Versorgers oder Aggregators auf lokalem Niveau, auch grenzübergreifend“. Allerdings blieben die Begriffe „lokale Aktionäre“, „lokale Mitglieder“ und „lokales Niveau“ undefiniert.
Fast ein Jahr später, im September 2017, hat der Rat der Europäischen Union den Vorschlag geändert durch die Definition von Energie-Gemeinschaften als “eine rechtliche Person, welche effektiv kontrolliert wird von Aktionären oder Mitgliedern die natürliche Personen sind, lokale öffentliche Körperschaften inklusive Gemeinden, oder Klein- bzw. Mikro-Unternehmen. Zumindest 51% der Aktionäre oder Mitglieder mit Stimmrecht der rechtlichen Person sind natürliche Personen. Energie-Gemeinschaften können sich in der Stromerzeugung, Verteilung, Versorgung, Eigenverbrauch oder Energieeffizienzmaßnahmen engagieren, genauso wie in der Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen, oder der Zurverfügungstellung von anderen Dienstleistungen für ihre Aktionäre oder Mitglieder“. Diese Definition verwässert die geografischen Grenzen der lokalen Energie-Gemeinschaft durch das Erlauben der Teilnahme von nicht-lokalen natürlichen Personen sowie Klein- und Mikrounternehmen in der Energie-Gemeinschaft.
Im April 2019 hat der Rat der Europäischen Union seine Definition der Energie-Gemeinschaft angepasst, indem sie diese auf die regionale Energie-Gemeinschaft umbenannten, welche „eine rechtliche Person ist, die:
a. auf freiwilliger und offener Beteiligung basiert und effektiv durch Mitglieder oder Aktionäre kontrolliert wird, welche natürliche Personen, lokale Behörden inklusive Gemeinden oder Kleinunternehmen sind;
b. als primäre Aufgabe verfolgt, dass ökologischer, ökonomischer oder sozialer Nutzen ihren Mitgliedern bzw. Aktionären bzw. der lokalen Region angeboten wird, wo die regionale Energie-Gemeinschaft operiert, anstatt dass finanzielle Profite generiert werden; und
c. sich in der Erzeugung, inklusive jener von erneuerbaren Quellen, Verteilung, Versorgung, Verbrauch, Aggregierung, Energiespeicherung, Energieeffizienzmaßnahmen, oder Ladedienstleistungen für Elektroautos engagiert, oder andere Energiedienstleistungen für ihre Mitglieder oder Aktionäre zur Verfügung stellt”.
Diese Definition ist auch in der finale Richtlinie (EU) 2019/944 inkludiert, welche aktuell in Kraft ist.
Parallel dazu hat die Europäische Kommission das Konzept der lokalen Energie-Gemeinschaft im November 2016 vorgeschlagen ohne eine präzise Definition zur Verfügung zu stellen. Im Dezember 2018 hat die Richtlinie (EU) 2018/2001, welche aktuell in Kraft ist, die Definition der lokalen Energie-Gemeinschat eingeführt als “eine rechtliche Person
a. welche, in Abstimmung mit dem anwendbaren lokalen Recht, auf offener und freiwilliger Beteiligung basiert, autonom ist, und effektiv kontrolliert wird von Mitgliedern oder Aktionären, welche in der Nähe des Projekts über erneuerbare Energie anstämmig sind, welches die lokale Energie-Gemeinschaft besitzt und entwickelt;
b. von welcher die Aktionäre und Mitglieder natürliche Personen, KMUs oder lokale Behörden (inklusive Gemeinden) sind; und
c. von welcher die primäre Aufgabe ist ökologische, ökonomische oder soziale Gemeinschaftsnutzen für ihre Aktionäre oder Mitglieder oder die lokale Region zur Verfügung zu stellen, wo diese operiert, anstatt das finanzielle Profite generiert werden.”
Die Richtlinie über erneuerbare Energie (EU) 2018/2001 und die Richtlinie über den internen Strommarkt (EU) 2019/944 wurden kürzlich im Rahmen des Clean-Energy-Pakets der Europäischen Kommission übernommen und stellen die aktuellen Rahmenbedingungen und Definitionen von Energie-Gemeinschaften mit einer Unterscheidung zwischen lokalen Energie-Gemeinschaften (Englisch „Renewable Energy Communities (REC)“) und regionalen Energie-Gemeinschaften (Englisch „Citizen Energy Communities (CEC)“).
Die Beteiligung in beiden Arten der Energiegemeinschaften ist generell offen und freiwillig, während das Ziel die zur Verfügungstellung von sozialem, ökonomischem und ökologischem Nutzen für die Gemeinschafts-Mitglieder oder Aktionäre darstellt, anstatt Profite zu generieren. Typische Gemeinschafts-Aufgaben inkludieren Versorgung, Erzeugung, Speicherung, Verteilung, Verbrauch, Teilen und Energie betreffende Dienstleistungen.
Lokale Energie-Gemeinschaften sind geographisch beschränkt und werden in der Nähe der Projekte organisiert, welche die Gemeinschaft besitzt und entwickelt. Natürliche Personen, inklusive Haushalte mit niedrigem Einkommen, lokale Behörden und Klein- und Mittelbetriebe (KMUs) können sich beteiligen. Lokale Energie-Gemeinschaften decken einen weiten Bereich an Aktivitäten ab, welche mit allen Arten von erneuerbarer Energie im Strom- und Heizungsbereich verbunden sind. Sie sind effektiv kontrolliert durch KMUs, und bleiben dabei unabhängig von einzelnen Mitgliedern und anderen traditionellen Marktteilnehmern, die in der Gemeinschaft als Mitglieder oder Aktionäre beteiligt sind.
Regionale Energie-Gemeinschaften unterscheiden sich hauptsächlich von den lokalen durch die fehlende geografische Begrenzung, deren Fokus auf den Stromsektor, und deren technologische Neutralität. Alle Akteure können teilnehmen, so lange keine Großbetriebe bzw. Betriebe, deren Hauptaktivität im Energiesektor liegt, Entscheidungskompetenz haben.
Der Hauptantrieb für die Entwicklung von Smart Grids ist der Umwelt- und Klimaschutz, welcher durch die Dekarbonisierung von allen ökonomischen Sektoren erreicht wird. Dieses Ziel führt zu einem signifikanten Anstieg von erneuerbaren Energiequellen. Wegen ihrer unterschiedlichen Einspeiseleistungen sind diese in unterschiedlichen Spannungsebenen ans Stromnetz angeschlossen, wodurch sie radikal die Struktur der Stromerzeugung verändern. Aufgrund dieser Veränderungen kann die traditionelle Architektur des Stromnetzes den heutigen Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Neue, ganzheitliche Ansätze entstehen, welche zuverlässig die Bedürfnisse der Smart Grids Ära erfüllen.
Das Stromnetz ist eine physikalische Einheit, welche verschiedene Geräte beinhaltet und von verschiedenen Stakeholdern betrieben wird. Jede Regelungs- oder Steuerungsmaßnahme beeinflusst immer das Verhalten des gesamten Systems. Regelungsansätze, welche keinen ganzheitlichen Ansatz verfolgen, betrachten das System immer aus der Perspektive von einzelnen Akteuren (TSOs, DSOs, und Verbraucher) und optimieren individuelle Funktionalitäten. Damit führen diese zu suboptimalen Lösungen aus globaler Sicht. Die ganzheitliche Architektur ermöglicht den effizienten und sicheren Betrieb des Systems als ein Ganzes.
Eine ganzheitliche Architektur des Stromnetzes ist eine Architektur, in welcher alle relevanten Komponenten des elektrischen Energiesystems in einer einzigen standardisierten Struktur vereint sind. Diese Komponenten umfassen folgendes:
- Stromerzeuger (unabhängig von der Technologie oder Größe, z.B. große Kraftwerke, verteilte Erzeuger, etc.),
- Stromspeicher (unabhängig von der Technologie oder Größe, z.B. Pumpspeicherkraftwerke, Batterien, etc.),
- Stromnetz (unabhängig von der Spannungsebene, also Hochspannungs-, Mittelspannungs- und Niederspannungsnetz),
- Verbraucher, und
- der Strommarkt.
Die ganzheitliche Architektur vereinheitlicht alle Interaktionen im Stromnetz selbst, zwischen den Netz-, Erzeuger- und Speicher-Betreibern, Verbrauchern, Prosumern (d.h. Verbraucher, welche einen Teil des Stroms selbst erzeugen, z.B. mittels PV), und dem Markt. Damit wird die Möglichkeit geschaffen diese Interaktionen zu harmonisieren, ohne dabei Datenschutz oder Cybersicherheit zu kompromittieren. Es ermöglicht alle notwendigen Prozesse für einen sicheren, ökonomischen und umweltfreundlichen Betrieb von intelligenten Stromnetzen. Es erlaubt eine klare Beschreibung der Beziehungen zwischen den verschiedenen Akteuren und kreiert die Bedingungen um die aktuelle Umstellungsphase im Stromnetz zu meistern ohne Probleme zu verursachen.
Mehr Information zu diesem Themenbereich kann man im Weißbuch über ganzheitliche Architekturen für das künftige Stromnetz (in Englisch) finden, herausgegeben von der ETIP SNET Arbeitsgruppe über zuverlässige, ökonomische und effiziente Smart-Grid-Systeme in 2020.
Per Definition ist das LINK-Paradigma eine Menge von einem oder mehr elektrischen Geräten (in Englisch „electrical appliances (EIA)“), z.B. ein Teil des Netzes, ein Speichermedium oder eine Erzeugeranlage, dem Regelungsschema (in Englisch „control scheme“) und der Schnittstelle (in Englisch „interface“).
Das LINK-Paradigma wird als ein Instrument verwendet, um die LINK-basierte ganzheitliche Architektur und die LINK-Lösung abzubilden. Es ermöglicht die Modellierung des ganzen Stromnetzes von der Hochspannungsebene bis zur Niederspannungsebene, inklusive der Verbraucher. Es erlaubt die Beschreibung von allen Betriebsprozessen des Stromnetzes, wie z.B. Erzeugungs/Verbrauchs-Ausgleich, Spannungsanalyse, dynamische Sicherheit, Preis- und Notfall-basiertes Demand-Response-Management, etc.
Das LINK-Paradigma ist die Basis des ganzheitlichen, technischen und markt-orientierten Modells von intelligenten Stromnetzen mit einem großen Anteil an verteilten Energiequellen (in Englisch „distributed energy resource (DER)“). Das ganzheitliche technische Modell (die Energie-Versorgungskette, in Englisch „Energy Supply Chain Net”) illustriert die Zusammenstellung der Kettenglieder und deren relative Position im Raum, sowohl vertikal als auch horizontal. Die miteinander verbundenen Hochspannungsnetze (in Englisch „high voltage grids (HVG)“) sind auf der horizontalen Achse angebracht. Diese sind Eigentum der Übertragungsnetzbetreiber (in Englisch „transmission system operators (TSO)“) und werden von ihnen betrieben. Die Mittel- und Niederspannungsnetze (in Englisch „medium and low voltage grids (MVG & LVG)“) sowie das Stromnetz in den Kundenanlagen (in Englisch „customer plant grids (CPG)“) sind an der vertikalen Achse angebracht. Das Mittel- und Niederspannungsnetz ist Eigentum des Netzbetreibers (in Englisch „distribution system operators (DSO)“), und wird von diesem betrieben, während das Verbrauchernetz im Eigentum der Verbraucher steht und von diesen betrieben wird.
Per Definition ist die Energie-Versorgungskette eine Menge von automatisierten Stromnetzen, welche als Glieder einer Kette (bzw. „Links“) betrachtet werden können, die eine flexible und sichere elektrische Verbindung herstellen. Jeder einzelne Link oder jedes Bündel an Links wird unabhängig betrieben und hat vertragliche Vereinbarungen mit den angrenzenden Links bzw. Link-Bündeln.
Das ganzheitliche Modell in Bezug auf den Strommarkt wird vom ganzheitlichen technischen Modell abgeleitet. Der gesamte Strommarkt besteht aus verbundenen Marktbereichen (Bilanzgruppen) in der vertikalen und horizontalen Achse. Die Übertragungsnetzbetreiber (TSOs) operieren auf der horizontalen Achse des Marktmodels, während die Verteilnetzbetreiber (DSOs) auf der vertikalen Achse operieren. In diesem Model interagieren nicht nur die Übertragungsnetzbetreiber direkt mit dem Markt, sondern auch die Verteilnetzbetreiber um eine überlastungsfreie Stromverteilung zu ermöglichen und den Erzeugungs/Verbrauchs-Ausgleich zu übernehmen. Die Eigentümer der verteilten Stromquellen und die Prosumer (Produzenten und Verbraucher von Strom) können ebenfalls entweder direkt am Markt teilnehmen, oder über Aggregatoren wie z.B. Energie-Gemeinschaften. Die Schaffung eines lokalen Strommarktes stimuliert die Angebote im Demand-Response-Prozess und fördert Investitionen in den Regionen der jeweiligen Energie-Gemeinschaften.
Es existieren drei unabhängige große Komponenten des Stromnetzes: Erzeuger, Speicher und das Netz. Diese bilden die drei Eckpfeiler der ganzheitlichen Architektur: Erzeuger-Link, Speicher-Link und Netz-Link. Sie leiten sich vom LINK-Paradigma ab und bestehen daher aus drei konstituierenden Elementen: elektrischen Geräten, Regelungen bzw. Steuerungen, und Schnittstellen.
- Der Erzeuger-Link ist eine Verbindung von einer stromerzeugenden Produktionseinheit, wie z.B. ein Kraftwerk oder eine Fotovoltaikanlage, dessen primäre Regelung und die Erzeuger-Link-Schnittstelle.
- Der Speicher-Link ist eine Verbindung von einer Speichereinheit, wie zum Beispiel der Generator von einer Pumpspeicherkraftwerk oder eine Batterie, deren primäre Regelung und die Speicher-Link-Schnittstelle.
- Der Netz-Link ist eine Verbindung von einem Teil des Stromnetzes, inklusive Kabel, Umspannwerke und Blindleistungsgeräte, deren sekundäre Regelung, und die Netz-Link Schnittstellen.
Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur vereint alle relevanten Komponenten des Stromnetzes in eine einheitliche Struktur. Alle Links kommunizieren untereinander durch technische Schnittstellen „T“ und mit dem Markt durch markt-bezogene Schnittstellen „M“, unter Einhaltung von Datenschutz und Cybersicherheit. Haushaltsverbraucher sind zu klein, um direkt am Markt teilnehmen zu können, daher geschieht dies durch einen Aggregator oder eine Energie-Gemeinschaft.
Die verschiedenen Ebenen der LINK Architektur, wie zum Beispiel technisch/funktionell, generalisiert, oder ganzheitlich, sind in dem folgenden, englisch-sprachigen Video beschrieben.
Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur ermöglicht die Einbettung von Energie-Gemeinschaften und unterstützt damit deren großflächige Verbreitung.
Alle Marktteilnehmer, inklusive Haushaltskunden, welche sich an Energie-Gemeinschaften beteiligen, partizipieren diskriminierungsfrei am Markt. Jeder Marktteilnehmer, wie z.B. Haushaltskunden, Prosumer, Betreiber von verteilten Energiequellen oder Dienstleister, können sich entscheiden, ob sie sich direkt oder über Aggregatoren oder Energie-Gemeinschaften am Markt beteiligen wollen. Alle Netzbetreiber, sowohl vom Übertragungsnetz als auch von den anderen Netzebenen, koordinieren den Markt um ein sicheres und beständiges Funktionieren des Stromnetzes zu garantieren.
Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur unterstützt den Preis-basierten Demand Response Prozess, der für die Energie-Gemeinschaften von essenzieller Bedeutung ist. Hier findet man ein kurzes englisches Video mit weiteren Erklärungen.
Energiegemeinschaften können ihren Mitgliedern und ihrer Umgebung umso mehr Dienste anbieten, je besser sie in die umgebenden Systeme integriert sind.
Die Rolle und die Funktionsweise von Energiegemeinschaften innerhalb des europäischen Energiemarktes werden nach und nach ihre wichtigsten Geschäftsfälle und ausgestalteten Organisationsstrukturen finden.
Im Rahmen des INTERACT-Projekts haben wir die möglichen Geschäftsszenarien von Energiegemeinschaften beim Übergang von einem einfachen zu einem vollständig integrierten Betrieb innerhalb des Stromnetzes und des Energiemarktes skizziert
- Der Basisbetrieb (Basic Operation) ermöglicht die gemeinsame Nutzung lokal erzeugter erneuerbarer Energie.
- Fortgeschrittener Betrieb (Advanced Operation) mit optimierter Erzeugung und Nachfrage unter Nutzung lokaler Flexibilitäten.
- Der integrierte Betrieb (Integrated Operation) ermöglicht die automatisierte Unterstützung des Stromnetzes durch Ausgleichsleistungen sowie preisgesteuerte und notfallgesteuerte Demand-Response-Prozesse.
- Bei vollständiger Integration (Fully Integrated Operation) können alle bereitgestellten Dienstleistungen über die jeweilige Marktstruktur abgewickelt werden, und es können flexible Preismodelle eingeführt werden, die Investitionen in zusätzliche Produktionsanlagen für erneuerbare Ressourcen unterstützen.
Physikalische Gesetze sind nicht veränderbar, jede Lösung muss sie berücksichtigen. Eine ganzheitliche Systemarchitektur sorgt für eine einheitliche Struktur über alle Netzebenen und Kundenanlagen hinweg und ermöglicht deren nahtlos koordinierte Integration und Betrieb. Die technische Lösung kann die Herausforderungen bei der Implementierung verteilter Energieressourcen abmildern.
Im Rahmen des INTERACT-Projekts haben wir die wichtigsten Merkmale beschrieben, die eine vollständig integrierte Energiegemeinschaft aufweisen sollte:
- Geeignete Blindleistungsregelungsstrategie, die die Netzkapazität erhöht und den Datenaustausch reduziert.
- Datenschutz durch Systemkonzeption gewährleistet.
- Integration in das Stromnetz in einer Weise, die die Netzstabilität erhöht, Flexibilitätspotenziale nutzt und die Notfallwiederherstellung unterstützt.
- Bürgerorientierter Ansatz, der auf Vertrauen, Transparenz und Fairness beruht.
- Gemeinschaftsbildung und Wissensaustausch zur Stärkung des sozialen Zusammenhalts und der lokalen Fähigkeiten.
Um vollständig integrierte Energiegemeinschaften auf der Grundlage der ganzheitlichen LINK-Infrastruktur zu realisieren, werden diese Änderungen der gesamten Energiemarktstruktur vorgeschlagen:
- Schaffung eines lokalen Marktes, um Produktion und Nachfrage optimal aufeinander abzustimmen und lokale Wertschöpfungsströme zu stärken
- Gleiche Marktlogik auf allen Ebenen, um Zuverlässigkeit und Belastbarkeit zu gewährleisten.
- Nationale, regionale und lokale Marktebenen mit vertikaler Integration.
- Marktintegration, die die Demokratisierung der Energiewirtschaft ermöglicht.
- Neue Marktstruktur im Einklang mit den europäischen Richtlinien.
