60 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Intelligente Ladeinfrastruktur und intelligente Netze Energiemanagement für urbane und ländliche Räume Intelligente Netze, Ladeinfrastruktur, Lastmanagement, Elektromobilität Dennis Dreher, Lutz Gaspers, Rebecca Heckmann Das Forschungsprojekt Smart2Charge in der Gemeinde Wüstenrot untersucht die systemische Gesamtkonzeption von Energieverteilnetzen, Lastmanagement und Ladeinfrastruktur unter Zuhilfenahme von bidirektionaler Ladetechnik und intelligenten Softwarelösungen. Das Ziel ist die Entwicklung und der Aufbau eines holistischen Energiesystems, um die Kommunen nachhaltig mit regenerativer Energie zu versorgen und gleichzeitig Elektromobilität zu betreiben und E-Fahrzeuge als sinnvollen Zwischenspeicher zu nutzen. Es wurden verschiedene Softwarelösungen für das Lademanagement- und das dynamische Lastmanagementsystem für Ladelösungen getestet. Dadurch können regenerative Energieerzeugungsanlagen optimal genutzt und Lastspitzen vermieden werden. Ergänzend wurden verschiedene Geschäfts- und Betriebsmodelle erprobt und bewertet, die eine ökonomisch nachhaltige Umsetzung bieten. Im April 2022 waren in Deutschland 687 241 Elektroautos mit ausschließlich elektrischer Energiequelle (BEV) zugelassen. Zum Vergleich: 2021 waren es gerade einmal 309 083 Elektroautos. 1 Es ist zu erwarten, dass sich dieser Anstieg in den kommenden Jahren fortsetzen wird und dementsprechend wachsende Anforderungen an die Ladeinfrastruktur bestehen. Die Bewältigung dieser Aufgabe kann jedoch nicht im alleinigen Ausbau der Ladeinfrastruktur liegen, vielmehr müssen intelligente Systeme und Netze die Versorgung sichern. Um Lösungen für diese zukünftigen Herausforderungen zu finden, wird an der Hochschule für Technik in Stuttgart an der Mobilität von morgen geforscht. Im Kompetenzzentrum für Mobilität und Verkehr (MoVe) arbeitet ein Team von zehn Forschenden an derzeit fünf umfangreichen Forschungsvorhaben. Diese umfassen eine große thematische Bandbreite. So werden sowohl Lösungen für den urbanen, den suburbanen, als auch den ländlichen Raum untersucht, um die spezifischen Bedürfnisse der unterschiedlichen Raumtypen zu ermitteln und ganzheitliche Ansätze umsetzen zu können. An dieser Stelle wird ein Forschungsprojekt aus dem ländlichen Raum in der Gemeinde Wüstenrot vorgestellt: Mit etwa 6 600 Einwohnenden liegt die Gemeinde auf halber Strecke zwischen Stuttgart 1 Kraftfahrtbundesamt 2022 und Heilbronn. Mehr als die Hälfte der Einwohnenden lebt nicht im Hauptort Wüstenrot, sondern in eingemeindeten Dörfern und Weilern. Dementsprechend herausfordernd sind die Mobilitätsbedürfnisse vor Ort. Es sollte zudem bedacht werden: Viele Wege der Bürger*innen aus den ländlichen Räumen führen in die Städte und Ballungszentren. Dementsprechend haben auch diese einen Einfluss auf die Mobilität und damit die Lebensqualität im urbanen Raum. Die Plus-Energie-Gemeinde Wüstenrot Die Gemeinde Wüstenrot hat sich das Ziel gesetzt, zur Plus-Energie-Gemeinde zu werden. Dies wird dann erreicht, wenn die Erzeugung erneuerbarer Energien zur Wärme- und Stromversorgung den Primärenergieverbrauch der Gemeinde übersteigen. Bereits heute gibt es in Wüstenrot einen großen Anteil an erneuerbaren Energien. Die Gemeinde arbeitet derzeit unter Hochdruck an der Optimierung ihres Strom- und Wärmenetzes mit dem Einsatz intelligenter Monitoring-Systeme. Als nächster Schritt soll nun die Elektromobilität in dieses holistische Gesamtkonzept integriert werden. Der zu erwartende und konsequent voranschreitende Ausbau der Elektromobilität stellt Kommunen in ländlichen Räumen wie Wüstenrot vor große Herausforderungen: Es stellt sich die Frage, wie die erforderliche 61 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Energiemengen durch volatile Energiequellen reagiert werden. Für die Umsetzung des bidirektionalen Ladens bedarf es einer ganzheitlichen Hardwarelösung, die im Projekt Smart2Charge errichtet wird. So müssen sowohl die Fahrzeuge, als auch die Ladeinfrastruktur auf das bidirektionale Laden ausgelegt sein. Darüber hinaus erfordert diese Technologie auch ein fundiertes Wissen über das Nutzerverhalten, da sich folgende Fragen stellen: Wie flexibel kann das Fahrzeug als Energiespeicher herangezogen werden? Welchen Ladezustand muss die Batterie morgens aufweisen, um die Mobilitätsbedürfnisse der Nutzer*innen zu erfüllen? Eine grundlegende Voraussetzung für das bidirektionale Laden ist daher ein tiefergehendes Verständnis der Mobilitätsbedürfnisse der Bürger*innen von Wüstenrot durch eine Verkehrsstromanalyse. Diese gibt Rückschlüsse darüber, wie weit die zurückgelegten Wege sind oder welche Quell- und Zielorte für die Menschen von Bedeutung sind. Verkehrsmodellierung und Analyse des Nutzerverhaltens In diesem Zusammenhang wurde eine umfangreiche Verkehrs- und Mobilitätsuntersuchung in der Gemeinde Wüstenrot durchgeführt. Hierfür wurden Befragungen und Zählungen vor Ort unternommen sowie Sekundärdaten und Statistiken analysiert. All diese Erkenntnisse flossen in ein Verkehrsmodell in der Verkehrsplanungssoftware PTV VISUM, welches die wichtigsten Verkehrsbeziehungen der Gemeinde abbildet. Je breiter der Balken einer Verbindung ist, desto höher ist das potenzielle Verkehrsaufkommen. In der Karte werden ausschließlich die Verkehrsströme der Gemeinde Wüstenrot und ihrer Teilorte dargestellt - das bedeutet, alle Verkehrsbeziehungen, die von diesen Orten ausgehen beziehungsweise dort enden. Sektorkopplung Sektorkopplung Lastmanagement Lastmanagement Verkehr Wärmebedarf Energiewirtschaft (Stromproduktion) Power-to-Heat Power-to-Hydrogen Power-to-X E-Mobilität Vehicle-to-Grid Power-to-X Power-to-Hydrogen Energie Energie Ladeinfrastruktur intelligent und zukunftsweisend aufgebaut und zugleich in das bestehende Stromnetz, das häufig über viele Jahrzehnte entstanden ist, integriert werden kann. Welche Lösungsansätze für diese Fragestellungen bestehen, um das Netz gleichermaßen wirtschaftlich sinnvoll und mit langfristig hoher Akzeptanz betreiben zu können, wird im Forschungsprojekt Smart2Charge untersucht und praktisch umgesetzt. Das Forschungsprojekt Smart2Charge knüpft dabei an die langjährige Zusammenarbeit der Gemeinde Wüstenrot mit der Hochschule für Technik Stuttgart an. In vorangegangen Projekten wurde bereits an der praktischen Umsetzung einer nachhaltigen Energieversorgung geforscht, bei denen sich das eingangs definierte Ziel der Gemeinde Wüstenrot manifestierte, zur Plus-Energie-Gemeinde werden zu wollen. Dementsprechend ist es auch unerlässlich, den Verkehrs- und Mobilitätssektor mit in die Betrachtung einzubeziehen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ gefördert. Assoziierte Partner sind neben verschiedenen Teams der Hochschule für Technik Stuttgart (Energietechnik, Mobilität, Wirtschaftspsychologie) die Gemeinde Wüstenrot, OXYGEN Technologies, enisyst, Mitsubishi Motors Deutschland und die Castellan AG. Bidirektionales Laden in der Gemeinde Wüstenrot Beim Ausbau der Elektromobilität eröffnen sich durch die Kopplung von Sektoren interessante Chancen. So kann das Energiesystem durch eine intelligente digitale Vernetzung der Fahrzeugbatterien mit lokalen Stromspeichern und Systemen zum Energiemanagement für Gebäude noch effizienter gestaltet werden. Die damit einhergehende Flexibilität verbessert durch die intelligente Nutzung die Unabhängigkeit von volatilen Energiequellen. In Wüstenrot soll dies durch den Einsatz von bidirektionalem Laden ermöglicht werden. Stark vereinfacht bedeutet dieser Begriff das „Laden in beide Richtungen“. So kann ein Elektroauto, das an einem Ladepunkt bzw. einer Wallbox angesteckt ist, Strom aus dem Netz entnehmen. Andersherum kann der Strom aus dem Fahrzeug bei Bedarf aber auch in das Stromnetz oder an weitere Verbraucher im Haushalt zurückgespeist werden. Durch dieses Prinzip besteht das Potenzial, eine Vielzahl lokaler Energiespeicher in Form von Elektroautos in das Energienetz zu integrieren. Damit kann besser auf Spitzenlasten sowie schwankende Bild 1: Prinzipdarstellung der Sektorenkopplung zwischen Energie und Verkehr. © HFT Stuttgart, Elangovan. 62 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie In der Verkehrsplanung gilt die Modellierung als anerkannte Methode: Komplexe Sachverhalte können visualisiert werden und Aussagen zu Szenarien getroffen werden, die sich in der Realität nur mit großem Aufwand testen lassen bzw. aus Kosten- oder Sicherheitsaspekten nicht für Experimente geeignet sind. Aus diesem Verkehrsmodell konnte eine Vielzahl von Kennwerten berechnet werden, die zur Generierung von Mobilitätsprofilen herangezogen werden können. So zeigte sich, dass pro Tag und Person durchschnittlich 2,92 Wege zurückgelegt werden, die im Mittel etwa 34 km lang sind. Der Vergleich zur MiD-Studie zeigt: Wüstenrot weicht damit nur marginal in der vergleichbaren Kategorie des ländlichen Raums ab, der durchschnittlich 3,1 Wege pro Person und Tag mit einer mittleren Länge von 39 km ausweist. 2 Durch Befragungen vor Ort konnte zudem eine wichtige These bestärkt werden: So spielen nicht nur überregionale Verkehrsbeziehungen mit großen Entfernungen eine Rolle. Vielmehr sind auch die Verknüpfungen zwischen den Teilorten und Weilern der 2 Vgl. MiD2017 Gemeinde Wüstenrot von großer Bedeutung und weisen einen dementsprechend hohen Anteil des induzierten Verkehrs auf. Das bedeutet, dass das grundsätzliche Potenzial zur bidirektionalen Nutzung der Fahrzeugbatterien durchaus gegeben ist. Begründen lässt sich dies damit, dass die meisten zurückgelegten Wege im Alltag oft weit davon entfernt sind, die volle Kapazität der Batterie zu benötigen. Fahrten über weite Strecken sind aktuell eher die Ausnahme als die Regel, müssen aber zukünftig beim Lastmanagementsystem Berücksichtigung finden. Generierung von Mobilitätsprofilen Auf Basis der Verkehrsuntersuchung wurde vom Zentrum für Nachhaltige Energietechnik (zafh.net) der Hochschule für Technik Stuttgart ein Tool entwickelt, mit dem Mobilitätsprofile generiert werden können. Dieses nutzt als Grundlage anonymisierte Daten der MiD-Studie, die sich über das Verkehrsmodell kalibrieren lassen. Damit können für die Fahrzeuge in Wüstenrot typische Mobilitätsprofile generiert werden. Diese geben Aufschluss darüber, welche Strecken zurückgelegt werden oder zu welchem Zeitpunkt und welchem Wegezweck ein Fahrzeug genutzt wird. Über diese Profile können wichtige Attribute und Daten simuliert werden, wie der Ladezustand des Fahrzeugs oder die erforderliche Zeit zur Aufladung. Diese Informationen sind für den Betrieb von bidirektionalem Laden essenziell, um einerseits die erforderliche Reichweite zu garantieren sowie andererseits einen großen Nutzen für das Energienetz zu erhalten. Abfrage Routine Relationale Datenbank Rohdaten Fahrtprofile Bild 2: Visualisierung der Verkehrsströme der Gemeinde Wüstenrot in PT V VISUM. © HFT Stuttgart, Dreher Bild 3: Funktionsweise der Generierung von Mobilitätsprofilen. © HFT Stuttgart, Dreher, Elangovan 63 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Privates und öffentliches Car-Sharing Angestoßen durch Smart2Charge soll in Wüstenrot ein Car-Sharing-Angebot geschaffen werden. Grundsätzlich bietet ein solches Angebot die Chance, die Mobilität vor Ort nachhaltiger zu gestalten. So kann Car-Sharing beispielsweise Zweit- oder Drittwagen ersetzen und damit den Fahrzeugbestand in der Gemeinde senken. Zudem werden durch eine ganzheitliche Betrachtung auch weitere Verkehrsmittel des Umweltverbunds, wie der ÖPNV oder der Rad- und Fußgängerverkehr, gestärkt. Im ersten Schritt wird ein geschlossenes Car- Sharing-System innerhalb eines Quartiers in der Gemeinde implementiert. Damit soll zunächst herausgefunden werden, wie groß das tatsächliche Nutzerpotenzial ist und welche Entlastung für das Stromnetz grundsätzlich damit verbunden sein kann, wenn ein halböffentliches E-Fahrzeug als Zwischenspeicher genutzt wird. Zudem sollen Erfahrungen gesammelt werden, um im späteren Verlauf des Projekts ein öffentliches Car-Sharing-Angebot zielgerichtet und zuverlässig einrichten zu können. Auf Basis dieses Pilotprojekts soll letztendlich ein Angebot für alle Bürger*innen der Gemeinde geschaffen werden. Am geplanten Standort an der Georg-Kropp-Schule, welcher zentral in der Hauptgemeinde liegt, werden bereits jetzt Vorbereitungen für die bidirektional nutzbare Ladeinfrastruktur geschaffen. Das Ziel ist es, dass an dieser Stelle in Zukunft ein öffentlich nutzbares Car-Sharing verfügbar ist. Perspektivisch kann dieses Angebot auch auf die Teilorte ausgedehnt werden, um dort ein vergleichbares Angebot zu schaffen und deren Erreichbarkeit zu stärken. Blick in die Zukunft Die kommenden Jahre werden die Kommunen in urbanen und suburbanen Räumen gleichermaßen vor Herausforderungen stellen. Bei der Lösung dieser Herausforderungen geht die Gemeinde Wüstenrot voran. Das bidirektionale Laden bietet die Chance, den Weg zur Plus-Energie-Gemeinde zu ebnen. Perspektivisch gesehen besteht durch den zunehmenden Anteil an Elektrofahrzeugen die Möglichkeit, eine Vielzahl von Energiespeichern im Energienetz zu integrieren, die dessen Stabilität bei einem gleichzeitig hohen Anteil erneuerbarer Energiequellen langfristig sichern können. Ohne den Einsatz intelligenter Lastmanagementsysteme sind die bestehenden Netze diesem Anstieg nicht gewachsen - ein Ausbau der Netze ist in der verbleibenden Zeit zudem kaum denkbar und unter Umständen weder erforderlich noch sinnvoll. Insofern müssen intelligente Systembausteine, wie das bidirektionale Laden, ein Teil der zu fokussierenden Lösung sein. Durch das vorgestellte Projekt wird bereits heute erforscht, wie diese Technologien zukünftig eingesetzt werden können. Aus Sicht der Verkehrsplanung gilt es nun, die Elektromobilität sowie das Car-Sharing-Angebot in Wüstenrot in ein ganzheitliches Mobilitätskonzept zu integrieren. Der größte Nutzen für die Gemeinde wird sich dann ergeben, wenn alle Verkehrsmittel in dieser Konzeption gleichermaßen bedacht werden. Es bleibt festzuhalten: Die Sektoren Mobilität, Energie und Digitalisierung werden in den nächsten Jahren immer stärker zusammenrücken. Deren gemeinsame Betrachtung ist unerlässlich, um die Herausforderungen von morgen zu bewältigen. Zudem zeigen die Hochschule für Technik Stuttgart und die Gemeinde Wüstenrot: Innovative Lösungsansätze für die Mobilität der Zukunft entstehen nicht nur in den Städten, sondern auch im ländlichen Raum. Dennis Dreher, M.Eng. Akademischer Mitarbeiter Teamleitung MoVe Hochschule für Technik Hf T Stuttgart Kontakt: dennis.dreher@hft-stuttgart.de Prof. Dr.-Ing. Lutz Gaspers Professor und Prorektor Gründer, Leiter und Sprecher des MoVe Hochschule für Technik Hf T Stuttgart Kontakt: lutz.gaspers@hft-stuttgart.de Dipl.-Ing. Rebecca Heckmann Akademische Mitarbeiterin Hochschule für Technik Hf T Stuttgart Kontakt: rebecca.heckmann@hft-stuttgart.de AUTOR*INNEN Bild 4: Der bidirektional ladbare Mitsubishi Outlander in der Plusenergiesiedlung. © HFT Stuttgart, Pietzsch