In Nordhessen, zwischen dem Naturpark Habichtswald und dem Langen Wald, liegt Wolfhagen. Die Kleinstadt ist im Ortskern von Fachwerkhäusern geprägt. Rund 14.000 Menschen leben dort. In dieser auf den ersten Blick beschaulichen Idylle entsteht gerade der Prototyp einer Smart City, die durch intelligente Vernetzung verschiedener Komponenten ihren Energieverbrauch minimiert und ihren Bedarf aus erneuerbaren Ressourcen deckt.
Der Energiesektor war laut Umweltbundesamt (UBA) mit etwa 85 Prozent im Jahr 2014 die größte Quelle anthropogener Treibhausgasemissionen in Deutschland. Nicht zuletzt aus diesem Grund hat das Bundesforschungsministerium den Wettbewerb „Energieeffiziente Stadt“ ausgeschrieben. Die fünf Gewinner, darunter Wolfhagen, erhalten über einen Zeitraum von fünf Jahren jeweils fünf Millionen Euro. Unterstützt von wissenschaftlichen Experten steuern die Nordhessen eine kommunale Energiewende an. Die Stadtverordnetenversammlung hat schon im April 2008 einstimmig beschlossen, die Stromversorgung bis 2015 vollständig aus lokalen erneuerbaren Energien zu decken. Dieses Ziel wurde mit dem Bau des Bürgerwindparks Ende 2015 erreicht. Doch damit allein ist es bei weitem noch nicht getan.
„Ein wichtiger Schritt in diesem komplexen Vorhaben besteht darin, den Energieverbrauch deutlich zu senken“, erläutert Christina Sager-Klauß, Gruppenleiterin Gebäude-Quartier-Stadt im Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), deren Team die Stadt berät. „Dabei spielen Immobilien eine entscheidende Rolle.“ Haushalte verbrauchen rund 27 Prozent der Energie in Deutschland, davon wiederum 80 Prozent für Heizung und Warmwasser. Viele Eigenheimbesitzer in Wolfhagen waren bislang der Meinung, eine umfassende energetische Sanierung rechne sich nicht. Die Universität Kassel hat im Rahmen des Projekts einen modularen Sanierungsbaukasten entwickelt, der den Weg zu finanzieller Förderung weist und darüber aufklärt, welche Maßnahmen optimal sind. Berücksichtigt wird dabei auch, dass weitere Schritte nahtlos daran anknüpfen können. „Ein weiterer Baustein der Gesamtstrategie“, so Sager-Klauß, „ist der Ausbau von dezentralen Energietechnologien“. Die Stadtwerke setzen auf Wärmepumpen. Sie nutzen nicht nur effizient Umweltenergie, sondern können auch einen wichtigen Beitrag zum Abgleich von Bedarfs- und Versorgungsseite im kommunalen Energiesystem leisten. Mit Hilfe von Wärmepumpen und thermischen Speichern ist es möglich, Überschussstrom aus Sonne und Wind für die Wärmeversorgung zu nutzen (Power-to-Heat).
Eine andere Technologie, die den Energieverbrauch deutlich effizienter macht, in Wolfhagen aber nicht im Fokus steht, ist etwa Kraft-Wärme-Kopplung. Eine Gasheizung mit Kraft-Wärme-Kopplung im Keller produziert nicht nur Wärme, sondern auch Strom. Solche Systeme erreichen Gesamtwirkungsgrade von über 90 Prozent. Eine weitere Möglichkeit, Energie zu speichern, bietet das Prinzip Power-to-Gas: Durch die Umwandlung von Strom in Gas können erneuerbare Energien in chemischer Form langfristig und in großen Mengen gespeichert werden. Dabei erzeugen Wasser-Elektro-lyseure mittels Strom aus Wasser elektrochemisch Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff kann auf unterschiedliche Weise in das Energiesystem integriert werden, etwa als Kraftstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge oder in Gaskraftwerken zur Erzeugung von Strom und Wärme.
Je höher der Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien, desto höher werden die Anforderungen an die Netze. Sie müssen in kurzer Zeit Verbrauch und Input abgleichen, um die Netzstabilität zu gewährleisten. Voraussetzung für solche Anwendungen ist das Smart Grid, ein intelligentes Stromnetz. Ziel ist es, nicht wie bislang die Erzeugung entsprechend dem Bedarf anzupassen, sondern im Gegenteil den Stromverbrauch entsprechend der erneuerbaren Erzeugung zu beeinflussen (Demand-Side-Integration). Hierfür müssen Haushaltsgeräte und dezentrale Stromspeicher (etwa Elektroautos) zeitflexibler geladen werden. „Im kommenden Jahr werden die ersten 35 Haushalte in Wolfhagen ein solches System nutzen können“, berichtet Sager-Klauß. Die Stadtwerke werden ihren Kunden bei Überschuss von Sonnen- oder Windenergie signalisieren, dass nun die richtige Zeit wäre, Strom zu verbrauchen. Intelligente Kühlschränke werden dann herunterkühlen, um später eine Weile abschalten zu können, ohne dass die Temperatur zu hoch steigt. Waschmaschinen könnten automatisch aktiviert werden. Ein flexibles Tarifsystem soll dazu animieren, Strom dann zu verbrauchen, wenn er im Überfluss vorhanden ist – und zeitgleich auch günstiger angeboten wird.
»Elektrofahrzeuge könnten als Stromquelle oder Pufferspeicher fungieren.«
In Wolfhagen wurde auch der Verkehr nicht vergessen. Unter anderem verleihen die Stadtwerke einen VW E-up! an interessierte Bürger. Elektrofahrräder können bei der EnergieOffensive Wolfhagen, ebenfalls ein Partner im Projekt, ausgeliehen und getestet werden. Generell ist Elektromobilität ein relevanter Baustein im Energiekonzept der Zukunft. Sind E-Fahrzeuge einmal etabliert – und beziehen Strom aus Solaranlagen oder Windkraft – wird der motorisierte Individualverkehr nicht nur komplett CO2-neutral. Die Technologie hat noch einen weiteren Vorteil: Sollten erneuerbare Energien künftig stärker ausgebaut sein, bedarf es im Falle von Überkapazitäten großer Speichermöglichkeiten.
Und genau dieses Potenzial haben E-Autos. Es bietet sich an, deren Akkus zu nutzen, um die Wind- oder Sonnenenergie zu speichern, die aktuell nicht gebraucht wird. Auf Parkplätzen würden sie ans Stromnetz angeschlossen. Das Auto ließe sich dann aufladen oder eben als Zwischenspeicher für überschüssigen Solar- beziehungsweise Windstrom nutzen.
Das klingt nach Zukunftsmusik, wird aber in der Praxis bereits in Pilotprojekten umgesetzt: So stellte Mitsubishi in diesem Sommer eine bidirektionale Ladestation nach dem Prinzip „Vehicle-to-Grid“ vor – das Auto geht ans Netz. Damit können ein Elektrofahrzeug und ein mit einer sogenannten „Powerbox“-Schnittstelle ausgerüstetes Photovoltaik-Haus wechselweise als Stromquelle oder als Pufferspeicher fungieren. Die beiden elektrifizierten Fahrzeugtypen von Mitsubishi – das rein elektrische Electric Vehicle und der Plug-in Hybrid Outlander – sind ab Werk auf diese Aufgabe vorbereitet. Sie nutzen nicht die gesamte Kapazität ihrer Speicher zum Fahren. Die elektrische Energie, die im Haus erzeugt wird, etwa von Solarzellen auf dem Dach, kann in die Fahrbatterie geladen werden. Besteht umgekehrt Bedarf wird der Strom wieder ins Haus zurückgespeist.
Auch die Metropole Frankfurt am Main hat sich das ambitionierte Ziel gesetzt, ihren Energiebedarf in den Sektoren Strom, Wärme und lokaler Verkehr im Jahr 2050 vollständig mit erneuerbarer Energie aus dem Stadtgebiet und der Region zu decken. „Unsere Berechnungsergebnisse zeigen, dass sich das Ziel einer vollständigen und sicheren Versorgung der Stadt mit erneuerbaren Energien erreichen lässt, wenn das Potenzial an erneuerbaren Energien aus Frankfurt und zur Hälfte aus der Region genutzt wird“, stellt Gerhard Stryi-Hipp fest. Der Experte leitet das Geschäftsfeld Smart Energy Cities am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und hat die Berechnungen für Frankfurt mit zwei Kollegen durchgeführt. Lediglich Windkraft und Biomasse müsste die Stadt teilweise aus größerer Distanz aus dem Bundesland Hessen beziehen. „Weil aber die Autarkie die Installation einer sehr hohen Kapazität an elektrischen Speichern erfordert, empfehlen wir eine 95-Prozent-Selbstversorgung“, sagt Stryi-Hipp. „Das stellt einen guten Kompromiss zwischen weitgehender Selbstversorgung und akzeptablen Energiekosten dar, da die Stromspeicherkapazität auf ein Viertel reduziert werden kann.“
