Smarte Energieversorgung für den ländlichen Raum

Eine sichere, zuverlässige und ökologische Stromversorgung ist gerade in vielen ländlichen Gebieten nicht immer selbstverständlich. Zusammen mit deutschen und polnischen Partnern hat ein Forschungsteam des Fraunhofer IFF erfolgreich ein neues interaktives Planungswerkzeug entwickelt, mit dem insbesondere neu entstehende Energieinfrastrukturen in ländlichen Gebieten optimal geplant und errichtet werden können.

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Selbst wenn die öffentliche Wahrnehmung längst etwas anderes suggeriert: Der überwiegende Teil der Menschen in Europa lebt nicht in Metropolen, sondern in ländlich geprägten Regionen. Für sie ist der Aus- und Umbau der Versorgungsinfrastrukturen unerlässlich, denn oft müssen hier die Menschen mit den Auswirkungen der Versäumnisse vergangener Jahrzehnte leben. Eins davon: Die Stromnetze sind veraltet und oft schwächer als in urbanen Zentren. Die Folge sind Versorgungsengpässe, ja sogar Netzausfälle. Als sei das nicht schon Herausforderung genug, steigt auch auf dem Land der Bedarf, soll heißen: Auch dort benötigen die Menschen inzwischen mehr Strom als früher. Strom, der in vielen Ländern noch überwiegend aus zentralen Kohlekraftwerken kommt und der schon deshalb dem Anspruch der Energiewende nicht gerecht wird.

Diese komplexe Ausgangslage war 2016 ausschlaggebend, gerade den ländlichen Raum ins Zentrum eines groß angelegten Forschungsprojekts zu rücken. Damals fand sich ein Konsortium aus deutschen und polnischen Forschungseinrichtungen, Firmen und Gemeinden zusammen, um unter dem Titel »RIGRID« (Rural Intelligent Grid) nach innovativen Lösungen für eine nachhaltige Stromversorgung auf dem Land zu suchen. Von Anfang an mit dabei: Dr. Bartlomiej Arendarski, Ingenieur für Elektrotechnik und Telekommunikation und seit 2009 am Fraunhofer IFF in Magdeburg tätig. Er war es auch, der bei RIGRID als Projektmanager alle Handlungsstränge zusammenführte. Als »glückliche Fügung« bezeichnet der gebürtige Pole dabei den Umstand, dass im Mittelpunkt von RIGRID ausgerechnet eine Region aus seinem Heimatland stand: Puńsk, eine Gemeinde im äußersten Nordosten Polens.

Intelligente Energienetzplanung für Polens »grüne Lunge«

Wer aus Deutschland dorthin aufbricht, braucht Geduld. Rund zehn Stunden dauert die Fahrt mit dem Auto. Bartlomiej Arendarski hat die 1.000 Kilometer oft zurückgelegt. Rund 1.300 Menschen wohnen hier, unweit der Grenze zu Litauen, die meisten leben von der Landwirtschaft. Stolz sind die Puńsker darauf, dass ihre Region als »grüne Lunge« Polens gilt und viele Großstädter hier Urlaub machen. Der örtliche Bürgermeister, Witold Liszkowski, ist offen für Neues und sucht stets nach Perspektiven, um junge Menschen in der Region zu halten.

Die Gemeinde Puńsk in Polen. Foto: Fraunhofer IFF


Auch deshalb waren Bartlomiej Arendarski und die anderen Projektpartner regelmäßig in Puńsk vor Ort, haben Gespräche geführt und ihre Pläne und Forschungsergebnisse vorgestellt. Die Grundidee: Um in ländlichen Gebieten eine zuverlässige und kostengünstige Stromversorgung zu gewährleisten, müssen dezentrale Versorgungssysteme ausgebaut werden, und zwar unter Nutzung regenerativer Energien. Dafür bedarf es intelligenter Versorgungsnetze, so genannter Smart Grids. »Sie erlauben die Integration dezentraler, kleinerer Energieerzeuger in das Versorgungsnetz und helfen zugleich, die schwankende Lieferung von Strom aus regenerativen Quellen zu koordinieren«, erklärt Arendarski.

Für Puńsk hat das Forschungsteam diese Idee noch weitergedacht. Hier wollte es nicht allein ein lokales intelligentes Energieversorgungs- und -managementsystem, ein sogenanntes Microgrid, installieren. Es entwickelte darüber hinaus ein gänzlich neues Werkzeug für dessen Konzeption – eine virtuell-interaktive Planungsplattform. Sie übernimmt die Vorgaben und Daten aus den Berechnungen der Wissenschaftler, die 3D-Raumdaten der betroffenen Gebiete samt Gebäuden und vieles mehr, und überträgt sie in ein virtuelles Szenario. Mit ihm sollen die Betreiber und Menschen vor Ort interaktiv und individuell ihr Energieversorgungssystem und die dafür notwendige Infrastruktur planen können.

Mit Hilfe einer virtuellen Sichtbarkeitsprüfung soll die Konzeption von Stromleitungen und weiterer Infrastruktur zur Energieversorgung in der Stadt optimiert werden. Bild: Fraunhofer IFF


Doch darüber hinaus bezieht es auch die ökonomischen und sogar sozialen Folgen ihrer Entscheidungen für die Gemeinde mit ein und stellt sie für alle intuitiv erfassbar dar. Eine absolute Neuerung.

Um das Gesamtsystem in der Realität zu erproben, wurde vor Ort eigens eine Demonstrationsanlage aufgebaut. Sie basiert auf dem Betrieb der vorhandenen lokalen Kläranlage, die mit einer eigenen Photovoltaikanlage und Energie aus dem öffentlichen Netz sowie – im Falle einer Versorgungsunterbrechung – durch einen Notstrom-Dieselgenerator versorgt wird. Diese Installation wurde im Rahmen des Projekts um ein Batteriespeichersystem sowie Schutz- und Steuergeräte erweitert. Für das Management der verschiedenen Energiequellen, Lasten und Energiespeicher haben die Forschungspartner eigens eine Software entwickelt. »EMACS« heißt sie und dient zur Überwachung und Steuerung des lokalen Microgrids.

Microgrid-Demonstrationsanlage in Puńsk …
… und ihre virtuelle Darstellung für die Untersuchung der Auswirkungen der geplanten neuen Infrastruktur auf die Umwelt. Bilder: Fraunhofer IFF

Selbstversorgung mit grünem Strom

Mit der Demonstrationsanlage in Puńsk haben die Energieexperten unterschiedliche Anwendungsfälle real durchgespielt. Zum Beispiel wurde getestet, wie über optimierte Steuerungsstrategien eines ländlichen Microgrids die Stromversorgung von außen reduziert und eine größtmögliche Unabhängigkeit von externen Energielieferungen erreicht werden kann. Teil dieser Strategie ist unter anderem die intensive Nutzung von Solarenergie, was langfristig zu einer Minimierung der Betriebskosten führt. Sie inszenierten sogar einen vollständigen Inselnetzbetrieb, das heißt die komplette Trennung von der externen Energieversorgung und der Aufbau eines eigenen Netzes. Alles mit Erfolg. Bartlomiej Arendarski ist stolz auf das Ergebnis: »Das gesamte System ist ein Prototyp und ein Musterbeispiel dafür, wie nachhaltige Energieversorgung auf dem Land aussehen kann.«

Ihr großes Ziel haben die Forschungspartner damit erreicht: ein interaktives Werkzeug für die optimale Energie- und Infrastrukturplanung im ländlichen Raum zu entwickeln, das auch technische, wirtschaftliche und soziale Folgen der Maßnahmen berücksichtigt. »Mit unserem interaktiven Planungssystem können die Menschen selber entscheiden, worauf sie bei ihrer Energieversorgung Wert legen und wie autark sie von externer Stromversorgung leben wollen. Je nach Gewichtung – ob ihnen möglichst viel eigener Solarstrom oder ein alternativer Energiemix mit externen Lieferanten wichtig ist – schlägt das System die bestmögliche Strategie vor, die dann im Microgrid-Managementsystem berücksichtigt wird, um eine stabile und sichere Energieversorgung zu gewährleisten«, beschreibt Bartlomiej Arendarski diese Innovation.

  • Den Benutzern des RIGRID-Tools stehen drei Module für die Planung zur Verfügung:
    • 3D-Visualisierungsmodul: Dank der virtuellen Realität ist es möglich, den Standort neuer Investitionen hinsichtlich der Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen und der Anpassung neuer Objekte in die Umgebung zu überprüfen.
    • Wirtschaftsmodul: Mit dem Tool zur Geschäftsanalyse lässt sich die Rentabilität der Investition unter Berücksichtigung der potenziellen Technologien sowie lokaler Umweltfaktoren bewerten.
    • Technisches Modul: Hiermit können technische Planungskonzepte für Niederspannungs- und Mittelspannungs-Mikronetze und deren Komponenten erstellt werden. Zur Überwachung und zum Betrieb des Mikronetzes wird EMACS (Energy Management And Control System) verwendet.

Vorbild Dardesheim

Beispielhaft sei bei RIGRID auch die Zusammenarbeit der Projektpartner gewesen. Das war wichtig, denn die Herausforderung war schließlich, dass nicht nur technische Aspekte in den Fokus genommen wurden, sondern auch ökonomische und soziologische und psychologische. Gerade der letztgenannte Punkt wird oft vernachlässigt, mit nachteiligen Folgen. Denn: »Wer mit innovativen Ideen kommt, der muss die Menschen überzeugen«, so Arendarski.

Erneuerbare Energien? Ja gerne. – Aber bitte nicht vor meiner Haustür! – so lautet oft eine typische Reaktion. Das Phänomen ist weit verbreitet, inzwischen wurde dafür sogar ein wissenschaftlicher Terminus kreiert: Der Nimby-Effekt. Er steht für »Not in my backyard« und bezeichnet eine Einstellung, bei der Menschen die Vorteile moderner Technologien nutzen wollen, ihre Ansiedlung vor der Haustür jedoch ablehnen. – Eine gefürchtete
Haltung, denn sie bremst innovative Entwicklungen aus.

Bartlomiej Arendarski kennt das Phänomen, und weiß, was dagegen hilft: Geduld, Informationen und Argumente. »In Puńsk haben wir auf Transparenz gesetzt. Das hat sich ausgezahlt«, meint er. Hilfreich seien auch die anderen Projektbeteiligten gewesen. Unter ihnen: zwei Einrichtungen aus Sachsen-Anhalt, nämlich die der Harz-Regenerativ-Druiberg e.V. und die RegenerativKraftwerke Harz RKWH GmbH, beide aus Dardesheim.

Der kleine Ort hat viel gemeinsam mit Puńsk: Größe, Struktur, Lage. Allerdings: Dardesheim war seinem polnischen »Zwilling« bereits bei Projektstart weit voraus. Schon 1994 entstand dort eine erste Windanlage. Es folgten ganze Windparks. Längst hat sich der Ort überregional einen Namen als »Stadt der erneuerbaren Energien« gemacht, versorgen doch seine Anlagen nicht nur den eigenen Ort, sondern die gesamte Region mit grünem Strom. Bisher waren Vertreter aus mehr als 50 Staaten da, um sich Anregungen zu holen. Unter ihnen auch ein Berater des japanischen Ministerpräsidenten.

Dardesheim, Stadt der erneuerbaren Energie. Foto: Harz-Regenerativ-Druiberg e.V.


Das Erfolgsgeheimnis der Dardesheimer: Sie sind offen für Innovationen, was auch mit Bürgermeister Ralf Voigt zu tun hat. Für den 61-Jährigen ist es wichtig, dass die Bürger von den Windparks profitieren. Seit Jahren spült die dort erwirtschaftete Energie Geld in die Stadtkasse. Das konnte zum Nutzen aller eingesetzt werden, etwa beim Bau von Straßen sowie bei der Umstellung der Straßenbeleuchtung auf LED.

»Unser Erfolg hat viel mit erneuerbaren Energien zu tun«, sagt Voigt. Inzwischen ziehen wieder junge Menschen nach Dardesheim, die Kita ist voll, außerdem hat der Windpark hochwertige Arbeitsplätze im Technologiebereich geschaffen. »Diese Arbeitnehmer würden weltweit einen Job finden. Deshalb sind wir stolz, dass sie hier sind«, sagt der Bürgermeister.

Internationale Auszeichnung

Es sind wichtige Erfahrungen, die er da schildert, und von denen das polnische Puńsk im bilateralen Austausch profitieren konnte. Voigt war selbst zweimal zu Gast bei seinem polnischen Amtskollegen und hat ihn und seine Gemeinde beraten. »Die Vorbehalte gegenüber den regenerativen Energien waren anfangs sehr groß«, erinnert er sich. Der direkte Kontakt hat dazu beigetragen, die Hürden zu senken und die Demonstrationsanlage in Puńsk in Betrieb zu nehmen. Mittlerweile ist das Projekt sogar international ausgezeichnet worden: Im Mai 2019 konnten Bartlomiej Arendarski und das deutschpolnische Konsortium in Vancouver bei der Verleihung des ISGAN-Awards den zweiten Preis entgegennehmen. Vergeben wurde er vom International Smart Grid Action Network (ISGAN), einem weltweiten Zusammenschluss von Akteuren aus dem Bereich Forschung und Entwicklung intelligenter Netze und erneuerbare Energien. Außerdem erhielten die Forscher den Preis der Global Smart Grid Federation (GSGF) für die hervorragende Übertragbarkeit ihres Projekts auf andere Anwendungsfälle, die Grundlage für künftige Konzeptansätze nachhaltiger Energieversorgung sein können. Für den Magdeburger Wissenschaftler sind die Ehrungen auch Beleg dafür, »dass wir auf dem richtigen Weg sind«.

Ein Grund zum Ausruhen ist das für ihn indes nicht. Schließlich soll Europa bis 2050 als erster Kontinent überhaupt klimaneutral werden, so sieht es der Green Deal vor, zu dem sich die EU 2019 offiziell bekannt hat. Arendarski: »Die Zeit drängt und eine Lösung kann es nur mit Innovationen auf allen Ebenen geben. Mit RIGRID haben wir aber ein Puzzleteil beitragen können.«

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