TU Berlin: Simulation der Energiemärkte - Erneuerbare Energie, zu jeder Stunde an jedem Tag
Wie ein 24/7-Ansatz für CO2-freien Strom die Energiemärkte revolutionieren
kann
Forschende der Technischen Universität (TU) Berlin untersuchen mit ihrer
Open-Source-Software PyPSA die Auswirkungen einer neuen Art, mit Ökostrom
zu handeln. Dabei wird nicht ein jährliches Kontingent an Strom aus
erneuerbaren Energien verkauft, sondern ein stundenweise garantierter
Bezug in Abhängigkeit vom tatsächlichen Verbrauch. Während bisher auch bei
100-prozentigen Ökostromtarifen vor allem nachts und bei Windstille oder
bei starken Stromverbrauchsspitzen doch auf Strom aus fossilen Quellen
zurückgegriffen werden musste, wird bei einem 24/7-Ökostrom-Ansatz der
Energieverbrauch eines Nutzenden stündlich mit dem Bezug von sauberem
Strom gedeckt. Damit dies gewährleistet werden kann, müssen die
produzierten Mengen an Ökostrom jederzeit genau erfasst und nachverfolgt
werden können. Im Auftrag von Google wird die TU Berlin nun mit ihrer
Software PyPSA verschiedene Szenarien durchspielen, wie eine 24/7
CO2-freie Stromversorgung der Google-Rechenzentren in Europa ermöglicht
werden könnte und welche Auswirkungen dies auf das gesamte Energiesystem
hätte.
Google deckt seit 2017 100 Prozent seines weltweiten, jährlichen
Stromverbrauchs durch den Bezug von erneuerbarer Energie ab. Eine Reihe
großer Unternehmen, auch in Deutschland, agieren genauso. Dieser Ansatz
ist zwar ein wichtiger Schritt nach vorn für die Beschaffung sauberer
Energie durch Unternehmen, hat aber auch seine Grenzen. Denn oft ist
nachts einfach nicht genug Ökostrom aus Windkraft und Photovoltaik
verfügbar, um den Bedarf eines Unternehmens zu decken. Trotzdem kommt der
Strom natürlich aus der Steckdose – und zwar aus dem jeweils verfügbaren
Strommix im Netz, der oft auch Strom aus Kohle oder Gas enthält. In den
bisherigen Verträgen mit den Stromanbieter*innen werden diese Lücken
dadurch geschlossen, dass an anderen, sehr sonnigen und windigen Tagen
sehr viel Ökostrom produziert wird; mehr als nötig wäre, um zu diesem
Zeitpunkt alle Firmen mit „100-Prozent-Ökostrom-Verträge
Im Endergebnis wird also durch das Schließen der Lücken eine über das Jahr
gerechnet korrekte Menge an Ökostrom erreicht, obwohl zu vielen Stunden im
Jahr nicht genügend sauberer Strom im Netz verfügbar ist, um den
tatsächlichen Energieverbrauch zu decken.
Soziale Aspekte des Netzbetriebs
Aus diesem Grund hat sich Google als eine der weltweit größten
Abnehmer*innen von CO2-freiem Strom nun zum Ziel gesetzt, bis 2030 jeden
Tag und jede Stunde nur noch Strom aus nicht-fossilen Quellen zu beziehen.
„Dieser 24/7-Anspruch ist nicht nur ein Ansporn für den Ausbau der
erneuerbaren Energien, sondern hat sozusagen auch einen sozialen Aspekt“,
sagt Prof. Dr. Tom Brown, Leiter des Fachgebiets Digitale Transformation
in Energiesystemen an der TU Berlin. Bei dem derzeitigen Verfahren steht
Strom aus Wind- und Solarenergie oft nicht im eigentlich benötigten Maß
zur Verfügung, wodurch das übrige Stromnetz gezwungen ist, das System
auszugleichen. „Der Ansatz des 24/7-Vertrags kann den Einsatz von sauberer
Energie fördern, die wirklich dem Verbrauch entspricht und die Bedürfnisse
des Gesamtsystems unterstützt.“
TU Berlin wird den EU-Markt untersuchen
Die von Tom Brown und seinem Team entwickelte Software PyPSA wird nun
eingesetzt, um die Chancen, Vorteile und Kosten des 24/7-Ansatzes in
Europa zu bewerten. Sie kombiniert globale Wetterdaten, die für
Photovoltaik und Windenergie relevant sind, mit der Architektur der
Energienetze in den verschiedenen Ländern und mit den Standorten, an denen
elektrische Energie erzeugt und gespeichert werden kann. Während Google
für den US-Strommarkt mit der Princeton University und deren
Softwarelösung zusammenarbeitet, fiel die Wahl für Europa auf die TU
Berlin. „Google freut sich, mit der TU Berlin zusammenzuarbeiten, um die
Vorteile der CO2-freien Stromversorgung auf Stundenbasis für das
europäische Netz mit dem hochmodernen PyPSA-Modell zu untersuchen. Sehr
gerne unterstützen wir diese wichtige Forschungsarbeit und greifen auf die
langjährige Erfahrung der TU Berlin bei der Analyse des EU-Strommarktes
zurück“, sagt Caroline Golin, Global Head of Energy Markets and Policy bei
Google.
Schnelle Analyse möglich
„Das Besondere an PyPSA ist, dass der Code für sehr große Netzwerke und
lange Zeitreihen optimiert wurde. Genau das, was man für die Simulation
der Schwankungen von Wind und Sonne braucht“, sagt Tom Brown. Da es sich
bei PyPSA um eine Open-Source-Software handelt, kann sie leicht an die
spezifischen Bedürfnisse verschiedener Nutzer*innen angepasst werden.
Außerdem ist sie relativ schnell: Ein erster Überblick über die
Netzsituation einzelner Länder dauert nur wenige Minuten. Eine
hochauflösende Simulation für die gesamte EU allerdings 12 Stunden. „Wir
haben PyPSA außerdem besonders benutzerfreundlich gestaltet, mit einer
einfach zu bedienenden Oberfläche und einer ausführlichen Dokumentation.“
Die letzte Meile wird die teuerste
Während der jährlich gemittelte Ökostromverbrauch von Google schon seit
2017 bei 100 Prozent liegt, deckt das Unternehmen weltweit
durchschnittlich 67 Prozent seines stündlichen Stromverbrauchs mit
sauberer Energie ab. In Deutschland werden es dank eines 24/7-Vertrags mit
dem französischen Energieunternehmen Engie bald sogar 80 Prozent sein.
Nach vorläufigen Erkenntnissen der TU Berlin wird es jedoch eine größere
Herausforderung sein, 100 Prozent zu erreichen: „Eines der ersten
Ergebnisse unserer Modellierung ist, dass der Schritt von 80 auf 100
Prozent 24/7-Anteil am Kauf von CO2-freiem Strom genauso teuer ist wie der
Schritt von 0 auf 80 Prozent“, erklärt Brown.
Was PyPSA beantworten kann
Die wichtigsten Fragen, die die Forscher nun mit Hilfe von PyPSA
beantworten möchten: Welche Technologien sind besonders hilfreich, wenn
Stromverbraucher*innen in Europa auf 100 Prozent erneuerbare Energie rund
um die Uhr umsteigen wollen? Batterien, die den Netzstrom nur für Stunden
effizient speichern, oder die Wasserstofftechnologie, die dies für viele
Tage und Wochen tun kann? Welche Rolle könnte die Geothermie zur
Zwischenspeicherung von Strom spielen, und was ist mit fossilen
Energiequellen, die durch die Abscheidung von CO2 sauber werden (CCS –
Carbon Capture and Storage)? „Wir wollen auch verstehen, wie wichtig es
ist, Strom in der Nähe von Googles Rechenzentren zu erzeugen, und ob
Berechnungen je nach Wetterlage zwischen den Zentren verschoben werden
können“, erklärt Tom Brown. Denn eines sei sicher: „Irgendwo in Europa
weht immer der Wind.“
Wachsendes Interesse an 24/7 CO2-freiem Strom
Heute gibt es mehr als 65 Unterzeichnende des „24/7 Carbon-free Energy
Compact“, einem neuen Zusammenschluss, der von der internationalen
Organisation „Sustainable Energy for All“ organisiert wurde, um 24/7
erneuerbaren Strom zu fördern und den Übergang zu CO2-freien Stromnetzen
zu beschleunigen. „Institute, Think Tanks und Netzbetreibende arbeiten
bereits seit mehreren Jahren mit unserem Open-Source-Produkt. Da sich die
Vorteile von 24/7 herumsprechen, rechnen wir mit vielen weiteren Studien
mit PyPSA in diesem Bereich“, sagt Brown. Eine der Interessent*innen ist
die Strom-Netzbetreiber*in 50Hertz mit Sitz in Berlin: „Im Rahmen des EU-
Projekts Energy Track and Trace beteiligen wir uns bereits an der
Entwicklung eines europäischen Industriestandards für eine
24/7-Darstellung von erneuerbaren Energien. Wir sind deshalb sehr gespannt
auf die Ergebnisse des Projekts der Technischen Universität. Schließlich
ist die Dekarbonisierung der Industrie einer der wichtigsten Bausteine, um
unsere ehrgeizigen nationalen und internationalen Klimaziele zu
erreichen“, betont Dr. Dirk Biermann, Geschäftsführer Märkte und
Systembetrieb bei 50Hertz.
Handel mit granularen Zertifikaten
Tom Brown sieht auch die Möglichkeit, dass „24/7-Zertifikate“ in Zukunft
auf Stundenbasis gehandelt werden könnten. Die von der Industrie ins Leben
gerufene Initiative „EnergyTag“ hat gerade einen neuen internationalen
Standard für sogenannte granulare Energiezertifikate veröffentlicht, der
den „Zertifikaten für erneuerbare Energien“ in Nordamerika und den
„Herkunftsnachweisen“ in Europa einen Zeitstempel hinzufügt, der die
Stunde oder die halbe Stunde angibt, in der der Strom produziert wurde.
Dies könnte auch für Bescheinigungen nützlich sein, dass Wasserstoff aus
der Elektrolyse mit Ökostrom hergestellt wurde. Solche Zertifikate würden
die Einführung von grünem Wasserstoff zur Dekarbonisierung von
Industrieprozessen beschleunigen.
Weiterführende Informationen:
Technische Informationen über die Open-Source-Software PyPSA:
<https://pypsa.readthedocs.io>
Interessierte Laien, Leistungskurse oder Studierende können hier erste
Schritte mit einem vereinfachten Modell machen: <https://model.energy/>
Liste der Nutzer*innen von PyPSA:
<https://pypsa.readthedocs.io/
governmental-organisations>
- Aufrufe: 15