Logbuch 3

Zum Projektverlauf Kreis Steinfurt

Im Logbuch 3 stellen wir Ihnen aktuelle Projektergebnisse zum Projekt "Kreis Steinfurt" zur Verfügung.

 

 

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Aachen, Februar 2021
Internes Projekttreffen zwischen B E T & CWD
Bastian Kiesheyer
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Internes Projekttreffen zwischen B E T & CWD
Am 11. Februar 2021 kamen die Projektverantwortlichen des CWD und der B E T zu einem internen Workshop zusammen, der aufgrund der anhaltenden Corona-Pandemie virtuell per Videokonferenz gehalten wurde. Auf der Agenda standen unter anderem die Reflexion des bisherigen Projektverlaufs und der Projektabgleich „Soll Ist“ der verschiedenen Arbeitspakete. Ein Schwerpunkt des Projekttreffens war die Vorstellung und anschließende Diskussion der ArkESE-Toolchain, die B E T in den letzten Monaten zu einem anschaulichen Fahrplan („F ArkESE “) der Kommunenbetreuung weiterentwickelt hatte. Die Pfade der Strategieentwicklung, der Wirtschaftlichkeitsanalyse, der technischen Analyse und des Stakeholder-Prozesses führen hierbei über mehrere Verzweigungs-, Vertiefungs- und Entscheidungspunkte zur Ausarbeitung kommunaler Energiesysteme. Um den stetigen Austausch unterhalb der Projektpartner voranzutreiben, wurde bereits das nächste Arbeitstreffen in 5 Wochen vereinbart.

Gruppenbild des virtuellen Projekttreffens
v. l. n. r.: Dominic Nails (B E T), Ralf Schelenz (CWD), Lucas Blickwedel (CWD), Corinna Semling (B E T), Bastian Kiesheyer (B E T), Tobias Spratte (CWD), Laura Stößel (CWD)

Aachen, November 2020
Lastflussanalysen in INTEGRAL
Bastian Kiesheyer
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Das Softwaretool INTEGRAL
Eine detaillierte Analyse des elektrischen Energienetzes ist nur mit Hilfe von kommerzieller Netzberechnungssoftware möglich, die sowohl die Wirkleistungs- als auch die Blindleistungsflüsse des als Wechselstrommodell abgebildeten Stromnetzes berücksichtigt. Bei B E T wird hierzu mit dem Softwaretool INTEGRAL gearbeitet. INTEGRAL (Interaktives Grafisches Netzplanungssystem) ist ein Softwaretool der FGH GmbH (vormals Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.V) zur Planung elektrischer Energieversorgungsnetze, mit dessen Unterstützung die deutschen Übertragungsnetze, teilweise auch die 110 kV-Netze, geplant und berechnet werden.
Lastflussberechnungen
Für die Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb wird heutzutage in erster Linie die Lastflussberechnung als wesentliches Netzberechnungsverfahren eingesetzt. Die grundlegende Aufgabe der Lastflussberechnung ist die Ermittlung der Strom- und Spannungsverhältnisse im elektrischen Netz für den vorgegebenen Netzbelastungsfall, aus denen dann die resultierenden Wirk- und Blindleistungsflüsse über die Betriebsmittel des Netzes berechnet werden. Ausgangslage für die Grundfallrechnung der Lastflussanalyse sind die gegebenen Einspeiseleistungen und Belastungen in den Netzknoten, sowie die Topologie des Netzes.
Aufbau eines detaillierten Verteilnetzmodells in INTEGRAL
Für tiefergehende Untersuchungen der sich ergebenen Netzsituationen wurde das Steinfurter Verteilnetz in hinreichender Detailtiefe in INTEGRAL modelliert. Hierbei wurde, wie schon bei der Modellierung des Steinfurter Knoten-Kanten-Modells zur Stromnetzabbildung in B E T GridMod, auf die von den Stadtwerken Steinfurt zur Verfügung gestellten Netzdaten zurückgegriffen. Der Grundriss der Netzschemagrafik des Steinfurter Verteilnetzes in INTEGRAL ist unten abgebildet.
Um das unternehmenseigene Tool B E T GridMod mit der Netzberechnungssoftware INTEGRAL zu verknüpfen, wurde zudem eine Schnittstelle konfiguriert, sodass die Optimierungsergebnisse aus B E T GridMod und die Lastflussergebnisse aus INTEGRAL jeweils in das andere Tool überführt werden können.
Lastflussanalysen in INTEGRAL
Für eine zuverlässige und sichere Stromversorgung muss das kommunale elektrische Energieversorgungsnetz in allen Netzsituationen die Spannungs- und Stromgrenzen einhalten. Zur Überprüfung der Netzverträglichkeit des Steinfurter Energiesystems wird das Verteilnetzmodell in INTEGRAL mit den Leistungswerten der charakteristischen Netznutzungsfälle aus B E T GridMod beaufschlagt. In den untersuchten Lastfällen der Stadt Steinfurt liegen keine überlasteten Netzelemente oder Spannungsbandverletzung vor, sodass der Ist-Systemzustand insgesamt als unkritisch eingestuft werden kann. Folglich kann das in B E T GridMod optimierte Energiesystem auch als netzverträgliches Energieversorgungssystem für die Stadt Steinfurt bewertet werden.
Das Verteilnetzmodell und die Lastflussberechnungen in INTEGRAL ermöglichen so detaillierte Aussagen; beispielsweise, ob die aus Erzeugungssicht optimale Anlagenkonfiguration für die Stadt Steinfurt auch im Hinblick auf das Netz sinnvoll ist. Somit ist eine wechselseitige Abstimmung von Erzeugung, Verbrauch und Verteilung simulativ abbildbar und Empfehlungen für die Stadt Steinfurt sind möglich.

Netzschemagrafiken des örtlichen Verteilnetzes in Steinfurt in der Software INTEGRAL

Aachen, August 2020
Aufbereitung der Optimierungsergebnisse in B E T GridMod
Bastian Kiesheyer
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Aufbau eines vereinfachten Verteilnetzmodells
Mit B E T GridMod ist es nun möglich das kommunale Energiesystem der Stadt Steinfurt unter Berücksichtigung der lokalen elektrischen Netzgegebenheiten zu optimieren. Um die Optimierungsergebnisse, wie die Erzeugungs- und Lastwerte sowie die Leistungsflüsse und Leitungsauslastungen, einer räumlich aufgelösten Analyse zugänglich zu machen, wurde ein vereinfachtes, GIS-typisiertes Verteilnetzmodell für Steinfurt erstellt.
Wirklastflussdarstellung im vereinfachten Verteilnetzmodell
Das vereinfachte Steinfurter Verteilnetzmodell ermöglicht eine Wirklastflussdarstellung der Optimierungsergebnisse aus B E T GridMod und richtet so den Fokus der Auswertung auf die Netzseite des Steinfurter Energiesystems. Dabei werden jeder Kante des Steinfurt Knoten-Kanten-Modells der Betrag des Wirkleistungsflusses und der Betrag der Auslastung des zugehörigen Prozesses zugeordnet. Die Richtung des Wirkleistungsflusses wird durch Pfeile widergespiegelt, die Höhe des Wirkleistungsbetrags durch die Kantenstärke des Pfeils. Die Auslastung der Leitung wird mittels einer diskreten Farbskala veranschaulicht, anhand welcher der Pfeil eingefärbt wird. Die zugehörige Legende ist unten beigefügt.
Analyse anhand von verschiedenen Netznutzungsfällen
Elektrische Energieversorgungsnetze müssen eine hohe Versorgungszuverlässigkeit und Versorgungsqualität sicherstellen, die robust gegenüber äußeren Einflüssen sind. Um das Verhalten des Steinfurter Mittelspannungsnetzes für extreme Belastungssituationen zu berechnen, werden verschiedene Lastfälle analysiert, die durch das Verhältnis von Erzeugung und Verbrauch bestimmt sind. Aus der Kombination der extremen Erzeugungsfälle der Windenergie-, PV- und Biogasanlagen in Steinfurt mit den minimalen und maximalen Lasten der Stadt Steinfurt, ergeben sich die kommunenspezifischen Netznutzungsfälle. Anhand des vereinfachten Verteilnetzmodells sind nun erste Abschätzungen bezüglich der Netzverträglichkeit der Optimierungsergebnisse für die Stadt Steinfurt möglich. Untenstehende Wirklastflussdarstellung zeigt den Lastfall „Starklast & StarkWind“, d. h. den Netzzustand bei hoher Stromnachfrage in den Lastknoten und hoher Einspeisung der Windenergieanlagen in den Windeinspeiseknoten.
 

Wirklastflussdarstellung des vereinfachten Verteilnetzmodells in B E T‑GridMod für den Netznutzungsfall „Starklast & StarkWind“

Aachen, Juli 2020
Von B E T SysMod zu B E T GridMod
Bastian Kiesheyer
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B E T SysMod
In der ersten Modellierungsphase wurde das kommunale Energiesystem der Stadt Steinfurt bereits als ein vereinfachtes Ein-Knoten-Modell in B E T SysMod abgebildet. Um das erarbeitete Stromnetzmodell der Stadt Steinfurt nun auch in B E T SysMod integrieren zu können, war eine Weiterentwicklung des Tools notwendig.
Räumliche Erweiterung von B E T SysMod
Die räumliche Erweiterung der Erzeugerseite erforderte die Bildung von Erzeugungs-, Einspeise- und Netzanschlussknoten, um die Einspeiseknoten mit den Netzknoten des Stromnetzmodells und somit die Erzeugerseite mit der Netzseite zu verbinden. Nach Ermittlung der Windparkzugehörigkeit und der Netzanschlusspunkte der Windenergieanlagen in Steinfurt, konnten die einzelnen Windenergieanlagen angemessen aggregiert und je einem Einspeiseknoten zugeordnet werden. Die Einspeiseknoten sind über jeweils eine Kante, der Einspeiseleitung, mit den entsprechenden Netzanschlussknoten verbunden. Dies sind in den meisten Fällen die Umspannwerke in Steinfurt.
Unter Berücksichtigung der kommunalen Stromnetzinfrastruktur wurde das Energiesystem der Stadt Steinfurt aufbauend auf dem Ein-Knoten-Modell räumlich zu einem Energieversorgungsnetzmodell erweitert, indem es als Knoten-Kanten-Modell mit Knoten für die Erzeugungsanlagen und Lastzentren und Kanten für die Leitungen des Elektrizitätsnetzes implementiert wurde.
Das Steinfurter Energiesystemmodell in B E T GridMod
B E T GridMod ist das räumlich weiterentwickelte Tool B E T SysMod, welches bei der Optimierung des Energiesystems nun auch die Eigenschaften der elektrischen Stromnetzinfrastruktur miteinbezieht. Für das Steinfurter Energiesystemmodell bedeutet dies unter anderem, dass die Erzeugungszeitreihen aller modellierten Energieerzeugungsanlagen, die Leistungsflüsse über allen Netzbetriebsmitteln, die Strombedarfsdeckungen aller Verbraucher und eventuelle Ein- und Ausspeichervorgänge berechnet werden können. 
Eine vereinfachte Ansicht des Steinfurter Energieversorgungsnetzmodells ist unten beigefügt. Das Steinfurter Modell in B E T GridMod umfasst Einspeiseknoten der Windenergie-, PV Aufdach-, und Biogasanlagen sowie die zugehörigen Einspeiseleitungen als Kanten. Es umfasst des Weiteren Lastknoten, Kanten des Mittelspannungsnetzes, Knoten der Umspannwerke sowie weitere Hilfsknoten und -kanten.

Vereinfachte Ansicht des Steinfurter Energieversorgungsnetzmodells in B E T‑GridMod

Aachen, Mai 2020
Modellierung des kommunalen elektrischen Verteilnetzes
Bastian Kiesheyer
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Das Knoten-Kanten-Modell zur Stromnetzabbildung
In der vorherigen Projektphase wurde das Energiesystem der Stadt Steinfurt in B E T SysMod vereinfacht als Ein-Knoten-Modell modelliert, in welchem das Stromnetz als Kupferplatte abgebildet und somit zunächst vernachlässigt wurde. Dieser Ansatz des Kupferplattenmodells ging von einem uneingeschränkten elektrischen Netz ohne die Berücksichtigung von Netzrestriktionen aus. Um die Eigenschaften der kommunalen elektrischen Energieversorgung im Energiesystemmodell mit einzubeziehen, wurde das elektrische Verteilnetz der Stadt Steinfurt nun mittels eines sogenannten Knoten-Kanten-Modells implementiert. Elektrische Energienetzmodelle bestehen hierbei aus Netzknotenpunkten, die über Kanten miteinander verknüpft sind.
Abbildung des Mittelspannungsnetzes der Stadt Steinfurt
Für eine hinreichend genaue Abbildung des elektrischen Verteilnetzes der Stadt Steinfurt ist die Kenntnis der örtlichen Netzgegebenheiten von zentraler Bedeutung. Die von den Stadtwerken Steinfurt zur Verfügung gestellten Netzdatensätze stellten die Datenbasis dar, anhand derer die Expert*innen von B E T das für die Stadt Steinfurt spezifische Knoten-Kanten-Modell konstruieren konnten. Um die Kombination der verfügbaren Netzdaten zu erleichtern, wurden die vorliegenden Informationen in einem geografischen Informationssystem erfasst und bearbeitet.
Die Knoten des Steinfurter Stromnetzmodells
Nach einer Grobbetrachtung des Verteilnetzes in Steinfurt wurde eine bestimmte Anzahl an Knoten definiert, die die charakteristische Netzstruktur wiedergibt, und zwischen denen ein Leistungsaustausch möglich ist. Die Definition der Netzknoten orientierte sich dabei vorrangig an den detaillierten Mittelspannungs-Netzdaten; miteinbezogen wurden zudem die analysierten Erzeugungs-, Last- und Stadtstrukturen. Die Kreisstadt Steinfurt besteht aus den beiden Stadtteilen Borghorst und Burgsteinfurt, die jeweils aus weiteren drei Bauernschaften bestehen. Weitere wichtige Netzknotenpunkte sind die drei Umspannwerke des Stadtgebiets.
Die Kanten des Steinfurter Stromnetzmodells
Die Kanten des Knoten-Kanten-Modells stellen Abbildungen der realen Kabel und Freileitungen des kommunalen Energieversorgungsnetzes dar. Hierbei wurde sich auf das örtliche Mittelspannungsnetz fokussiert. Der leitungsgebundene Elektrizitätstransport findet im Netzmodell an den Kanten statt, deren Kapazität gemäß von maximalen Nettoübertragungskapazitäten beschränkt ist. Die resultierende Stromnetzabbildung des Mittelspannungsnetzes der Stadt Steinfurt mit ihrer charakteristischen Netzstruktur aus Knoten und Kanten ist unten vereinfacht dargestellt.
Das implementierte Stromnetzmodell wird dabei helfen, netztechnisch ungünstige Entscheidungen bei der Planung von Grobkonzepten zu vermeiden sowie die räumliche Erweiterung des Tools B E T SysMod zu realisieren.

Übersicht der Ortsteile und Bauernschaften der Stadt Steinfurt

Vereinfachte Ansicht des Steinfurter Stromnetzmodells

Aachen / Steinfurt, März 2020
Der zweite Individual-Workshop mit der Stadt Steinfurt
Bastian Kiesheyer
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Der zweite Individual-Workshop mit der Stadt Steinfurt
Nach gut einem Jahr Laufzeit des Forschungsprojekts „ArkESE“ kamen die Projektpartner CWD und B E T sowie die Projektkoordinatorin des Amts für Klimaschutz und Nachhaltigkeit des Kreises Steinfurt, Ursula Wermelt, am 31. März zum zweiten Individual-Workshop zusammen. Aufgrund der pandemischen Verbreitung des neuen Coronavirus fand der Workshop nicht persönlich, sondern per Videokonferenz statt. Die Ziele des zweiten Individual-Workshops waren die Rekapitulation des ersten Projektjahres, die Präsentation und Diskussion der bisherigen Ergebnisse, die Rückmeldung der Stadt Steinfurt zum Projekt sowie die Planung und Absprache der nächsten Arbeitsschritte.
Rekapitulation des ersten Projektjahres
Im ersten Projektjahr bestand die Zusammenarbeit mit der Stadt Steinfurt vorwiegend aus dem gegenseitigen Kennenlernen, der Identifikation von Zielen, Akteuren und Rahmenbedingungen sowie der Unterstützung bei der umfassenden Sammlung benötigter Datensätze. Auf Seiten des CWD stellten die Anforderungskataloge zur Datenakquise, die Entwicklung des „House of municipal Energy“ („HomE“) zur Verknüpfung von Zielen und Stakeholdern sowie die modellbasierte Potenzialermittlung für die Stadt Steinfurt entscheidende Meilensteine im Projekt dar. Auf Seiten der B E T stellten die Projektion externer Parameter, die Szenarienbildung, der erste vollständige Optimierungsdurchlauf in B E T SysMod sowie die kontinuierliche Modellweiterentwicklung des kommunalen Energiesystems der Stadt Steinfurt entscheidende Meilensteine im Projekt dar.
Präsentation und Diskussion der bisherigen Ergebnisse
Das CWD präsentierte die Ergebnisse des „HomE“ bezüglich der relativen Zielgewichtungen der Teilziele des Kreises Steinfurt und bezüglich des Einflusses der einzelnen Stakeholdergruppen. Das unten abgebildete Spinnennetzdiagramm der Zielgewichtungen des Kreises Steinfurt zeigt ein insgesamt ausgewogenes Profil mit leichtem Fokus in Richtung sozialer und ökonomischer Ziele. Während der Einfluss der Stakeholdergruppe Multiplikatoren im Kreis Steinfurt sehr hoch ausfällt, ist der Einfluss der Stakeholdergruppe Versorgungswirtschaft verhältnismäßig gering. Frau Wermelt führte dies zum einen darauf zurück, dass die Anzahl der Multiplikatoren mit der Anzahl an Gemeinden (24 im Kreis Steinfurt) steige; zum anderen sinke der Einfluss der Versorgungswirtschaft mit zunehmender Anzahl an Stakeholdern in dieser Gruppe (7 Stadtwerke im Kreis Steinfurt). Das CWD stellte zudem seine Modelle zur Bestimmung des Potenzials für Windenergie-, Biogas- und Photovoltaikanlagen vor und präsentierte das ermittelte Ausbaupotenzial für die Stadt Steinfurt.
B E T stellte das Optimierungstool B E T SysMod vor und präsentierte den aktuellen Stand der Modellbildung des kommunalen Energiesystems sowie bereits vorläufige Optimierungsformate. Dies beinhaltet zum einen ein Flächendiagramm, bei der die Flächenaufteilung unterhalb der Strombedarfslinie anzeigt, ob die Gesamtlast der Stadt Steinfurt durch kommunal erzeugten EE Strom oder durch Strombezug aus dem Netz gedeckt wird. Das andere Auswertungsdiagramm ist ein gruppiert gestapeltes Säulendiagramme, bei dem ein Säulenpaar die jeweils optimale stündliche Erzeugungs- und Verbrauchsstruktur der Stadt Steinfurt aufzeigt. Der linke Balken spiegelt die Erzeugerseite wider, indem er die Einspeisemengen differenziert nach den unterschiedlichen Energiequellen veranschaulicht. Der rechte Balken spiegelt die Verbraucherseite wider, indem er die eingespeisten oder bezogenen Strommengen nach ihrer Verwendung differenziert. Der gestrichelte Linienverlauf zeigt den gesamten kommunalen Strombedarf der Stadt Steinfurt.

Ergebnisse der Zielfunktionserhebung im „HomE“ für Steinfurt

Einfluss der einzelnen Stakeholdergruppen des Kreises Steinfurt

Erste Ergebnisformate der Optimierung in B E T‑SysMod

Stromportfolio der Stadt Steinfurt am Freitag der beispielhaften Januarwoche

Aachen, Dezember 2019
Erster vollständiger Optimierungsdurchlauf in B E T SysMod
Bastian Kiesheyer
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Zweck der Modellbildung
Die Vorteile einer modellbasierten Energiesystemanalyse ergeben sich aus der Kopplung bzw. Entkopplung des Modells mit bzw. von der realen Problemstellung. So ist es möglich, am Energiesystemmodell Fragestellungen und Untersuchungen durchzuführen oder alternative Entwicklungen zu überprüfen, die am realen System gar nicht möglich wären, wie beispielsweise sogenannte „was wäre, wenn“-Szenarien. Das Ziel der Modellbildung ist es, die Wirkzusammenhänge zwischen dem bestehenden Energiesystem, den Entwicklungsmöglichkeiten in der Erzeugung, im Verbrauch und der Verteilung sowie den Grad der Zielerreichung in sachgerechter Detailtiefe abzubilden.
Hintergrund des Softwaretools B E T SysMod
B E T SysMod ist ein von B E T entwickeltes Tool zur Abbildung, Analyse und Optimierung komplexer Energiesysteme. Dank seiner flexiblen Anwendungsmöglichkeiten ist B E T SysMod bereits in zahlreichen Projekten und Studien erfolgreich zum Einsatz gekommen. Die Modellierung des Energiesystems erfolgt als gemischt-ganzzahliges lineares Programm auf Basis eines Referenzenergiesystems, welches im Wesentlichen aus der Abbildung von Assets und Commodities besteht.
Abbildung der kommunalen Energiesysteme
Das ursprünglich zur Kraftwerkseinsatzoptimierung industrieller Zwecke konzipierte Tool wurde in den vergangenen Monaten für den Anwendungsfall von auf erneuerbaren Energien basierender Energiesysteme weiterentwickelt. Aufbauend auf den in der vorherigen Projektphase ermittelten Datensätzen, Parametersets, Szenarien und der konfigurierten Schnittstelle zum CWD, wurden die kommunalen Energiesysteme der Städte Lichtenau und Steinfurt in B E T SysMod nun vereinfacht modelliert. Das untenstehende Schema veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau der modellierten Systemstrukturen.
In einem ersten Schritt wurden die kommunalen Energiesysteme als vereinfachte Ein Knoten Modellen in B E T SysMod abgebildet. Diese Modelle fokussieren auf die technologisch aggregierte Abbildung der Erzeugungs- und Lastseite. Zur Deckung des kommunalen Strombedarfs stehen zum einen die lokalen EE Anlagen (Windenergie-, PV-Aufdach-, PV-Freiflächen- und Biogasanlagen) zur Verfügung; zum anderen kann Strom aus dem Netz bezogen werden. Das Modell berücksichtigt ferner die Möglichkeiten der Stromeinspeisung in die überlagerten Hochspannungsnetze, des Einspeisemanagements der EE Anlagen sowie der Ein- und Ausspeicherung von Strom. Das Stromnetz wird in diesem Schritt als Kupferplatte abgebildet und somit zunächst vernachlässigt.
Erster vollständiger Optimierungsdurchlauf in B E T SysMod
Neben den flexiblen Modellierungsoptionen bieten die Optimierungswerkzeuge in B E T SysMod die Möglichkeit, das modellierte System zu optimieren, d. h. das optimale Erzeugungskonzept zu bestimmen. Die ersten fehlerfreien Durchläufe der Optimierungsrechnungen konnten nun die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der gewählten Modellierung bestätigen.
 

Aachen, November 2019
Internes Projekttreffen zwischen B E T & CWD
Bastian Kiesheyer
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Internes Projekttreffen zwischen B E T & CWD
Am 5. November 2019 kamen die Projektverantwortlichen des CWD und der B E T zu einem internen Workshop in Aachen zusammen. Auf der Agenda standen unter anderem die Reflexion des bisherigen Projektverlaufs und der Projektabgleich „Soll   Ist“ der verschiedenen Arbeitspakete. Zudem wurde die ArkESE-Toolchain diskutiert; eine Methodik, die folgende Fragen anschaulich beantworten soll: welche Schritte und Phasen sind bei der Kommunenbetreuung zu durchlaufen und welche Informationen sind zu welchem Zeitpunkt für welche Entscheidung notwendig und über welche Kommunikationswege bereitzustellen?
Da die Modellarbeiten in B E T SysMod aufgrund der konfigurierten Schnittstelle zwischen CWD und B E T seit dem letzten Arbeitstreffen nun weiter fortgeschritten sind, wurde das Modellierungstool B E T SysMod und der aktuelle Stand der Modellierung dem CWD genauer vorgestellt. Abschließend wurden die zweiten Individualworkshops mit den Kommunen geplant, die im kommenden Jahr stattfinden sollen.

Aachen, September 2019 
Aufbereitung der kommunalen Datensätze
Bastian Kiesheyer
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Rohdatenaufbereitung und Potenzialermittlung
In den vergangenen Monaten hatte der Kreis Steinfurt verschiedenste Datensätze aus den Bereichen Erzeugung, Verbrauch, Netze, Flexibilitäten/Speicher, Demographie und Ökonomie gesammelt und den Projektpartnern CWD und B E T zukommen lassen. Unterstützung fanden die Bearbeiter*innen unter anderem in den Anforderungskatalogen, die ihnen im März zur Verfügung gestellt wurden. Anschließend wurden die gesammelten Rohdatensätze durch das CWD analysiert, aufbereitet, teilweise mit Hilfe von Referenzdatensätze vervollständigt, gemäß der vorgefertigten Datenkataloge sortiert und in eine Metadatenmappe der Stadt Steinfurt überführt.
Abbildung des kommunalen Energiesystems
Anhand des Steinfurter Metadatensatzes wurde eine interaktive Karte erstellt, die die Energieerzeugungsanlagen in Steinfurt übersichtlich darstellt. Ein Ausschnitt dieser Karte ist unten abgebildet. Der Kartenausschnitt zeigt den Status quo des Anlagenbestands der Stadt Steinfurt. Die Stadt Steinfurt ist in die Ortsteile Burgsteinfurt und Borghorst unterteilt, die jeweils durch eine Siedlung dargestellt werden und in denen Photovoltaikanlagen ortsspezifisch aggregiert sind. Die Karte zeigt außerdem einzelne Windenergie- und Biogasanlagen innerhalb der Stadt Steinfurt.
Das Ziel ist es, mittels der interaktiven Karte über die Darstellung des Status quo hinaus auch Potenzialmodelle darstellen zu können. Mit Hilfe der weiterverwerteten Daten konnten zudem die Erzeugungspotenziale der bestehenden Windenergie-, Biogas- und Photovoltaikanlagen in Steinfurt mit Hilfe der Potenzialmodelle des CWD berechnet werden.
Schnittstelle zwischen CWD und B E T
Die vom CWD aufbereiteten Datensätze der Stadt Steinfurt stellen einen entscheidenden Teil des Modellinputs für das Tool B E T SysMod dar, mit welchem das kommunale Energiesystem in der nächsten Projektphase modelliert wird. Es konnte erfolgreich eine Schnittstelle zwischen CWD und B E T konfiguriert werden, die den Transfer der Daten, die für die Modellierung und Parametrierung des kommunalen Energiesystems in B E T SysMod notwendig sind, sicherstellt.
 

Ausschnitt der interaktiven Karte des CWD, die den Status quo des Anlagenbestands in der Stadt Steinfurt darstellt

Aachen, Mai 2019
Konzeption robuster Energiesysteme
Bastian Kiesheyer, Dominic Nailis
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Das „r“ in ArkESE steht für „robust“
Der Aufbau eines kommunalen Energiesystems auf Basis von erneuerbaren Energien kann nicht ausschließlich isoliert in der Bilanzgrenze der Kommune betrachtet werden. Nicht alle Einflussfaktoren, die eine Auswirkung auf den Erfolg des Energiesystems haben, sind von der Kommune beeinflussbar. Um trotzdem ein robustes System zu konzipieren, ist die Kenntnis dieser externen Einflussfaktoren, wie beispielsweise die Entwicklung der Energiepreise, und deren Einfluss auf das Energiesystem essenziell. Robust beschreibt dabei ein Energiesystem, das trotz wechselnder externer Einflüsse in sich funktionsfähig bleibt.
Projektion externer Parameter
Die Szenarien der Energieversorgung werden, neben beeinflussbaren und entscheidbaren Größen, maßgeblich von externen, nicht direkt beeinflussbaren Faktoren bestimmt. Die Expert*innen von B E T identifizieren und analysieren diese externen Parameter und leiten deren zukünftige Entwicklung ab. Die Kommunen helfen hier bei der Identifikation externer Einflussfaktoren aus dem kommunalen Umfeld. Die Parameter werden in Form von Szenarien zusammengefasst.
Bildung von Szenarien
Um eine Aussage zur Robustheit des kommunalen Energiesystems treffen zu können, ist die sorgfältige Auswahl und Zusammenstellung verschiedener Szenarien notwendig. Die Bildung von Szenarien verfolgt das Ziel, konsistente, hinreichend detaillierte und unterschiedliche Szenarien als Modellinput zu generieren. Die Anforderungen der Konsistenz und der Verschiedenheit werden sichergestellt, indem die Szenarien mit Hilfe der Szenariotechnik kombiniert werden. Kern der Szenariotechnik ist, die Konsistenz eines Szenarios, das aus einer Vielzahl von Einzelparametern besteht, durch die sukzessive Beurteilung paarweiser Konsistenz zu generieren. Die Konkretisierung der Szenarien auf kommunaler Ebene wird als Inputgröße für spätere Modellrechnungen genutzt werden.
 

Aachen, März 2019
Durchschlagen im Daten-Dschungel
Bastian Kiesheyer, Fiona Lecour
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Daten über Daten
Für das Forschungsprojekt „ArkESE“ müssen die Kommunen eine Vielzahl verschiedener Daten aus den Bereichen Erzeugung, Verbrauch, Netze, Flexibilitäten/Speicher, Demographie und Ökonomie zusammentragen. Diese Daten sind teilweise bei den Kommunen vorhanden; teilweise müssen die Daten jedoch auch bei übergeordneten Stellen angefordert werden. Unklarheiten bezüglich der richtigen Ansprechpartner*innen, des genauen Dateninhalts und der Detailtiefe stellen ein Hindernis bei der Datenakquise dar, welches die Kommunen nur begrenzt eigenständig überwinden können. Hier unterstützen die Expert*innen von B E T und CWD.
Unterstützung für die Kommunen
Aufbauend auf den Individual-Workshops mit den Kommunen im Februar, in denen der Datenbedarf und die Datenqualität besprochen wurde, konnten ein Anforderungskatalog für Potenzialdaten und ein Anforderungskatalog für Netzdaten erarbeitet werden. Diese Kataloge sollen die Datenakquise der Kommunen erleichtern, indem sich die Kommunen mit einer Art vorformulierter Wunschliste an die relevanten Stellen wenden können. Hierbei wird der Datenbedarf klar in den Rahmen des Forschungsprojektes eingeordnet. Die Anschreiben können die Kommunen direkt zur Datenbeschaffung an relevante Akteure, wie beispielsweise Anlagenbetreiber oder Abteilungen der städtischen Verwaltung, weiterleiten. So kann sichergestellt werden, dass die einzuholenden Datensätze den geforderten Daten für das Forschungsprojekt genügen.
 

Steinfurt, Februar 2019
Der erste Individual-Workshop mit dem Kreis Steinfurt
Bastian Kiesheyer, Fiona Lecour
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Der erste Individual-Workshop mit dem Kreis Steinfurt
Nur wenige Wochen nach dem gemeinsamen Auftaktworkshop in Aachen, trafen die Delegierten der Projektpartner B E T und CWD mit den Vertreter*innen der Kommune Steinfurt für einen eintägigen Workshop im Energieland2050 e.V. in Steinfurt am 12. Februar 2019 zusammen. Die Ziele des ersten Individual-Workshops waren die eigene Vorstellung der Kommune Steinfurt, die Weiterführung und die Verknüpfung der Ergebnisse aus dem Auftaktworkshop sowie die Durchführung einer ersten Datensichtung.
Vorstellung des Kreises Steinfurt
Um ein konkretes Bild von der Kommune Steinfurt zu bekommen, lag der Fokus des Workshops zunächst auf der eigenen Vorstellung der Kommune Steinfurt, welche als Kreis Steinfurt 24 Städte und Gemeinden umfasst. Dies beinhaltete die Vorstellung vergangener und aktueller Projekte, Vorarbeiten und des Status quo des kommunalen Energiesystems. Das CWD und B E T hatten hier die Möglichkeit zu erfahren, wie die Entwicklung in Sachen erneuerbaren Energien im Kreis Steinfurt bisher vonstattengegangen ist.
Die Projektkoordinatorin des Amts für Klimaschutz und Nachhaltigkeit des Kreises Steinfurt, Ursula Wermelt, stellte die energiepolitischen Ziele des Kreises Steinfurt sowie das Amt für Klimaschutz und Nachhaltigkeit des Kreises Steinfurt vor. Dieses sei eng mit der Arbeit des 2017 gegründeten gemeinnützigen Vereins für Klimaschutz und Nachhaltigkeit, energieland2050 e. V., verknüpft. Dort werden alle Tätigkeiten im Rahmen von Klimaschutz und erneuerbaren Energien für den gesamten Kreis Steinfurt gebündelt und koordiniert. Der Geschäftsführer des Energieland2050, Ulrich Ahlke, präsentierte ausführlich das Energieland2050 und dessen bisherige Fortschritte im Kreis Steinfurt. Frau Sara Vollrodt (Energieland2050) stellte zudem die Kommunenstruktur und Verteilung der Klimaschutzmanager vor, die mit 44 Klimaschutzmanagern in 24 Kommunen eine hohe Dichte aufweist. Mit dem „Masterplan Wind" und dem „Masterplan 100 % Klimaschutz“ haben bereits intensive Vorarbeiten in Steinfurt stattgefunden. Aktuell werden die Projekte „Masterplan Sonne“, Steinfurter Flexkraftwerke, Ladesäulenkonzepte und ein Wasserstoff-Wettbewerb, bei dem sich der Kreis Steinfurt als Modellkommune bewirbt, verfolgt.
Verknüpfung von Zielen und Stakeholdern im „HomE“
Auf Basis der ersten Gespräche im Rahmen des gemeinsamen Auftaktworkshops in Aachen wurde im Individual-Workshop in Steinfurt die Identifikation der Stakeholder und gemeinsamer Ziele weiter ausgearbeitet. Das „House of municipal Energy“ („HomE“) ist ein vom CWD im Vorfeld entwickeltes Tool zur Verknüpfung der erarbeiteten Ziele und Stakeholder, welches das CWD in dem Individual-Workshop vorstellte. Die tabellarische Zusammenfassung der Zielvorstellungen aller Akteure ermöglicht mittels einer Bewertungsmatrix die Ableitung einer repräsentativen und transparenten Zielfunktion für den gesamten Kreis Steinfurt. Dabei nehmen die Gewichtungen der individuellen Ziele und die Gewichtungen der Stakeholder eine entscheidende Rolle ein. Diese Gewichtungen werden vom Kreis Steinfurt selbst in den folgenden Wochen vorgenommen. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Zielgewichtungen aus dem „HomE“ können im späteren Projektverlauf unterschiedliche Ausbauprojekte auf ihren kommunenspezifischen Projektnutzen hin bewertet werden.
Erste Datensichtung
Um die Qualität und Verfügbarkeit der Daten abschätzen zu können, die im Kreis Steinfurt zur Verfügung stehen, wurde im ersten Individual-Workshop eine erste Datensichtung durchgeführt. Frau Wermelt und Frau Vollrodt stellten die lokale Datenlage im Bereich Windenergie, Photovoltaik und Versorgungsnetzwerke dar. Das CWD und B E T haben daraufhin Datenanforderungen in den Bereichen Erzeugung, Verbrauch, Netz, Flexibilitäten/Speicher, Demographie und Ökonomie aufgezeigt und den zuvor vom Kreis Steinfurt ausgefüllten Fragebogen zur ersten Datenerfassung mit den Workshop-Teilnehmer*innen besprochen.
Besichtigung des Bürgerwindparks Hollich/Sellen 
Zur Besichtigung eines lokalen Windparks trafen sich die Workshop-Teilnehmer*innen an der historischen Hollicher Mühle mit den Herren Hermann Niehus und Friedhelm Dennemann der Windpark Hollich GmbH & Co.KG. Diese stellten den Bürgerwindpark vor und berichteten von dessen Entstehungsgeschichte.

Vereinfachte Ansicht eines beispielhaft ausgefüllten „HomE“

Gruppenbild vom Workshop in Steinfurt

Gruppenbild vor der Hollicher Mühle

Aachen, Januar 2019
Gemeinsamer Auftaktworkshop zum Projektbeginn in Aachen
Bastian Kiesheyer, Dominic Nailis
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B E T und CWD treffen sich zum ersten Austausch mit den Beispielkommunen
Zum Auftakt des Forschungsprojektes „ArkESE“ kamen die Projektpartner B E T und CWD und die projektbegleitenden Ausschüsse der Stadt Lichtenau, des Kreises Steinfurt und der EnergieAgentur.NRW zu einem eintägigen Workshop am Center for Wind Power Drives in Aachen am 24. Januar 2019 zusammen. Auf der Workshop-Agenda standen die aktuelle Projektvorstellung inklusive der Projektinhalte und -ziele sowie ein erster fachlicher Austausch unter allen Projektteilnehmer*innen. Weiterhin sollten mögliche individuelle Ziele von Kommunen und relevante Stakeholder im Kontext kommunaler Energieversorgung gemeinsam identifiziert werden.
Identifikation individueller Ziele
Mit dem Aufbau eines kommunalen Energiesystems verfolgt jede Kommune eine individuelle Kombination von Zielen wie beispielsweise Energieautarkie, lokale Wertschöpfung oder Reduktion von Treibhausgasen. Im Rahmen eines ersten interaktiven Austauschs erarbeiteten die Workshop-Teilnehmer*innen mögliche ökonomische, ökologische und soziale Ziele und ordneten diese innerhalb des energiepolitischen Zieldreiecks zwischen Versorgungssicherheit, Umweltverträglichkeit und Bezahlbarkeit ein.
Identifikation kommunaler Stakeholder
Die Kenntnis dieser Ziele und die Kenntnis der vorhandenen Akteursstruktur sind Voraussetzungen für kommunenspezifische Handlungsempfehlungen. Im Rahmen des zweiten interaktiven Austauschs identifizierten die Workshop-Teilnehmer*innen mögliche Stakeholder und Akteure aus ihren Kommunen und ordneten diese den sechs Kategorien „Öffentliche Hand“, „Privatpersonen“, „Versorgungswirtschaft“, „Wissenschaft und Bildung“, „Gewerbe, Handwerk, Dienstleister“ und „Multiplikatoren“ zu.
Abschließend wurde das weitere Vorgehen im Forschungsprojekt besprochen sowie die Agenda der ersten Individual-Workshops mit den jeweiligen Kommunen diskutiert, die bereits in den kommenden Wochen stattfinden sollen.
 

Aachen, Dezember 2018
Start des Forschungsprojekts „ArkESE“
Bastian Kiesheyer, Fiona Lecour, Dominic Nailis
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„ArkESE“ – Auslegung robuster kommunaler Energiesysteme auf Basis von erneuerbaren Energien
Am 1. Dezember 2018 startete das für drei Jahre angesetzte Forschungsprojekt „ArkESE“. Ziel des Projekts ist die Erarbeitung einer Methode zur Beratung von deutschen Kommunen im Hinblick auf den Aufbau von lastganggerechten und netzverträglichen Energiesystemen auf Basis von erneuerbaren Erzeugungskapazitäten. Kommunen sollen in eine Position versetzt werden, in der sie die notwendigen konzeptionellen, organisatorischen, wirtschaftlichen und technischen Entscheidungen selbstständig vorbereiten, treffen und umsetzen können.
Neben der Erhöhung des Anteils erneuerbarer Erzeugungskapazitäten an der Strombereitstellung führt die Anwendung der zu entwickelnden Methodik zur Steigerung der Effizienz beim Verbrauch und der Verteilung von Strom. Durch Aufklärung, Erfahrungsaustausch und Modelle werden inhärente Unsicherheiten reduziert und Kommunen in die Lage versetzt, die Energiewende aktiv voranzutreiben. Damit leistet das Projekt einen signifikanten Beitrag zum Ausbau erneuerbarer Erzeugungskapazitäten, zur Reduktion von Treibhausgasemissionen im Energiesektor und trägt außerdem dazu bei, die Versorgungssicherheit zu erhöhen und die Akzeptanz durch kommunale Partizipation zu steigern.
Zusammenarbeit von B E T, CWD und Beispielkommunen
Eine solche Methode kann nur auf interdisziplinärem Wege erstellt werden, indem Technikanalysen, Wirtschaftlichkeits- und Akzeptanzbetrachtungen tiefgreifend miteinander verknüpft werden. Hierzu werden die beiden Projektpartner, das Büro für Energiewirtschaft und technische Planung GmbH (B E T) und der Chair for Wind Power Drives (CWD) der RWTH Aachen, kooperieren und mit zwei Beispielkommunen aus Nordrhein-Westfalen, der Stadt Lichtenau und dem Kreis Steinfurt, zusammenarbeiten.