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Schwarmintelligenz nutzen
Acht Verbundvorhaben heben gemeinsam die Flexibilitäts-potenziale von Quartieren
Wohn-, Gewerbe- und Industriequartiere gelten als Schlüssel für eine klimaverträgliche Energieversorgung. Hier treffen Strom, Wärme, Mobilität und Gebäude unmittelbar aufeinander – und hier zeigt sich, wie sich erneuerbare Energien, Speicher und flexible Verbraucher zu einem intelligenten Gesamtsystem verknüpfen lassen. Damit diese lokalen Energiesysteme zuverlässig und kosteneffizient funktionieren, braucht es neue technische Lösungen ebenso wie innovative und übertragbare Planungs- und Betriebskonzepte.
Genau hier setzt der thematische Verbund „Flexible Quartiere und Energiesysteme“ an: Acht Forschungsprojekte bringen ihre Fachkompetenzen zusammen, um Flexibilitätspotenziale in Quartieren zu erschließen, systemübergreifende Lösungen zu entwickeln und Erkenntnisse für die kommunale Energiewende bereitzustellen.
So untersuchen Forschungsteams in den einzelnen Vorhaben zum Beispiel, wie erneuerbare Energien effizient genutzt, Lastspitzen ausgeglichen und sektorübergreifende Energieflüsse intelligent in urbanen wie ländlichen Quartieren gesteuert werden können. Voraussetzung dafür sind digitale Technologien, intelligente Stromnetze, also Smart Grids, und innovative Geschäftsmodelle.
Die Koordination des im Mai 2026 gestarteten Verbunds übernehmen das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) in Kassel und das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung mit dem Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST) in Ilmenau bei Erfurt im Rahmen der beteiligten Forschungsprojekte ProSekko und FlexWaerme.
„Unser Vorteil als Verbund von acht Projekten ist, dass wir noch mehr Forschungsdisziplinen und Akteure zusammenbringen können, als es in einem einzelnen Forschungsvorhaben möglich ist“, sagt Koordinatorin Dr. Dinah Hollermann vom Fraunhofer IEE. „Auf diese Weise bündeln wir die Expertise von Fachleuten aus ganz Deutschland.“
Beteiligt sind neben Hochschulen und Forschungseinrichtungen auch Unternehmen aus der Energie- und Digitalwirtschaft, Kommunen, Stadtwerke und Wohnungswirtschaft sowie Akteure aus Zivilgesellschaft und Regulierung.
„Gemeinsam erforschen wir, wie Quartiere und Gebäude effektiv agieren können und wie wir die lokale Wärmewende sektorübergreifend gestalten“, sagt Koordinatorin Steffi Naumann vom Fraunhofer IOSB-AST. „Dabei betrachten wir nicht nur technologische Innovationen, sondern blicken über den Tellerrand und beziehen wirtschaftliche und gesellschaftliche Fragestellungen ein. Dadurch können wir neben netzdienlichen auch skalierbare und sozial gerechte Lösungen entwickeln.“ Mit ihren Ergebnissen wollen die Verbundpartner zeigen, wie Wohnquartiere künftig zu aktiven Bestandteilen eines klimaverträglichen Energiesystems werden können.
Wie können Wohnquartiere erneuerbare Energien besser nutzen und gleichzeitig das Stromnetz unterstützen? Mit dieser Frage beschäftigen sich die beteiligten Projektpartner unter Leitung der Fachhochschule hs21 in Buxtehude bei Hamburg. Das EnQuaFlex-Forschungsteam entwickelt ein intelligentes Energiemanagement, das Photovoltaikanlagen, Speicher, Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge innerhalb eines Quartiers miteinander verbindet und aufeinander abstimmt. So sollen im Quartier mehr erneuerbare Energie genutzt und Lastspitzen vermieden werden, indem die beteiligten Energieanlagen flexibel auf die Anforderungen des Energiesystems reagieren.
Um das zu erreichen, werden die verschiedenen Energieanlagen des Wohnquartiers gemeinsam genutzt. Wenn viele Gebäude, Speicher und Elektrofahrzeuge koordiniert zusammenwirken, kann Energie gezielter eingesetzt werden – etwa dann, wenn viel erneuerbarer Strom verfügbar ist oder das Netz entlastet werden muss. Die Forschenden beziehen dabei auch die Bewohnerinnen und Bewohner ein: Die Fachleute untersuchen, wie diese mit dem Energiemanagement interagieren können und welche Informationen sie benötigen, um neue Systeme anzunehmen und aktiv zu nutzen.
Die entwickelten Konzepte werden in einem Neubauquartier in Harsefeld nahe Hamburg unter realen Bedingungen erprobt. Dort testen die Forschenden, wie sich verschiedene Energieanlagen im Alltag steuern lassen und welchen Beitrag ein gemeinsames Energiemanagement für das Quartier und das Stromnetz leisten kann.
Wie lassen sich erneuerbare Energien möglichst vollständig vor Ort nutzen, ohne die Strom- und Wärmenetze zusätzlich zu belasten? Mit dieser Frage beschäftigen sich die Forschenden der Technischen Hochschule Mittelhessen zusammen mit den Stadtwerken Gießen sowie dem Institut für Wohnen und Umwelt in Darmstadt. Im Mittelpunkt von FlexQuartier2 steht ein innovativer Hybridspeicher im Gießener Stadtquartier Philosophenhöhe. Er speichert überschüssigen Solarstrom nicht nur in Batterien, sondern auch als Hochtemperaturwärme bis 1200 Grad Celsius. Bei Bedarf kann aus der gespeicherten Energie wieder Strom erzeugt werden, während die entstehende Wärme gleichzeitig das Quartier versorgt. Dafür stehen ein großer Warmwasserspeicher und eine Wärmepumpe bereit. Auf diese Weise verbindet das System Strom- und Wärmeversorgung und schafft mehr Flexibilität für das Energiesystem.
Im Projekt untersuchen die Forschenden, wie sich der Hybridspeicher unter bestehenden Betriebsbedingungen optimal einsetzen lässt. Dafür entwickeln sie einen digitalen Zwilling, der das dynamische Verhalten der Energiezentrale und des Quartiers präzise abbildet. Mithilfe von Messdaten und Simulationen verbessern die Expertinnen und Experten die Betriebsstrategie kontinuierlich und passen sie an wechselnde Wetterbedingungen, den Energiebedarf und die Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen an.
Um zu bewerten, ob das Gesamtkonzept wirkt, erfassen die Forschenden über mehrere Jahre die Energieflüsse und Treibhausgasemissionen der Philosophenhöhe. Die Ergebnisse sollen zeigen, wie Quartiere erneuerbare Energien effizienter nutzen und gleichzeitig das Stromnetz entlasten können. Darüber hinaus möchten die Projektpartner zeigen, welche Speicher- und Versorgungskonzepte sich auch auf andere Wohnquartiere übertragen lassen. So trägt das Vorhaben dazu bei, klimaverträgliche und wirtschaftliche Quartierslösungen für ein modernes Energiesystem weiterzuentwickeln.
Fernwärmesysteme verändern sich: Immer mehr dezentrale Anlagen erzeugen Wärme und elektrische Technologien wie Großwärmepumpen oder Elektrodenkessel gewinnen an Bedeutung. Gleichzeitig schwanken die Strompreise zunehmend. Das erschwert den wirtschaftlichen Betrieb von Wärmenetzen und stellt ihre Betreiber vor neue Herausforderungen. Um Wärme weiterhin zuverlässig und kostengünstig bereitzustellen, müssen sie Erzeugungsanlagen und Speicher flexibel steuern und ihre Fahrweise laufend an den Wärmebedarf und die Entwicklungen am Strommarkt anpassen.
Genau hier setzt das Projekt FlexWaerme an. Die Forschenden entwickeln unter Leitung des Softwareanbieters Gradyent in Emsbüren bei Osnabrück eine Echtzeit-Optimierung, die das Energiemanagement und den Betrieb des Wärmenetzes miteinander verbindet. Das Energiemanagementsystem prognostiziert den Wärmebedarf und die Strompreise, plant den Einsatz der verfügbaren Anlagen und berücksichtigt dabei auch die thermohydraulischen Vorgänge im Wärmenetz. So soll die Energieerzeugung wirtschaftlicher und gleichzeitig effizienter werden.
Die Projektpartner zeigen außerdem, wie ein digitaler Zwilling die Planung und den Betrieb von Wärmenetzen unterstützen kann. Ziel ist es, die vorhandenen Flexibilitäten im System besser zu nutzen und messbar zu machen. Dadurch lassen sich Wärmespeicher effizienter einsetzen, Handelsmöglichkeiten am Strommarkt besser ausschöpfen und erneuerbare Energien stärker integrieren. Langfristig soll das Vorhaben dazu beitragen, die Fernwärme klimaverträglicher, wirtschaftlicher und widerstandsfähiger gegenüber schwankenden Energiepreisen zu machen.
Damit die Lösung den Anforderungen der Praxis entspricht, testen die Forschenden die neuen Verfahren in Kiel und in Merseburg bei Leipzig unter realen Bedingungen.
Die Wärmewende ist ein wichtiger Baustein für den Klimaschutz. Damit Deutschland seine Klimaziele erreicht, müssen fossile Heizsysteme schrittweise durch klimaverträglichere Lösungen wie Wärmepumpen und Wärmenetze ersetzt werden. Gleichzeitig steigt der Strombedarf. Dadurch wachsen auch die Anforderungen an die Stromnetze. Deshalb untersuchen Forschende im Vorhaben INTEND, wie sich Strom- und Wärmeinfrastruktur gemeinsam planen und betreiben lassen.
Im Mittelpunkt des Projekts unter Federführung der Technischen Universität Darmstadt steht die Flexibilität thermischer Systeme. Gebäude und Wärmespeicher können Wärme über einen gewissen Zeitraum speichern. Dadurch müssen Wärmepumpen nicht jederzeit genau dann laufen, wenn Wärme benötigt wird. Diese Flexibilität lässt sich nutzen, um Stromnetze zu entlasten, erneuerbare Energien besser einzubinden und den Ausbaubedarf der Infrastruktur zu verringern. Die Forschenden entwickeln dafür neue Planungs- und Simulationsmethoden und testen diese gemeinsam mit Netzbetreibern.
Außerdem erforschen sie, welche Kombination aus Wärmepumpen, Wärmenetzen und weiteren Technologien für unterschiedliche Siedlungs- und Gebietstypen am besten geeignet ist. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der netzdienlichen Steuerung elektrischer Anlagen. Dazu demonstrieren die Partner, wie flexible Verbraucher das Stromnetz stabilisieren können, indem sie an Energie- und Flexibilitätsmärkten sowie am Redispatch 3.0 teilnehmen.
Da die Wärmewende nur im Zusammenspiel vieler Akteure gelingen kann, arbeiten im Projekt Stadtwerke, Netzbetreiber, Industrieunternehmen und Verbände eng zusammen. Die Ergebnisse sollen Kommunen und Energieversorgern dabei unterstützen, die Wärmeversorgung klimaverträglich, sicher und wirtschaftlich umzubauen.
Die kommunale Wärmeplanung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer klimaverträglichen Wärmeversorgung. Damit Kommunen die passenden Lösungen entwickeln können, müssen sie nicht nur den Wärmebedarf betrachten, sondern auch die Folgen auf das gesamte Energiesystem berücksichtigen. Genau hier setzt das Forschungsprojekt KWPconnect an: Die Projektpartner unter Leitung der Stadt Hohen Neuendorf nördlich von Berlin verbinden die kommunale Wärmeplanung mit der Energiesystemanalyse.
Die Forschenden entwickeln bestehende Energiesystemmodelle weiter, damit Kommunen bereits in der Planungsphase bewerten können, wie sich verschiedene Wärmeversorgungskonzepte auf Stromnetze, erneuerbare Energien und den zukünftigen Energiebedarf auswirken. Dadurch lassen sich Lösungen finden, die erneuerbare Energien besser nutzen, Stromnetze entlasten und den Kommunen wirtschaftlich nutzen.
Ein besonderer Fokus liegt auf integrierten Quartierslösungen, die verschiedene Energiequellen verbinden, die regionale Wertschöpfung stärken und die Umsetzung der Wärmewende vor Ort unterstützen. Das Forschungsteam testet die entwickelten Methoden gemeinsam mit Praxispartnern in Hohen Neuendorf und im benachbarten Birkenwerder. Dabei beziehen sie lokale Akteure ein und sammeln Erfahrungen, die sich auf andere Kommunen übertragen lassen.
Wärmepumpen sind ein wichtiger Baustein der Wärmewende. Ihr steigender Strombedarf stellt das Energiesystem jedoch vor Herausforderungen, da er stark von Wetter, Nutzung und Außentemperaturen abhängt. Im Vorhaben ProSekko untersuchen Expertinnen und Experten unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) in Kassel, wie sich Wärmepumpen mithilfe von Prognosen und intelligenter Steuerung flexibler betreiben lassen. Die Forschenden möchten die technischen, organisatorischen und rechtlichen Voraussetzungen entwickeln, damit Wärmepumpen künftig nicht nur Wärme bereitstellen, sondern aktiv zur Flexibilität des Energiesystems beitragen können.
Dafür berücksichtigt das Forschungsteam nicht nur die Wärmeversorgung, sondern auch die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen und die Anforderungen des Stromnetzes (Stromverbrauch). Mithilfe von Vorhersagen soll das System erkennen, wann beispielsweise besonders viel erneuerbarer Strom verfügbar ist oder wann das Netz entlastet werden muss. Die Wärmepumpen können dann gezielt so betrieben werden, dass sie Energie effizient nutzen und das Gesamtsystem unterstützen.
Deswegen entwickelt das Forschungsteam auch eine technische Schnittstelle zwischen der hausinternen Heizungsanlage und dem externen Versorgungsnetz. Darin werden Wärmepumpe, Pufferspeicher und Regelungstechnik mit dem Wärmenetz in einer Systemlösung verknüpft. Die Ergebnisse des Vorhabens testen die Fachleute anschließend in zwei verschiedenen Nahwärmenetzen in Schleswig südlich von Flensburg.
Wohnquartiere sind wichtige Orte der Energiewende, denn hier treffen unterschiedliche Bereiche des Energiesystems direkt aufeinander: Gebäude, Wärmeversorgung, Stromnetze und Mobilität. Im Vorhaben QuaTraSys erforschen die Beteiligten unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) in Oberhausen, wie sich Quartiere ganzheitlich planen und weiterentwickeln lassen, damit sie langfristig flexibel und klimafreundlich funktionieren.
Dabei betrachten die Forschenden das Quartier nicht als isolierte Einheit, sondern als Teil eines größeren Energiesystems. Sie analysieren, wie technische Lösungen, lokale Energieerzeugung und laufende Anlagen miteinander zusammenspielen. Ziel ist es, Strategien zu entwickeln, die erneuerbare Energien besser nutzen und gleichzeitig die Anforderungen von Netzen und Infrastruktur berücksichtigen.
Ein Schwerpunkt liegt darauf, verschiedene Entwicklungspfade für Quartiere zu untersuchen. Dabei geht es unter anderem um die Frage, welche Kombinationen aus Energieerzeugern, Speichern, Verbrauchern und digitalen Steuerungen besonders geeignet sind. Außerdem analysieren die Forschenden, wie sich neue Technologien, effizientere Gebäude und mehr Strom aus erneuerbaren Energiequellen langfristig auf das Energiesystem auswirken. Damit schaffen die Projektpartner übertragbare Grundlagen, um Quartiere künftig stärker im Zusammenhang mit dem gesamten Energiesystem zu planen.
Die Wärmewende stellt viele Kommunen vor große Herausforderungen. Sie müssen ihre Wärmeversorgung klimaverträglich umgestalten – so, dass sie zu den örtlichen Gegebenheiten, den technischen Möglichkeiten und den Bedürfnissen der Menschen passt. Dabei unterstützt das Forschungsteam von WärmeZiel die Hansestadt Lüneburg sowie die Gemeinden Adendorf, Bleckede, Dahlenburg und Gellersen im Landkreis Lüneburg. Das Vorhaben steht unter Leitung des Deutschen Instituts für Wirtschaftsforschung in Berlin.
Das Forschungsteam begleitet die Kommunen dabei, aus den Ergebnissen der Wärmeplanung konkrete datenbasierte Maßnahmen abzuleiten und umzusetzen. So untersuchen die Kommunen im Rahmen des Projekts etwa zusammen mit Energieversorgern und Netzbetreibern, wie Strom- und Wärmenetze zusammenspielen, welche Rolle Gasnetze künftig spielen und wie eine dezentrale Wärmeversorgung aussehen kann.
Darüber hinaus betrachtet das Forschungsteam, welche Finanzierungs- und Organisationsmodelle hilfreich wären und wie die Menschen vor Ort die Wärmewende erfolgreich mitgestalten können. Die Ergebnisse sollen Kommunen helfen, ihre Wärmeversorgung schneller, wirtschaftlicher und mit höherer Akzeptanz umzubauen. Gleichzeitig entstehen Handlungsempfehlungen, die auch anderen Regionen mit ähnlichen Herausforderungen zugutekommen. (kkl)
