Smart Districts

Smart Districts könnte man als Energiekomponente von Smart Cities beschreiben. Genauer gesagt: Es handelt sich um Gebiete mit industriellen, städtischen oder ländlichen Merkmalen, in denen die Ressourcen verschiedener Energieformen ganzheitlich visualisiert und optimiert werden und die Energieflüsse über eine Vielzahl von Gebäuden oder die Infrastruktur innerhalb des Gebiets verteilt werden.

Intelligente Stadtteile umfassen :

• Visualisierung und Überwachung von Energieflüssen und Daten von Dezentralen Energieressourcen (DERs)
• Optimierung des Eigenverbrauchs in allen Sektoren
• Verbundenen Geräte und Technologien, die Daten zur Analyse sammeln, um zusätzliches Optimierungspotenzial im Bezirk vorher zu identifizieren und die Zukunftsfähigkeit, Ressourceneffizienz und Anpassungsfähigkeit zu maximieren

Eigenschaften von Smart Districts

Smart Districts streben an, zur Verbesserung der Lebensqualität der Anwohner:innen bei gleichzeitiger Erhöhung von Ressourceneffizienz und nachhaltigem Leben beizutragen. Zu den wichtigsten Merkmalen dieser Stadtteile gehören: 

• Nachhaltige Energie:  Intelligente Bezirke konzentrieren sich auf die Energieerzeugung durch erneuerbare Ressourcen wie Solar- oder Windenergie, um die Nutzung von kohlenstoffneutraler Energie zu fördern.
• Ressourceneffizienz: Durch die Verbindung von DERs über digitale Technologien können die Verbraucher:innen ihren Energieverbrauch auf der Grundlage von Echtzeitdaten optimieren 
• Digitale Infrastruktur: Bei der Nutzung eines breiten Spektrums von DERs ist eine gut funktionierende und stabile digitale Infrastruktur unerlässlich. Dazu gehören eine High-Speed-Internetverbindung, smarte Technologien sowie zentrale Steuereinheiten, die eine reibungslose Kommunikation gewährleisten. 
• Datenbasierte Entscheidungen: Die gesammelten Daten geben Aufschluss über Verbesserungen, gegebenenfalls auch über Drosselung und Effizienz. Diese Erkenntnisse müssen von einem Energiemanagementsystem (EMS) in Maßnahmen umgesetzt werden – sowohl auf Haushalts- als auch auf Ebene des Smart Districts.

Cluster

In Smart Districts stellen Gruppierungen von DERs, Gebäuden, Unternehmen und/oder Stadtteilen verschiedene Cluster dar, die nach ihrer Funktion und ihren Merkmalen innerhalb der Infrastruktur des Gebiets organisiert sind. Die Elemente eines Clusters haben in der Regel ähnliche Anforderungen, die einheitlicher koordiniert werden können, wenn sie gruppiert sind.

Die Clusterbildung verbessert die Nachhaltigkeit innerhalb eines Smart Districts durch die effiziente Nutzung von Ressourcen. 

Cluster in Smart Districts lassen sich in folgende Kategorien unterteilen:

• Curtailment-Cluster konzentrieren sich auf die Reduzierung der generierten Energie, um den Energiefluss besser auf die Bedürfnisse des Gebiets und der Bewohner:innen anzupassen.
• Energiecluster sind Systeme, bei denen es keine direkte Energieverbindung zwischen Prosumer:innen und Verbraucher:innen gibt. Infolgedessen wird die Energie virtuell ausgetauscht, z. B. über ein VPP.
• Eigentümercluster sind Gruppen von DERs verschiedener Eigentümer, die durch dasselbe Energiemanagementsystem optimiert werden. 
• Kommunikationscluster entstehen, wenn nicht alle DERs mit einem einzigen Weitverkehrsnetz (WAN – Wide Area Network) verbunden werden können. Deshalb werden diese Cluster über die Cloud verbunden und synchronisiert.

Multi-Energy-Optimization (Sektorenkopplung) 

Strom, Wärme, Mobilität und Wasserstoff sind die essenziellsten Energieformen innerhalb Smart Districts. Bei der Multi-Energy-Optimization werden diese innerhalb eines einzigen Energiemanagementsystems kombiniert – ähnlich wie bei der Sektorenkopplung, nur innerhalb eines Stadtteils. Dadurch werden Effizienz, Reduzierung von Kosten und Umweltverträglichkeit durch die Nutzung und Verteilung diverser nachhaltiger Energiequellen erhöht. Durch die Kombination mehrerer Energiearten wird die Flexibilität des Systems und damit das Optimierungspotenzial sowie die gesamte Nachhaltigkeit maximiert.

Kaskadierendes Energiemanagement (Hierarchie)

In kaskadierenden EMS werden mehrere, teils entgegengesetzte Optimierungsziele berücksichtigt. So kann es sein, dass die Geräte innerhalb eines Haushalts auf der Grundlage der Bedürfnisse der Bewohner:innen gesteuert werden. Das kann zum Beispiel darauf abzielen, die Selbstversorgung zu maximieren. Gleichzeitig werden aber auch die Bedürfnisse des übergreifenden EMS des Smart Districts berücksichtigt. Das bedeutet, dass der Solarstrom eines Haushalts genutzt wird, um ein Elektrofahrzeug auf den gewünschten Ladezustand zu bringen, während der verbleibende überschüssige Strom aus eigener Solarerzeugung zurück in das Netz gespeist wird, um andere Anlagen im Bezirk zu versorgen. Dies erfordert es, lokale und ganzheitliche Energieoptimierung aufeinander abzustimmen, was nur mit modernsten digitalen Lösungen möglich ist.

Anwendung von Kapazitätstarifen

SmartQuart 

SmartQuart ist eine Initiative von elf Partnern zum Aufbau dreier miteinander verbundener Smart Districts, die die Perspektiven eines nachhaltigen und intelligenten Städtebaus aufzeigen. 

Innerhalb Deutschlands werden dazu drei Quartiere in unterschiedlichen Umfeldern errichtet:

‍Bedburg: Der ländliche Bezirk in einem Vorort bei Köln konzentriert sich auf die Optimierung und Nutzung erneuerbarer Energieressourcen. Mittels einer Windkraftanlage, eigenen PV-Anlagen und zentralen sowie dezentralen Wärmepumpen ist eine nachhaltige Energieversorgung jederzeit gewährleistet.  

Essen: Die Stadt Essen wurde als digitales Stadtquartier konzipiert. Mehrere Bestandsimmobilien werden digital vernetzt, um verschiedene Lösungen für eine nachhaltige Strom- und Wärmeversorgung zu simulieren. Das Quartier zeigt, wie Energie auch in dichter, urbaner Infrastruktur effizient genutzt werden kann.

Kaisersesch: Diese industrielle Nachbarschaft zeigt auf, wie erneuerbare Energien für Wärme, Strom und Industrie mit dem Mobilitätssektor mittels Wasserstofftechnologie verknüpft werden können. Strom aus erneuerbaren Quellen wird zunächst in einer Power-to-Gas-Anlage mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann dann einerseits für den öffentlichen Nahverkehr genutzt werden oder CO₂-neutral zur Wärme- und Stromerzeugung dienen. 

Der Smart Hub, eine systemische Verbindung, verbindet die drei Quartiere miteinander. Er ist eine zentrale Plattform, die den virtuellen Energieaustausch zwischen den drei Smart Districts ermöglicht. So kann zum Beispiel der in Bedburg produzierte Strom genutzt werden, um den Elektrolyseur in Kaisersesch zu betreiben, der günstigen grünen Wasserstoff für die Langzeitspeicherung produziert.

Smarter Together

Smarter Together ist ein kollaboratives Projekt mit dem Ziel, smarte Lösungen für Städte zu konzipieren, um das Leben innerhalb urbaner Räume nachhaltiger zu gestalten und die Lebensqualität der Anwohner:innen zu verbessern. 

• Bürgerengagement
• erneuerbare Energien und Wärmetechnik
• umfassende Sanierungsarbeiten
• Smart Data (intelligente Daten)
• Elektromobilität

Im Rahmen des Projektes werden großflächig intelligente Technologien innerhalb von urbanen Gebieten implementiert. Zusätzlich werden neue Modelle für replizierbare Stadtmodelle eingeführt, die Anwohner:innen orientierte Umgestaltungen fördern. Darüber hinaus werden Versuche in Stadtvierteln mit niedriger Energieauslastung durchgeführt, deren Ergebnisse in bestehende Datennetze für Bürger:innen zugänglich gemacht werden. Das Projekt strebt an, das Verständnis für Smart-City-Technologien zu vertiefen und diese Lösungen auch in anderen Städten zu ermöglichen. 

Derzeit nehmen sechs Städte an dem Projekt teil:

• Wien, München und Lyon sind die Städte mit Leuchtturm-Charakter. Dort werden die Technologien und Lösungen erstmals umgesetzt, um die Funktionsweisen darzustellen und Daten zu sammeln.
• Santiago de Compostela, Sofia und Venedig fungieren als Nachfolgestädte. Auf Grundlage der Daten, die in den Leuchtturmprojekten gesammelt wurden, werden die Technologien angepasst und die optimierte Version wird implementiert.
• Kiew und Yokohama stellen die Beobachterstädte dar. Die beiden Städte sollen die Reichweite des Projekts erweitern und Perspektiven spezifisch aus Osteuropa und Ostasien in ein ganzheitliches Beobachtungsmodell einbringen.