Alexander Schlüter, Juan Bernabé-Moreno (Hrsg.)

Das Energiesystem der Zukunft in Smart Cities und Smart Rural Areas

Dr. Karsten Wildberger, Chief Operating Officer – Commercial und Mitglied im Vorstand der E. ON SE

Liebe Leserinnen und Leser,

Nachhaltigkeit ist längst ein Synonym für Zukunftsfähigkeit. Im Zuge des Europäischen Green Deal stehen wir vor der Aufgabe, alle Bereiche unseres Zusammenlebens bis spätestens 2050 zu dekarbonisieren. Jede Stadt, jedes Haus, jede Wohnung wird umgebaut werden müssen, damit wir unsere Klimaziele erreichen. Digitalisierung ist ein wichtiges Kernelement unseres infrastrukturellen Umbaus.

Bereits heute zeigt sich weltweit, wo genug in die digitale Infrastruktur investiert wird und wo nicht. Die Digitalisierung entscheidet über individuelle Bildungs- und Berufsperspektiven. Und sie entscheidet als zentraler Standortfaktor über Attraktivität und Wirtschaftskraft von Staaten und Regionen. Im Zuge neuer Anforderungen an den Klimaschutz könnte die Schere schon bald noch weiter auseinandergehen.

Warum ist das relevant? Weil wir jetzt die Chance haben, aus dem stotternden Start der Digitalisierung in Deutschland zu lernen. Und genau dazu möchten wir mit diesem Buch beitragen. Es wirft die Frage auf, wie eine nachhaltige Infrastruktur aussehen könnte. Es zeigt technische Potenziale und neueste Trends. Und es ermuntert dazu, mutig neue Wege zu gehen. Es ist ein Buch von Praktikern und Experten, das sich ganz konkret an Sie als kommunale Entscheidungsträger richtet. Wir wollen Ihnen zeigen, dass es die Kommunen sind, die den Unterschied machen. Eben dann, wenn sie nachhaltiger und digitaler werden – als smarte Städte und smarte Regionen.

Das Potenzial dazu wartet nur darauf, weiter erschlossen zu werden. Denn heute entscheiden nicht mehr Kraftwerke und Kupferleitungen über die Leistungsfähigkeit des Energiesystems. Heute sind es Software und künstliche Intelligenz. Wir bewegen uns weg von der linearen Entwicklungslogik analoger Zeiten. Das ermöglicht ganz neue Technologiesprünge und Einsparpotenziale – für eine bezahlbare, stabile und vor allem nachhaltige Energieversorgung. Digitalisierung ist damit im besten Sinne Mittel zum Zweck. Deshalb braucht es ein klares Zielbild für Ihre Kommune!

Als Stadt oder Region smart zu werden, bedeutet Infrastruktur neu zu denken – im Sinne der Bürgerinnen und Bürger und der ortsansässigen Wirtschaft. Dabei geht es um mehr als den Ausbau Erneuerbarer Energien. Es geht darum, diese Energie beim Kunden vor Ort verfügbar zu machen. Und dies muss in allen Bereichen passieren, auch dort, wo bislang die fossile Energienutzung dominiert: Im Verkehr, in der Industrie und Gebäudewirtschaft.

Einer aktuellen Studie der Agora-Energiewende zufolge braucht es auf dem Pfad zu Klimaneutralität bis 2050 bereits in diesem Jahrzehnt etwa 14 Millionen zusätzliche Elektrofahrzeuge und rund sechs Millionen Wärmepumpen. Diese müssen wir ebenso in das lokale Energiesystem einbinden, wie eine immer größere Zahl von Anlagen Erneuerbarer Energien – von örtlichen Windparks bis hin zu den vielen Solarpanels auf den Dächern der Bürgerinnen und Bürger. Das alles ist ohne eine datenbasierte Steuerung ebenso wenig denkbar wie eine Optimierung und damit Senkung des Verbrauchs. Smarte Lösungen schaffen Transparenz und helfen, den Energieverbrauch effizient zu steuern. Davon profitieren einzelne Haushalte und ganze Kommunen – erst recht, wenn auch Gebäude, Quartiere und Stadtteile vernetzt werden.

Die Basis all dessen bilden moderne Verteilnetze für Strom, Erdgas und zukünftig Wasserstoff. Sie sind die zentrale Schnittstelle, etwa für die städtische Elektromobilität. Deshalb investieren Verteilnetzbetreiber wie die Regionalversorgungsunternehmen der E.ON in intelligente Netze. Und deshalb sehen wir uns auch im Kundengeschäft immer mehr als innovativer Lösungsanbieter für den kommunalen Bedarf. Wie die Infrastruktur aber im Detail ausgestaltet werden soll und welchen Anforderungen sie entspricht, liegt vor allem auch in Ihrer Hand.

Der Aufbau von Infrastruktur, liebe Leserinnen und Leser, braucht bekanntermaßen immer einiges an Vorlaufzeit; Investitionszyklen betragen oft 10 bis 15 Jahre. Angesichts der rasanten Geschwindigkeit, mit der sich unsere digitalisierte Welt entwickelt, bleibt daher keine Zeit zu verlieren. Mit dieser Lektüre wollen wir Ihnen daher helfen, das Potenzial der Digitalisierung noch besser zu nutzen. Zeitig und konsequent. Es braucht Entscheider, die den Wandel in Gang setzen. Es braucht viele, vor allem Sie.

Essen im April 2021

Dr. Karsten Wildberger

Burkhard Jung, Präsident des Deutschen Städtetags und Oberbürgermeister von Leipzig

Über Jahrzehnte ging es im Energiesektor vor allem darum, Produkte zu verkaufen: Gas, Strom, Wärme. Das allein reicht nicht. Um uns heute für das Morgen aufzustellen, brauchen wir integrierte Dienstleistungen mit nachhaltigen Lösungen für Wohnen, Mobilität, Kommunikation. Diesen Weg in die Smart City beschreiten die Städte gerade mit viel Elan. Intelligente Vernetzung wird zunehmend selbstverständlich. Mobilität gibt es aus einer Hand über die gesamte Palette der Verkehrsträger. Dabei werden Mobilität und Energie klug verbunden.

Um die Dienstleistungen für die Menschen in der Stadt und auf dem Land weiter zu verbessern, benötigen wir eine leistungsfähige Dateninfrastruktur und die passenden Rahmenbedingungen. Die Studie „Die Stadt der Zukunft mit Daten gestalten“, die der Deutsche Städtetag gemeinsam mit der PD – Berater der öffentlichen Hand GmbH erstellt hat, zeigt das umfassende Innovationspotenzial. Zugleich wird deutlich, dass es die passenden Rahmenbedingungen braucht, um das Potenzial zu heben.

Das Energiesystem der Zukunft wird nicht nur auf erneuerbaren Energien basieren, sondern muss integraler Bestandteil einer vernetzten Stadt werden. Übertragungs- und Verteilnetze müssen ausgebaut werden, um den erneuerbaren Strom verlässlich zu den Endverbrauchern bringen zu können. Zugleich brauchen wir ein funktionierendes Leitungsnetz für Wasserstoff.

Wir werden nicht allein über die energetische Gebäudesanierung, den Neubau hocheffizienter Gebäude und die verstärkte Nutzung von Wärmepumpen das Ziel der Klimaneutralität erreichen. Die Umstellung der Nah- und Fernwärmeversorgung auf erneuerbare Energien ist eine der großen Zukunftsaufgaben. Dafür müssen auch Abwärme und lokal oder regional erzeugter Wasserstoff stärker genutzt werden. Es braucht Technologieoffenheit und einen integrierten, flexiblen Rahmen für die Verteilnetze für Gas und Wasserstoff. Gleichzeitig werden wir die Umstellung der Erzeugung von Strom auf erneuerbare Energien beschleunigen und dessen Nutzung effizienter gestalten. Gerade die Sektorenkopplung bietet erhebliche Potenziale.

Die vorliegende Publikation behandelt die Handlungsfelder für ein Energiesystem der Zukunft in Smart Cities und Smart Rural Areas und gibt vielfältige Impulse für die Kommunen. Ich wünsche den Leserinnen und Lesern eine spannende Lektüre und Anregungen für die erfolgreiche Gestaltung eines nachhaltigen, dem Klimaschutz verpflichteten und resilienten Energiesystems.

Leipzig im April 2021

Burkhard Jung

Herzlichen Glückwunsch! Sie gehören zu den wenigen Menschen, die Vorworte beachten und lesen. Im Falle dieses Buches ist das auch sinnvoll, da wir hier erklären, wie Sie es am effektivsten für sich nutzen können. Wir wollen nämlich nicht nur über Technologien und Herausforderungen berichten, sondern auch anspornen und Ihnen konkrete Handlungsempfehlungen mitgeben.

Aber für wen schreiben wir – über 30 ausgewiesene nationale und internationale Fachexperten – dieses Buch überhaupt? Es ist selbstverständlich für alle, die sich für das Thema Smart Cities und Rural Areas interessieren. Wir adressieren dabei Verantwortliche in Städten, Dörfern und Landkreisen direkt. Sie sind für das Gelingen der Weiterentwicklung in den Bereichen Energie, Mobilität und Digitalisierung immens wichtig. Vor Ort haben Sie erste praktische Erfahrungen gesammelt. Wir möchten diese mit wissenschaftlichen Erkenntnissen und Prognosen ergänzen und dabei Fachbegriffe und Zusammenhänge ausführlich erklären. Unser Ziel ist, dass Sie über die Kapitel hinweg Herausforderungen erkennen und interessante Ansätze mitnehmen, um das Leben der Bürger zu bereichern. Ihre Kommune kann einen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten und davon zeitgleich auch profitieren. Selbstverständlich sind auch Fachexperten, Studierende und alle, die sich für die genannten Themen interessieren, herzlich eingeladen, sich mit dieser Lektüre zu bilden.

Aber warum ist die Transformation hin zu intelligenten Gemeinden überhaupt erstrebenswert? Sie ermöglichen eine nachhaltigere Lebensweise und sind damit eine Antwort auf die großen Herausforderungen unserer Gesellschaft, wie z. B. auf den Klimawandel. Unsere Umwelt verändert sich außergewöhnlich schnell – leider zu unseren Ungunsten. Die systematische Zerstörung unseres Planeten verschlechtert Lebensbedingungen und erhöht Gefahren für die menschliche Gesundheit, zieht hohe ökonomische und soziale Kosten nach sich und führt zu Artensterben. Derzeit erleben wir, was ein aus dem Gleichgewicht geratenes Verhältnis zwischen Menschen, Natur und Tierwelt unter anderem für Gefahren bringen kann – z. B. erhöhte Pandemiegefahr.

Clever wäre es doch, die notwendigen Veränderungen mit einer Verbesserung unserer Lebensqualität zu verknüpfen, oder? Und genau das ist das Ziel von Smart-City-Projekten. In diesem Buch starten wir zunächst mit Grundlagen und geben den Impuls, damit Sie Vision und Strategie Ihrer intelligenten Stadt der Zukunft selbst erstellen sowie die eigene Rolle und Verantwortung bei der Gestaltung verstehen können. Anschließend lesen Sie von den zahlreichen Herausforderungen und Chancen der Themenfelder Energiesysteme und Digitalisierung. Für Ihre daraus abgeleiteten Schwerpunkte geben wir Ihnen dann Tipps zu ausgewählten Finanzierungs- und Fördermöglichkeiten.

Zu guter Letzt möchten wir allen Beteiligten herzlich danken. Das Projekt wurde sowohl E.ON-intern als auch durch die vielen externen Autoren von Anfang an begeistert mitgestaltet und erfolgreich umgesetzt. Und nun wünschen wir viel Spaß beim Lesen und Umsetzen.

München im Frühjahr 2021

Alexander Schlüter und Juan Bernabé-Moreno

Herausgeber und Autoren

Dr.-Ing. Alexander Schlüter

Venture Manager, Future Lab, E.ON Digital Technology GmbH; Lehrbeauftragter, REMENA-Programm der Universitäten Kairo, Kassel und Monastir

Dr. Juan Bernabé-Moreno

Chief Data Officer, E.ON; Global Head of Data and Analytics, E.ON Digital Technology GmbH; Reserach Fellow, University of Oxford & Universidad de Granada

Die Autorinnen und Autoren

Dr. Nikoletta Athanassopoulou

Head of Solution Development, IfM Engage, Institute for Manufacturing, University of Cambridge

Peder Berne, MSc

Project Manager Sustainable City, E.ON City Energy Solutions

Hagen Braas, MSc

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Thermische Energietechnik, Universität Kassel

Bernadette Brandner, MSc

Ehemalige Masterandin, Studiengang Management & Technology, Technische Universität München; Stipendiatin, UnternehmerTUM GmbH

Dr.-Ing. Markus Bücherl

Technischer Referent E.ON Energy Solutions GmbH

Philipp Bugs, MSc

Venture Manager, Future Lab, E.ON Digital Technology GmbH

Dr. Giorgio Cortiana

Head of Advanced Analytics – Energy Intelligence, E.ON Digital Technology GmbH

Garance Emmerich-Bundel, MSc, MBA

Head of Digital Solutions & Commercialization, E.ON Business Solutions GmbH

Prof. PhD Theodoros Evgeniou

Professor of Decision Sciences and Technology Management, INSEAD; academic partner, World Economic Forum for Artificial Intelligence

Dipl.-Pol. Laura Färber, MSc

Venture Manager, Future Lab, E.ON Digital Technology GmbH

Prof. Ing. Petronilla Fragiacomo

Associate Professor of Energy Systems and Power Generation and Head Responsible of Fuel Cell and Hydrogen Team, University of Calabria (IT)

Dr. rer. pol. Maria Garbuzova-Schlifter

Venture Manager & Data Scientist, Future Lab, E.ON Digital Technology GmbH

Dr.-Eng. cand. Matteo Genovese

PhD Candidate and Research Fellow, University of Calabria (IT)

Dr.-Ing. Ron-Hendrik Hechelmann

Postdoc, Fachgebiet Umweltgerechte Produkte und Prozesse, Universität Kassel

Prof. Dr. Svetlana Ikonnikova

Associate Professor in Resource Economics, Center for Energy Markets, Technische Universität München

Dr. Imoh Ilevbare

Principal Solution Development Specialist, IfM Engage, Institute for Manufacturing, University of Cambridge

Dipl.-Ing. Alexander Jäger

Referent für strategische Sonderprojekte und Grundsatzfragen, Bayernwerk AG

Dr.-Ing. Diana Khripko

Senior Solution Development Specialist, IfM Engage, Institute for Manufacturing, University of Cambridge

Dr. Andreas Kießling

Leiter Verbändearbeit und Qualitätssicherung, Bayernwerk AG

Dipl.-Ing. Simon Köppl

Projektleiter, FfE

Alexandra Krumm, MSc

Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Europa-Universität Flensburg; Doktorandin, Reiner Lemoine Institut

Dr.-Ing., Dipl. Math. Manuel Lindauer

Product Development, Calcon Deutschland GmbH; freier Mitarbeiter, Fraunhofer Institut für Bauphysik

Eva Meschede, MSc

Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Vernetzte Energiesysteme

Prof. Dr.-Ing. Henning Meschede

Professor für Energiesystemtechnik, Universität Paderborn

Prof. Dr. Pao-Yu Oei

Professor für die Ökonomie der Transformation von Energiesystemen, Europa-Universität Flensburg; Gastwissenschaftler, Technische Universität Berlin

Nicholas Ord, MBA, Tech Eng. (Computer Science and Electronics Systems)

Venture Manager, Future Lab, E.ON Digital Technology GmbH

Dr.-Ing. Janybek Orozaliev

Gruppenleiter Thermische Komponenten und Systeme, Institut für Thermische Energietechnik, Universität Kassel

Dr. Victoria Ossadnik

Vorstand, E.ON SE; Aufsichtsratsmitglied, Linde plc.; Aufsichtsratsmitglied, Commerzbank AG

Dr.-Ing. Christoph Pellinger

Leitung strategische Projektplanung, FfE

Dr. Rob Phaal

Director of Research (STIM, CUED), Institute for Manufacturing, University of Cambridge

Dr.-Ing. Matthias Philipp

Projektmanager Produkt- und Lösungsentwicklung, Bayernwerk Natur GmbH

Vincenz Regener, MSc

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, FfE

Dipl.-Chem. Katherina Reiche

Vorstandsvorsitzende, Westenergie AG; Vorsitzende, Nationaler Wasserstoffrat der deutschen Bundesregierung

Dr.-Ing. Florian Schlosser

Postdoc, Fachgebiet Energiesystemtechnik, Universität Paderborn

Eugenio Scionti, MSc

Venture Manager, Future Lab, E.ON Digital Technology GmbH

Kuldip Singh, Drs., CMA, CFM

Head of Digital Transformation CS, E.ON Digital Technology GmbH

Matthew Timms, BSc

Chief Digital and Technology Officer, E.ON SE; Chief Executive Officer, E.ON Digital Technology GmbH

Dr. Jens Weibezahn

Post-Doktorand, Fachgebiet Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP), Technische Universität Berlin und Copenhagen School of Energy Infrastructure (CSEI), Copenhagen Business School (CBS)

Dr.-Ing. Egon Leo Westphal

Mitglied des Vorstandes und seit Juli 2021 dessen Vorsitzender, Bayernwerk AG

Kennen Sie die Definition einer Smart City? Nein? Nun, kein Wunder. Es gibt gar keine offizielle Definition, die auch konkrete Ziele enthält. Sie müssen sie schon selbst erstellen. Wenn Sie mögen, mit Hilfestellung durch uns. Aber dazu kommen wir später.

In diesem Buch konzentrieren wir uns primär auf zwei Querschnittsthemen: Energie sowie Digitalisierung. Einen Abstecher machen wir zum mit Energie verbundenen Sektor Mobilität. Wenn Sie Ihre Stadt zur Smart City oder Ihre ländliche Region zur Smart Rural Area entwickeln möchten, sollten Sie zunächst eine Vision erstellen. Im nächsten Kapitel finden Sie dazu Anregungen in den genannten Schwerpunkten dieses Buches. Darauffolgend finden Sie handfeste Musterdefinitionen – bezogen auf die drei Beispielstädte dieses Buches. Nach der Vision und Definition folgt logischerweise die Planung. Daher präsentieren wir Ihnen anschließend ein Modell zum strategischen Roadmapping von Smart-City-Projekten. Dieser Begriff beinhaltet in diesem Buch der Einfachheit halber Projekte für alle Kommunen oder Gemeinden, was wiederum Oberbegriffe sowohl für Städte als auch für Dörfer sind.

Aber wie viele Menschen leben eigentlich urban und wie viele ländlich? Bild 1.1 stellt dar, wie groß der prozentuale Anteil der Bevölkerung in Deutschland für die vier genannten Klassifikationen für Wohnorte ist.

Laut dieser Klassifizierung wohnen in Deutschland jeweils ca. ein Drittel der Menschen in großen bzw. mittelgroßen Städten. In Kleinstädten finden sich weitere ca. 24 % und in Dörfern sind ca. 10 % zu Hause.

Vorher sollten Sie sich aber über ein paar grundsätzliche Dinge klar werden: dem WARUM – und dabei ist der Klimawandel nur eine Facette. Ziel jeder Person in öffentlichen Ämtern sollte es sein, das (Zusammen-)Leben in Gemeinden zu verbessern. In unseren Interviews – siehe Teil VI, Kapitel 2 – fiel immer wieder dieser Begriff: Lebensqualität. Eine schlaue (smarte) Bevölkerung nutzt Technologie und Daten, um so ihre Lebensqualität auf ein neues Level zu heben und ihre Umgebung attraktiver zu gestalten.

Die smarte Gemeinschaft und das Erkennen des Werts von Daten

Was macht eine Umgebung lebenswert? Die Bewohner sollten sich zum einen glücklich fühlen und zum anderen das Gefühl haben, dass es aufwärts geht. Chancen sollten Probleme überwiegen. Hierzu ist ein offener Blick auf die Vergangenheit notwendig – aber nicht um von guten alten Zeiten zu schwelgen, sondern um sich zu verbessern.

Denn, mal im Ernst:

       Konnten unsere Vorfahren Filme streamen?

       Oder konnten Sie sehr günstig und spontan um die Welt telefonieren?

       Gab es einfach zu bedienende Leihfahrräder an Rent-a-Bike-Stationen in Städten?

       Finden Sie nicht auch die Apps auf unseren Smartphones mit Kartenfunktionen viel praktischer als aufklappbare Karten?

Überhaupt, Mobiltelefone: Was wären wir ohne sie? Ja, es gibt Menschen mit digitalem Overload – aber generell verbessern sie doch unseren Alltag. Was wäre ich ohne meinen eingebauten Kalender oder meine Einkaufsliste – mit Vernetzung zu anderen Personen. Und erinnern Sie sich noch an Telefonlawinen – wie 80er war das denn? Die Kommunikation in Gruppen ist doch mithilfe der bekannten Apps wesentlich vereinfacht worden, oder nicht?

Menschen fragen sich, was sie zur Gemeinschaft beitragen können – und sind oftmals eher ratlos. Dabei entscheiden sie ja mit, von wem sie regiert werden. In unseren Städten und Gemeinden haben Verwaltungen und die gewählte Exekutive das Sagen – und Macht. Sie können die Kommune auf die Zukunft vorbereiten. Das klingt erstmal abstrakt und furchtbar langsam. Dennoch muss man sich nur mal in die Nachbargemeinden begeben, um zu sehen, dass es eben doch viel ausmachen kann, ob mit Schwung, Fleiß und Fantasie Themen angegangen werden – oder eben nicht. In manchen Städten atmen die Menschen schlechte Luft ein, in anderen weniger. In manchen Städten stehen sie minutenlang vor roten Ampeln, obwohl kein anderes Auto in Sicht ist, in anderen gibt es eine intelligente Steuerung. In einigen Gemeinden ist die Bevölkerung Feuer und Flamme für eine (Eigen-) Versorgung mit nachhaltiger Energie, in anderen stacheln sich die Bewohner gegen Windräder auf – oftmals sehr emotional und angetrieben durch Veränderungsängste. Dabei bieten sich gerade in ländlichen Regionen Chancen – eben, weil sie ja für ein Gelingen der Energiewende unerlässlich sind.

Literaturverzeichnis

Lauzi, M. (2018). Smart City – Technische Fundamente und erfolgreiche Anwendungen. München: Hanser.