Die Vision und die Herausforderungen

Energie 4.0 . – . Einsteigen und die Zukunft sichern

Das Knowing-Doing-Gap schließen und mit der Transformation beginnen
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Energie 4.0 und die Vision dahinter

Energie 4.0 ist in Analogie zu Industrie 4.0 ein Begriff um fundamentale Veränderungen in der Energiewirtschaft zu greifen und Entscheider zu sensibilisieren. Gemeint ist der Wandel in eine neue, wettbewerbsintensive, kleinteilige, nachhaltige, dezentrale, transparente, effiziente, flexible, smarte und digital geprägte Energiewelt. Seit Ende der 90er Jahre hat diese Entwicklung unaufhaltsam an Dynamik gewonnen.

Die „alte“ Energiewelt 1.0 aus dem 19. und 20. Jahrhundert war ein „Einbahnstraßensystem“ mit starren Monopol- und Oligopolstrukturen. Ausgehend von zentralen Großkraftwerken (GKW) wurde die Handelsware „Strom“ verbrauchsabhängig erzeugt und über mehrere Leitungsebenen zum Endverbraucher verteilt. Die Erzeugungsanlagen wurden von einem Oligopol weniger Energieunternehmen beherrscht. Die Stromverteilung an den Endkunden war Aufgabe von regionalen Stadtwerken.

Der Energiemarkt 2.0 war das Ergebnis der Energiemarktliberalisierung Ende der 90er-Jahre des vorangegangen Jahrhunderts. Damit entstand erstmals Wettbewerb im Endkundengeschäft mit Strom (Gas). Neue Stromvertriebe wurden gegründet und Preisvergleichsplattformen erleichterten den Anbieterwechsel.

Energie 3.0 startete im Jahr 2000 mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Die Stromerzeugung wurde nachhaltig und dezentral bzw. Kundennah, aber auch – entsprechend dem Wesen von Wind und Sonne – fluktuierend. Das Stromnetz braucht mehr Flexibilität. Es herrscht „Gegenverkehr“ im Netz und die Regelung von Verbrauch und Erzeugung erfordert ein aufwändigeres Netzmanagement. Neue Markteilnehmer betreten auf Erzeugerseite das Parkett. Kurzum, es kommt zu einen Paradigmenwechsel im Energiemarktdesign.

Von der traditionellen Energiewirtschaft wurde die Dynamik von Energie 3.0 bzw. Erneuerbarer Energien lange unterschätzt. Erst die Nuklearkatastrophe von Fukushima im Jahr 2011 und der damit verbundene Atomausstieg bis zum Jahr 2022 haben die sog. Energiewende letztlich unumkehrbar gemacht. Bis 2050 soll eine 100%ige Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien erreicht werden. Von der EU kommen flankierende Vorgaben zur effizienten Energienutzung bzw. Senkung des Energieverbrauchs. Das gemeinsame Ziel ist die Reduzierung der fossilen CO2-Treibhausgasmissionen zur Begrenzung des Klimawandels auf unter 2° C.

Energie 4.0 ist die digitale Dimension der Energiewende, einhergehend mit der Revolution des Internets. Innovative IT-Plattformen ermöglichen den Austausch und die Analyse  von gigantischen Datenmengen sowie digitale Geschäftsmodelle unmittelbar mit dem Endkunden, die bis vor Kurzen aufgrund der hohen Transaktionskosten unmöglich erschienen. IT-Giganten (z.B. Google, Apple etc.) betreten mit neuen, innovativen Smart Home-Produkten das heimische Wohnzimmer.

Smart Home bzw. intelligentes, vernetztes Wohnen umfasst unterschiedliche Teilsysteme die untereinander kommunizieren. Zu diesen intelligenten Teilsystemen zählen bspw. Entertainment & Lifestyle, Sicherheit, Gesundheit und Energie. Die Marktbarriere zwischen Smart Home und dem Energiemarkt 4.0 ist ein Dschungel energierechtlicher Regelungen, die auf den alten, zentralen Strukturen der Energiewelt 1.0 basieren. Nichtsdestoweniger ist Energie 4.0 geprägt durch eine äußerst lebendige Startup-Szene. In Modellprojekten (z.B. C/sells der SmartGridsBW-Plattform) werden innerhalb sog. Regulatorischer Innovationszonen (RIZ) intelligente, dezentrale Energiekonzepte in regionalen Netzen erprobt.

Die Vision ist, dass sich über das Internet der Dinge (IOT) physikalische und virtuelle Gegenstände vernetzen und über Informations- und Kommunikationstechniken (IKT) zusammenarbeiten. Energie 4.0 bedeutet Erzeugungs- und Verbrauchssteuerung mit Echtzeitdaten und -preisen beim Endkunden und über sämtliche Netzebenen unter Einbeziehung unterschiedlichster Power2X-Speicherlösungen. Das Gesamtsystem besteht aus einer Vielzahl von Einzelsystemen für die ein Gleichgewicht hergestellt werden muss. Die Bausteine sind intelligent bzw. Smart (Meter, Home/ Energy, Grid). Aggregatoren bündeln über sog. virtuelle Kraftwerke Erzeugungsleistung, betreiben Lastmanagement und stellen Systemdienstleistungen, nicht zuletzt Flexibilität, zur Verfügung. Auf der Ebene von Smart Cities vernetzen sich Smart Energy, Smart Grid und E-Mobility und bewirken Sektorenkopplungen in alte Märkte und neue Märkte (Wärme bzw. E-Mobilität). Mit Blockchain steht eine innovative IOT-Transaktionsplattform bereit, die für die Energiewirtschaft sowohl ein großes Lösungspotenzial als auch disruptives Potenzial birgt.

Energieunternehmen wandeln sich vom Commodity-Verkäufer zur Smart Utility bzw. zum intelligenten Management-Dienstleister der Wertschöpfungs- und Prozessketten für den Endkunden. Digitale Instrumente für diese Realität werden bereits durch Startups bereitgestellt. Der digitale Vertriebskanal zum Endkunden bietet vielfältige Potenziale zur Mehrwertgenerierung. Gerade kommunale Energieunternehmen haben eine unschlagbaren USP: Vertrauen. Mit diesem USP können sie als „Lebensbegleiter“ ihrer Kunden, über das klassische Energieportfolio hinaus, ein breitgefächertes Produktportfolio entwickeln und anbieten. Darüber hinaus haben kritische Infrastrukturen ein hohes Wertschöpfungspotenzial. Dies gilt für den Aufbau und das Management von Stromnetzen bzw. Smart Grids und digitalen Datenautobahnen bzw. Glasfasernetzen.

Blockchain ist keine grundlegend neue IT-Technologie, sondern die Verknüpfung vorhandener Technologiebausteine (dezentrale Serversystemstruktur, Kryptographie). Sie ermöglicht einen fälschungssicheren, bilateralen und exklusiven Datenaustausch und Bezahlvorgang zwischen unbekannten Akteuren ohne Zwischenschaltung eines Intermediärs/ Vermittlers (z.B. Banken, Energieunternehmen). Daten im Internet werden erstmal vom freien zum knappen, digitalen Gut als Grundlage für neue Geschäftsmodelle. Blockchain hat ein disruptives Potenzial zur Ausschaltung von Intermediären. Problematisch ist die Schnelligkeit der Übertragung von großen Datenmengen durch die erforderliche Verschlüsselungstechnologie. Für die Energiewirtschaft bietet Blockchain für lokale, dezentrale Energiemärkte eine Reihe von interessanten Einsatzfeldern zur Geschäftsprozessoptimierung, z. B. in den Bereichen Smart Contracts/ Energy/ Grid, E-Mobility etc. (zur weiteren Information: siehe Blockchain-Studie des BDEW).

Bausteine, Trends und Chancen

1. Vom Eigenverbrauch über Smart Energy bis Smart Home

Im Jahr 2012 wurde die Netzparität für PV-Strom in Deutschland erreicht. Ab diesen Zeitpunkt waren die PV-Stromgestehungskosten geringer als der Haushaltsstrompreis bei Netzbezug. Seit dieser Zeit geht der Trend zum Eigenverbrauch des erzeugten Solarstroms beim Endkunden. Das Ziel ist die Eigenverbrauchsmaximierung zur Senkung der Stromkosten bzw. einzelner Stromkostenbestandteile. Dabei kommen Energiemanagementsysteme mit/ohne Speichertechnologien zum Einsatz.

Für den Eigenverbrauch ohne Nutzung der öffentlichen Netzes fallen ausschließlich Kosten für die Amortisation und den Betrieb der Eigenerzeugungsanlagen sowie 40 % EEG-Umlage (ab 2018: EEG-Umlage: 6,79 ct/kWh) an [Anmerkung: Eigenverbrauchter Strom aus kleinen Anlagen bis zu 10 kW bleibt weiterhin für bis zu 10 MWh im Jahr von der EEG-Umlage befreit (Bagatellgrenze)]. Die Sonderregelung für die EEG-Umlage erfolgte mit der EEG-Novelle 2014, da die EEG-Umlage grundsätzlich für jeden Stromverbrauch zu zahlen ist. Mit der EEG-Novelle 2017 wird auch Mieterstrom bzw. Quartierstrom aus PV-Anlagen entsprechend privilegiert .

Eigenversorgungsprodukte werden als Smart Energy-Lösungen oder Mieterstrommodelle von einer Vielzahl von Anbietern vermarktet. Technologisch sind die Produkte weitgehend ausgereift. Problematisch ist die Darstellung der Wirtschaftlichkeit. Die Entwicklung geht zur Sektorenkopplung mit vorhandenen Wärme- und zukünftigen E-Mobilitätsmärkten sowie die Erweiterung der geschlossene Smart Home-Konzeption um eine Community zur Vermarktung von Differenzstrommengen in diese Gemeinschaft.

Der Begriff „Smart Home“ ist nicht klar definiert. Im engeren Sinne – aus Sicht des Energiemarktes – werden darunter die dargestellten Eigenversorgungslösungen als „Smart Energy“ subsummiert. Im weiteren Sinn treffen sich im „Smart Home“ auf der Endkundenebene unterschiedliche Dienste und Produkte (Energie, E-Mobility, Sicherheit, Komfort, Gesundheit etc.), die durch ihre Vernetzung und Kommunikation untereinander einen Mehrwert im privat genutzten „intelligentes Heim“ bringen sollen. In diese „smarte Welt“ des „Internets der Dinge“ drängen neben den Energieunternehmen auch sämtliche Protagonisten der digitalen Szene, d.h. Internetfirmen (z.B. Google/NEST), E-Mobility Unternehmen (z.B. Tesla), Telekommunikationsunternehmen (z.B. T-Systems), Smartphone-Hersteller (z.B. Apple), Hersteller von smarter Sensorik, Konsumgüterhersteller und zahlreiche Startups (z.B. Rocket-Home) und schaffen ein Innovationsklima, das zu völlig neuen Marktstrukturen im Endkundengeschäft des Energiemarktes führen kann. Der noch bestehende Schutz von „Smart Energy“ besteht einzig und allein in den historischen Energiemarktregelungen des Energiemarktes 1.0 als Markteintrittsbarriere. Allerdings zeigt das Beispiel TESLA, dass hier versucht wird das erste integrierte E-Mobility- und Energieversorgungsunternehmen aufzubauen.
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2. Smart Grid

Verlässt man die Welt der geschlossenen Smart Energy-Eigenerzeugungssysteme so gelangt man zwangsläufig in das öffentliche Stromnetz mit den unterschiedlichen Spannungsebenen der regionalen Stadtwerke als Verteilnetzbetreiber und vier überregionalen Übertragungsnetzbetreiben.

Grundsätzlich ist die Aufgabenstellung der Netzbetreiber mit ihren Systemdienstleistungen, insbesondere die Sicherung der Netzfrequenz von 50 Hz, vergleichbar mit dem Energiemanagement in geschlossenen Smart Energy-Systemen. Sie ist nur vielfach komplexer durch das Management unterschiedlicher Netzebenen und die Vielzahl von Marktteilnehmern. Die Herausforderung liegt in der Marktintegration von Erneuerbaren Energien mit ihren wetter- und jahreszeitabhängigen Erzeugungsprofilen und den unterschiedlichen Lastprofilen der Verbraucher.

Die Steuerung der Netzstabilität über alle Verteilstufen wird zu einer komplexen neuen Herausforderung in dem großen Zukunftsprojekt „intelligente Netze“ (Smart Grid). Dieses Energiesystem braucht Flexibilität durch volatile Erzeuger, steuerbare Lasten und neue, innovative P2X-Speicherlösungen auf allen Netzebenen, die über die bisherigen Systemdienstleistungen des Regelenergiemarktes hinausgehen. Energieversorger können dazu durch die Aggregation von steuerbaren Lasten und Batterieleistung, z.B. E-Fahrzeugen, als Anbieter von virtueller Kraftwerksleistung beitragen.

Voraussetzung des Smart Grid ist das „Internet der Dinge“ (IOT) bzw. der Aufbau und die Administration eines flächendeckenden IKT-Systems mit intelligenten Messsystemen (sog. Smart Meter) zu Verbrauchern und Erzeugern zur Regelung der Netzstabilität. Dazu wurde im Jahr 2016 ein Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende beschlossen. Im Endausbau sind das Echtzeitsysteme, die unverzügliche Steuersignale übertragen. Die Digitalisierung des Informationssystems generiert große Datenmengen (Big Data) und erfordert Lösungen zur Datensicherheit und Schutz vor Cybernet-Attacken. Die Auswertung der Massendaten ist zugleich auch eine „Goldmine“ zur Konzeption neuer Produkte für die Endkunden.
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3. Smart Utility

Smart Utility ist ein Synonym für die zukünftige Aufstellung von Energieunternehmen. Diese liegt im intelligenten Management der Wertschöpfungs- und Prozesskette als Dienstleister für den Endkunden von Smart Energy/Home-Produkten. Als Aggregator von Flexibilität, z.B. als Anbieter von virtueller Kraftwerksleistung oder durch Speicherlösungen. Betrachtet man den eigentlichen USP von kommunalen Stadtwerken, nämlich Vertrauen, dann kann letztlich eine schier unbegrenzte Anzahl von Produkten vermarktet werden.
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4. Schlussfolgerungen

• Die Strukturen der Energiewelt 4.0 sind erkennbar. Es gibt viele Baustellen, aber auch vielfältgie Chancen für neue Produkte für alte und neue Marktakteure.
• Viele Technologien sind bereits vorhanden oder werden in Startup-Prozessen erprobt. Die Herausforderung ist, Technik und Informationstechnologie in ein werthaltiges Geschäftsmodell zu fassen. Dabei muss konsequent entlang der Wertschöpfungskette und ausgehend vom Kunden gedacht werden.
• Es gibt keinen standardisierten Weg zum Erfolg. Die Gewinner sind diejenigen, die aus der Fülle von Informationen den eigenen Weg als Vision bzw. Geschäftsidee erkennen, das vorhandene Wissen gezielt einsetzen, das Knowing-Doing-Gap schießen und mit der Transformation beginnen.
• Neue, kapitalkräftige Markteilnehmer stehen ante portas. Die wesentliche Marktbarriere für den Energiemarkt 4.0 sind energierechtliche Regelungen aus dem Energiemarkt 1.0. Es ist nur eine Frage der Zeit bis diese Regelungen an die Gegenwart und für die Zukunft angepasst werden.

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E-Mobilität als Chance für neue Geschäftsmodelle

1. Elektromobilität – Kommt, ob wir wollen oder nicht!

Der politische Wille zum Einstieg in die Elektromobilität bzw. die Kopplung des Verkehrssektors mit einer nachhaltigen Energieerzeugung birgt ein gewaltiges CO2-Minderungspotential. Die Treiber dieser Entwicklung sind vielfältig, insbesondere die EU-Strategie für emissionsarme Mobilität, zeitliche Zielvorgaben für emissionsfreie PKW in einigen EU-Mitgliedsstaaten, der nationale Klimaschutzplan 2050, Diesel-Fahrverbote und nicht zuletzt die Dynamik der weltweiten Leitmärkte für Elektromobilität in China und USA mit zahlreichen Startups.

Elektromobilität ist grundsätzlich über zwei technologische Entwicklungspfade denkbar

• Einsatz von E-Mobilen mit der Brennstoffzellentechnologie und synthetischen Kraftstoffen. Dabei wird mittels Power-to-Gas-Technologien regenerativ erzeugter Strom in Wasserstoff bzw. Methan umgewandelt. Ein Anwendungsfall ist die Nutzung in E-Mobilen mit Brennstoffzellentechnologie (Gesamtwirkungsgrad gemäß Agora Verkehrswende: 26 %).
• Einsatz von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV oder PHEV) und Nutzung der vorhandenen Stromnetze als Ladeinfrastruktur. Mit der heimischen Schuko-Steckdose ist bereits ein haushaltsnahes, flächendeckendes Ladestellennetz vorhanden (Gesamtwirkungsgrad gemäß Agora Verkehrswende: 69 %).

Der weltweite Trend geht zu batteriebetriebenen E-Fahrzeugen. Spätestens im Jahr 2021 wird E-Mobilität über das steigende Fahrzeugangebot zunehmend massentauglich und wirtschaftlich. Reichweiten von 400 km werden zum Standard und machen E-Mobile alltagstauglich. Die Ladeinfrastruktur nähert sich durch das sog. High-Power-Charging (HPC) dem zeitlichen Ladekomfort des heutigen Tankstellennetzes. HPC ermöglicht den Bau kleiner und effizienter Batterien und entschärft die Rohstoffproblematik zur Batterieherstellung. Im Übrigen ist die Grundeinstellung zur Elektromobilität generell sehr positiv. Die Dynamik der Fahrzeuge und ein eher progressives Design schaffen ein emotionales Fahrerlebnis und ein „gutes Gewissen“ mit Nachhaltigkeitsfaktor.

TESLA hat es vorgemacht: Die Kombination von Supercharger (DC-Laden mit max. 135 kW) und Zuhause-Laden (AC-Laden mit 16,6 kW) ist nach den Erfahrungen des Verfassers ein absolut alltagstaugliches Paket.

Der Schlüssel zum Markterfolg sind nach dem Master-Slave-Prinzip abgestimmte Laderegelungen zwischen E-Mobil (Master) sowie einer flächendeckenden und leistungsfähigen öffentlichen Ladeinfrastruktur (Slave) über die vorhandenen Stromnetze. Daraus resultiert die folgende Ladekaskade:

• Zuhause/ Langsamladen (AC-Laden: 2,4 kW (1p) bis 22 kW (3p)): Elektrofahrzeuge werden überwiegend Zuhause mittels Schuko-Steckdose oder leistungsfähigeren Wall-Boxen über Nacht geladen
• Für Unterwegs und wenn es schnell gehen muss (DC-Laden: > 150 kW) wird sich ein dichtes High-Power-Charging-Ladenetzwerk (HPC) entwickeln, das – analog zum gewohnten Tankstellenkomfort – kurze Standzeiten gewährleistet und die uneingeschränkte Mobilität jederzeit und überall sicherstellt. Im Übrigen ist das auch die Lösung für Mieter ohne eigenen Ladestellenzugang und urbane Zentren.
• Zwischendurchladen (AC/DC-Laden: bis 50 kW) ist opportunitätsgetrieben und wird – wenn möglich und wirtschaftlich – beim Arbeitgeber, Einkauf, Restaurantbesuch, Parken etc. durchgeführt

Die aktuelle öffentliche Ladeinfrastruktur in Deutschland ist ein Fragment aus vielen lokalen Insellösungen ohne ausreichende Flächenabdeckung mit Schnellladepunkten. Gemäß dem Fortschrittsbericht 2018 der Nationalen Plattform Elektromobilität (Schätzung Ende 2017) waren 12.500 Ladepunkte, davon 850 DC-Schnelladepunkte (> 50 kW) installiert. Für 1 Million Elektrofahrzeuge wird ein Bedarf von 7.100 Schnellladepunkten prognostiziert. Zum Vergleich: Der Autohersteller TESLA betreibt in Europa ein firmeneignes Supercharger-Netz mit 1.344 Stationen und 11.041 Ladepunkten. Das deutsche Tankstellennetz umfasst in 2016 rd. 14.530 Straßen- und Autobahntankstellen. Aus diesen Zahlen wird ersichtlich, dass im gezielten Aufbau eines DC-Schnellladenetzes ein enormes Wachstums- und Marktpotenzial liegt.

2. Elektromobilität – Überlegt zugreifen: Der neue Markt bietet Chancen
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Beispiele für Geschäftsmodelle:

2.1. Aufbau einer öffentlichen HPC-Schnellladeinfrastruktur

.Geschäftsansatz:

Schaffung einer öffentlichen HPC-Schnellladeinfrastruktur mit „Tankstellenkomfort“, d. h. kurzen Lade- bzw. Standzeiten mit DC-Ladeleistungen > 100/150 kW als ideale Ergänzung zum privaten Langsamladen Zuhause in der Garage oder als Angebot für Mieter ohne privaten Ladepunkt. Danach kann ein E-Fahrzeug mit einer Batteriekapazität von 80 kWh und einer Restkapazität von 20 % durch HPC-laden innerhalb von ca. 30 Min. auf eine Batteriekapazität von 80 % geladen werden. Idealerweise erfolgt dann der restliche Ladevorgang auf 100 % der Batteriekapazität über die Nacht an der heimischen Steckdose. Diese Methodik ermöglicht ein schnelles und batterieschonendes Laden.

Chancen:

• Einstieg in den Elektromobilitätsmarkt als Infrastrukturbetreiber
• Aufbau eines neuen Stromvertriebsweges
• Verlagerung von „Kraftstoff“ ins Stromnetz und Erhöhung der Netznutzungsentgelte
• Aufwertung der vorhandenen Stromnetzinfrastruktur
• Aufbau von Schnellladepunkten für kommunale und private Flotten
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2.2. Koppelung nachhaltiger Energieerzeugungsanlagen mit öffentlicher HPC-Ladeinfrastruktur

.Geschäftsansatz:  

Im Gegensatz zu Geschäftsansatz Nr. 1 wird die HPC-Ladesäule nicht an das Stromnetz angebunden, sondern über eine Direktleitung unmittelbar mit einer nachhaltigen Energieerzeugungsanlage gekoppelt. Die vorgelagerten Stromnetze werden entlastet und durch die vorhandene Kraftwerksleistung sind zusätzliche HPC-Ladepunkte entsprechend der Marktentwicklung skalierbar.

Chancen (ergänzend zu Nr. 1):

• Hochwertiger Stromvertriebsweg zur Marktintegration von Biomassekraftwerken nach Auslaufen der EEG-Förderung mit festen Einspeisevergütungen ab dem Jahr 2020
• Neuer Stromvertriebsweg für W2E-Anlagen direkt zum Endkunden
• Realisierung nachhaltiger E-Mobilität durch erneuerbaren Strom
• Entlastung der 20 kV-Mittelspannungsnetze durch Direktlieferung
• Realisierung höherer Strompreise durch Wegfall der Netznutzungsentgelte
• Premiumprodukt „HPC-Laden“ mit attraktiven Preisen für Lieferant und Kunden
• Flexibler Ausbau der HPC-Ladestation durch die vorhandene Erzeugungsleistung möglich
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2.3. E-Mobilität mit Carsharing- oder Ridesharing-Konzepten sind die mobile Zukunft

Großstädte sind die Domäne der „Platzhirsche“ – Die Hausforderung ist die „Fläche“

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