Die Herausforderung: Erzeugung von erneuerbarer Energie erfolgt meist dezentral und ist überdies extrem volatil

Bei zentralen Kraftwerken mit Verbrennungstechnik kann die Menge der erzeugten Energie je nach Bedarf höher oder niedriger geregelt werden, insbesondere bei Gaskraftwerken. Bei Photovoltaik fällt die erzeugte Energiemenge je nach Tages- und Jahreszeit oder Wetter unregelmäßig an.

Die fehlende Steuer- und Vorhersehbarkeit bedeutet für die CO₂-neutrale Stadt der Zukunft, dass elektrische Energie durch Pufferspeicher in großen Mengen gespeichert werden muss, damit sie für den Endverbraucher jederzeit verfügbar ist.

Die Smart City der Zukunft muss zwei Aufgaben bewältigen: eine Netzstruktur für dezentral anfallende Energie schaffen und die Energieversorgung bei volatil anfallenden Energiemengen steuern – für die Brücken wurde das beispielhaft modelliert

Das Energiekonzept der Frankfurter Brücken ist mittels Polysun simuliert worden

Energiequellen:

  PV-Module: in 8 Richtungen (Süd, Süd-West, West usw.) mit Winkeln von 0, 37 und 90 Grad

  PVT-Module: in Südrichtung mit optimalem Winkel

  Erdwärmesonden: für Raumwärme

  Energiequelle: Darstellung der Abwärme von Rechenzentren  

  Netz: Bei starkem Strombedarf wird der Netzstrom verbraucht (falls umgekehrt ist das Netz ein Energieverbraucher)

Energiespeicher:

  Li-ion Batterien: 320 MWh Speicherungskapazität

  Redox-Flow Batterien: 80 MWh Speicherungskapazität

  Erdwärmesonden: als BTES Speicher

Energieverbraucher:

Elektrische Verbraucher: für Wohn- und Nichtwohngebäude, Brücken-Infrastruktur (Beleuchtung, Bewässerung usw.), Elektro-Fahrzeuge, Wasserstoff-Produktion

  Schwimmbäder: als thermische Verbraucher

  Gebäude: für die Raumwärme der Wohn- und Nichtwohngebäude und Gewächshäuser

  Energiesenke, -quelle: Darstellung der Wohngebäude während Raumkühlung

Einrichtungen:

  Wärmepumpen: für Raumwärme und -kühlung

  Blockheizkraftwerk: als Brennstoffzellen zwecks Back-up für verstärkten Energiebedarf im Winter

  Steuerung: Controlling der gesamten Systeme

Parameter, Randbedingungen sowie Voraussetzungen für die Modellierung des Energiekonzeptes der Frankfurter Brücken

Um die sehr komplexe Simulation nicht zu aufwendig zu gestalten, ist sie für 1 % der gesamten Energie der Brücken als repräsentativen Teilausschnitt für 100 % der Energie durchgeführt worden. Dementsprechend berücksichtigt die Simulation lediglich zwei statt der 200 Versorgungszentralen, die es an den Frankfurter Brücken gibt. Die Simulationszeitschritte betragen je 1 Stunde über die Periode eines Jahres hinweg. Der Simulations-Vorlauf ist mit 270 Tagen angesetzt, um die Speicher-Effekte für die BTES genauer zu simulieren.

Genutzt werden Hochtemperatur-Wärmepumpen, die mit der Abwärme von Rechenzentren und Solarwärme gekoppelt sind, während Niedrigtemperatur-Wärmepumpen für die Kopplung mit Erdwärme eingesetzt werden.

Die Wärme aus PVT-Modulen sowie die Abwärme von Rechenzentren werden von April bis September im BTES gespeichert und von Oktober bis März entnommen bzw. verbraucht.

Um die Wärme aus Brennstoffzellen effizienter nutzen zu können, sind die Brennstoffzellen nur im Winter bei starkem Energiebedarf im Betrieb.

Die Schwimmbäder sind als beispielhafte thermische Energieverbraucher genannt, da ein Mehrfaches des Brückenverbrauchs an thermischer Energie generiert bzw. gespeichert wird und dafür Abnehmer gefunden werden müssen, damit die gespeicherte Wärme sich über die Jahre hinweg nicht im Boden kumuliert und diesen sowie das Grundwasser aufheizt. In ferner Zukunft allerdings, wenn die Gebäude entlang der Brücken Sanierungszyklen durchlaufen haben, kann diese Wärme dann zu Wärmepumpen dieser Gebäude geleitet werden.

Im Sommer wird die Wärme aus Kühldecken in den Dachetagen der Wohngebäude zwecks Regeneration nach unten in den Boden geschickt. Im Winter wird ergänzend ebenfalls ein Teil der überschüssigen thermischen Energie aus PVT-Modulen zu regenerativen Zwecken in den Untergrund geführt, allerdings temperaturgesteuert und nur dann, wenn die Sole-Temperatur der PVT-Module niedriger als 30 °C ist, da die Erdwärmespeicher in den Säulenpfählen (anders als die viel tiefer reichenden Sondenfelder) ansonsten Gefahr laufen, das Erdreich und das Grundwasser übermäßig aufzuheizen.

Das Ergebnis: Die Frankfurter Brücken weisen einen hohen Autarkiegerad und ein fast 100 prozentiges Eigenverbrauchsverhältnis auf

Im Sommer, wenn photovoltaischer Strom mithilfe der Frankfurter Brücken im Überfluss produziert bzw. eingesammelt wird, liegt der Autarkiegrad der Brücken bei fast 100 %. Lediglich im Winter sind die Brücken auf den Bezug von Strom aus dem Netz angewiesen – allerdings mit weniger als 10 % ihres Bedarfes. Das Eigenverbrauchsverhältnis liegt das ganze Jahr über bei fast 100 %, da die Brücken stets sämtliche erzeugte Energie entweder selbst verbrauchen oder an andere Nutzer in der Nähe zum direkten Verbrauch abgeben.

Der produzierte Wasserstoff kann für die Fahrzeuge auf und neben den Brücken verwendet werden und zudem im Winter die Stromproduktion sicherstellen

Der größte Anteil des erzeugten Stroms (ca. 171 GWh/a) wird zur Wasserstoff-Produktion verwendet: Damit können zum einen ganzjährig H₂-betriebene Fahrzeuge auf und entlang der Brücken versorgt werden. Zum anderen wird damit der Überschuss an erzeugtem Strom im Sommer in Form von Wasserstoff „gespeichert“, so dass im Winter bei geringerer Sonneneinstrahlung stets ein Energieträger da ist, der für Ausgleich sorgen kann.

3.240 Tonnen Wasserstoff werden p.a. mit den 171 GWh überschüssigem Strom hergestellt: Für die Speicherung dieser Mengen mit 350 bar in unterirdischen Tanks wird ein Speichervolumen von 135.000 m3 benötigt

Um die 3.240 Tonnen Wasserstoff in PEM-Elektrolyseuren herzustellen, werden 52.000 m³ Wasser benötigt. Als Wasserquelle können ca. 3 bis 4 % des Regenwassers, das in den Zisternen unter den Brücken gesammelt bzw. gespeichert wird, verwendet werden.

Da der Platzbedarf für 3.240 Tonnen Wasserstoff selbst bei 350 bar vergleichsweise groß ist, wurden 42 Ackerflächen und Sportfelder mit insgesamt 840.000 m² Fläche neben den 7 Armen der Brücken identifiziert, die für Wasserstofferzeugung sowie -speicherung in Frage kämen – benötigt werden allerdings nur 20.000 m². Die Nutzung dieser Flächen wird durch eine Installation der Wassertanks samt PEM-Elektrolyseur in 2 bis 3 Metern Tiefe nicht beeinträchtigt – entsprechend attraktiv ist es für die Flächenbesitzer, ihren Untergrund für so eine Infrastruktur zu „verpachten“, von der sie kaum etwas mitbekommen.

Um 90 % des überschüssigen Stroms im Sommer in Wasserstoff umwandeln zu können, werden pro Wasserstoffstation an den Außenarmen der Brücken 5 Elektrolyseur-Stacks mit je 5 MW benötigt

Von den im Sommer erzeugten 133 GWh/a Wasserstoff werden 71 GWh/a (ca. 53 %) für den Winter gespeichert

Der produzierte Wasserstoff wird nicht einmalig komplett gespeichert, um dann verbraucht zu werden, sondern es erfolgt unterjährig permanent ein mehr (im Winter) oder weniger (in den Übergangsmonaten) intensiver Verbrauch: Von den rund 171 GWh/a überschüssigem Strom, der zur Wasserstoff-Produktion verwendet wird, werden daher lediglich 41 %, also ca. 71 GWh/a bzw. 1.345 Tonnen, in den Sommermonaten für den Verbrauch im Winter gespeichert.

Für die Wasserstoff-Speichertanks werden ca. 4.250 Quadratmeter benötigt, für die PEM-Elektrolyseure dazu jeweils ca. 450 bis 500 m² – in Summe ergibt sich ein Flächenberdarf von unter 5.000 m² pro Station am Ende eines jeden Brückenarms

Dieses „Spitzenspeichervolumen“ hat einen Platzbedarf von 56.000 m³. Ein kleiner Teil des Wasserstoffs kann zwar direkt vor Ort an den Brücken in den dort befindlichen 200 Versorgungszentralen gespeichert werden: Jede hat einen Wasserstofftank mit einem Volumen von 3,5 m³ in einem ihrer Untergeschosse, so dass von den insgesamt 56.000 m³ in Summe ca. 4.900 m³ Wasserstoff an 200 Brückenpunkten lokal gespeichert werden können.

Aber der Großteil des Wasserstoffs, rund 51.000 m³, wird in den Endbereichen der 7 Brückenarme in den 7 Wasserstoffstationen – ebenfalls unterirdisch – gespeichert.

Die Tanks der 200 Versorgungszentralen sind mit 1,5 m Durchmesser und 2 m Länge vergleichsweise handlich und kompakt, die Tanks an den sieben Wasserstoffstationen hingegen sind mit 3,6 m Durchmesser und 15 m Länge deutlich aufwendiger im Handling, zumal für jede der sieben Stationen im Schnitt 49 solcher Tanks benötigt werden.

Dennoch bleibt der Flächenbedarf für die unterirdische Speicherung pro Wasserstoffstation mit rund 4.250 m² überschaubar, zumal für die Elektrolyseure an jedem Brückenarm-Ende nur weitere 450 bis 500 m² anzusetzen sind.

Von den 3.240 Tonnen Wasserstoff wird rund ein Viertel zum Betrieb von Brennstoffzellen verwendet, die dann auch im Winter elektrische und thermische Energie bereitstellen können

Auch im Winter, wenn photovoltaisch erzeugter Strom ebenso wie solarthermisch erzeugte Wärme in deutlich geringerem Umfang produziert werden, muss die Strom- und Wärmeversorgung sichergestellt werden. Dies geschieht, indem ca. 823 Tonnen Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen genutzt werden. Diese werden primär im Winter betrieben, um die gleichzeitig erzeugte thermische Energie effizient zu nutzen.

Für die gesamten Brücken werden Brennstoffzellen mit einer Leistung von 100.000 kW in Summe benötigt: Dafür werden 200 Brennstoffzellen mit einer elektrischen Leistung von je 500 kW angesetzt, die auf die 200 Versorgungszentralen verteilt werden.

Während der Wasserstoff und die Brennstoffzellen für einen Sommer-Winter-Ausgleich der volatil erzeugten PV-Energie sorgen, erfolgt der Ausgleich für kürzere sonnenarme Phasen und die Nacht über Batterien

Auf den Brücken befindet sich in den Versorgungszentralen eine Batteriekapazität von insgesamt 400 MWh. Davon entfallen 320 MWh auf Li-ion-Batterien und nur 80 MWh auf Redox-Flow-Batterien, da letztere mehr Raum im Verhältnis zu ihrer Energieeffizienz einnehmen. Eine Abänderung des Batteriekonzeptes der Frankfurter Brücken könnte allerdings zukünftig mit der Marktreife von Organic-Flow-Batterien erfolgen.

Die Li-ion-Batteriekapazität verteilt sich auf 70 der 200 Versorgungszentralen (VZ). Pro VZ sind im Schnitt Li-ion-Batterien mit einer Gesamtleistung von 4,6 MWh und einem Flächenbedarf von ca. 33 m² anzusetzen. Die Redox-Batterien finden sich in allen Versorgungszentralen: In 60 VZ stehen je 2 Stück mit jeweils 300 kWh und in den restlichen 140 VZ steht je eine mit 300 kWh.

Innovative Infrastruktur zur Energieversorgung berücksichtigt auch möglichst kurze Transportwege zwischen dezentralen Energieerzeugern und -abnehmern

Mit den Brücken macht Frankfurt den ersten großen Schritt von der zentralen Versorgung durch Kraftwerksverbrennung zur dezentralen Versorgung durch erneuerbare Energien. Dabei ist es wichtig, dass über ein Steuerungssystem, ein geschlossenes „Internet of Things“, Erzeuger und Verbraucher miteinander kommunizieren und die Energie immer möglichst nahe ihres Erzeugungsortes verbraucht wird: Strecken des Wärme- und Stromtransports werden dadurch kürzer und Umwandlungsverluste durch Transformatoren oder thermische Verluste durch Leitungsstrecken werden minimiert.

Auf den Brücken sind beispielsweise alle mit PVT-Modulen bedeckten Flächen Energie-erzeugende Einheiten. Der Strom, den sie produzieren, wird stets erstmal bis zur nächsten Versorgungszentrale weitergeleitet, um von dort optimal gesteuert genutzt zu werden.

Ein weiteres Forschungsgebiet zur Effizienzsteigerung: Vermeidung von Umwandlungsverlusten. Durch Photovoltaik erzeugte Gleichstrom-Energie kann theoretisch direkt dazu genutzt werden, E-Fahrzeuge wiederaufzuladen, ohne den durch Photovoltaik entstandenen Gleichstrom verlustbehaftet in Wechselstrom wandeln zu müssen. Lediglich die Spannung muss angepasst werden.

Aufgrund der Speicherlandschaft der Brücken bleibt die Inanspruchnahme des Frankfurter Netzes durch Netzeinspeisung und -bezug sehr gering

Bei den Frankfurter Brücken wird der Stromaustausch zwischen externem und lokalem Netz minimiert: Überschüssiger Strom wird entweder in Batterien gespeichert oder es wird damit Wasserstoff produziert – was beides die Netzeinspeisung erheblich verringert. Ebenso vermindern Batterien sowie Brennstoffzellen den Netzbezug bei Stromdefizits. Nur in den Monaten September bis Februar ist der Netzbezug aufgrund verminderter Sonneneinstrahlung leicht erhöht – er ist jedoch in Summe mit 2 % des durch die Brücken gesammelten bzw. erzeugten Stromes immer noch vergleichsweise gering.

Im Bereich Raumwärme und -kühlung sind Wärmepumpen ein wichtiger Bestandteil der Brückeninfrastruktur

In den Brückenquartieren erfolgt Heizen und Kühlen mithilfe von Wärmepumpen. Sie sind dann in den Versorgungszentralen installiert, wenn diese mehrere kleinere Gebäude versorgen. Größere Gebäude auf den Brücken wie Mehrfamilienhäuser, Seniorenheime, Kindergärten etc. haben ihre eigene Wärmepumpe. Das System umfasst Niedrigtemperatur- (NT) und Hochtemperatur- (HT) Wärmepumpen: Die Wärmequelle für NT-Wärmepumpen ist Erdwärme mit einer Temperatur von ca. 14 °C. Rund 100 % der Raumwärme und sämtliche Raumkühlung werden mithilfe von NT-Wärmepumpen bereitgestellt. Die Gebäude auf den Brücken und die Gewächshäuser entlang der Brücken benötigen 100 NT-Wärmepumpen mit ca. 290 kW Heizleistung bei W15/W35.

Die Wärmequellen für HT-Wärmepumpen sind Solarthermie aus den PVT-Modulen auf und entlang der Brücken sowie die Abwärme von Rechenzentren mit einer Temperatur von über 20 °C.

Die HT-Wärmepumpen liefern in den ersten Jahren hauptsächlich Wärme für die Entfrostung der Straßen auf und unter den Brücken oder für Schwimmbäder etc., bis die Bestandsgebäude entlang der Brücken im Zuge von Sanierungen von Gas- auf Wärmepumpenheizungen umgestiegen sind und die im Boden gespeicherte solarthermische Wärme sowie die Abwärme von Rechenzentren auch für diese Gebäude genutzt werden können. Der COP von sämtlichen Wärmepumpen liegt zwischen 4 und 7, je nach Wassertemperatur.