Microgrids: Resiliente Stadt für alle

Forschende des KIT haben ein Modell entwickelt, das einen gerechten Zuschnitt dezentraler Energiesysteme berücksichtigt.

Lokale dezentrale Energiesysteme, sogenannte Microgrids, können urbane Infrastrukturen widerstandsfähiger machen und Risiken für die Bevölkerung verringern, etwa bei großflächigen Stromausfällen infolge von Naturgefahren oder Cyberangriffen. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) stellen in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Sustainability Designkriterien für Microgrids vor, die neben technischen Faktoren einen fairen Umgang mit unterschiedlichen sozialen Gruppen berücksichtigen. Die Studie zeigt einen Weg, wie Städte die Transformation hin zu einer sicheren und nachhaltigeren Versorgung gerecht gestalten können (DOI: 10.1038/s41893-024-01395-7).

Der Klimawandel macht Extremereignisse wie die massiven Überschwemmungen weiter Teile Süddeutschlands im Juni wahrscheinlicher. Die Frage, wie Städte und Gemeinden die Versorgung und Sicherheit der Bevölkerung resilienter gegen solche Krisen gestalten können, rückt sogenannte Microgrids in den Fokus. Dezentrale Systeme zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Energie, zum Beispiel mit vernetzten Photovoltaikanlagen und Blockheizkraftwerken, sollen großflächige Stromausfälle im gesamten Stadtgebiet unwahrscheinlicher machen und die Funktion kritischer Infrastrukturen der Daseinsvorsorge sichern.

Eine Gruppe deutscher und US-amerikanischer Forschender unter Leitung von Dr. Sadeeb Simon Ottenburger, Abteilungsleiter am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT, hat ein Modell für eine raumplanerische Konzeption von Microgrids erarbeitet. Ihre Studie bietet Städteplanerinnen und -planern eine Vorlage für einen Planungsprozess, der verschiedene Aspekte integriert – einschließlich sozioökonomischer Faktoren und Fragen der gesellschaftlichen Partizipation im Planungsprozess. Beteiligt waren Mitarbeitende des ITES, des Instituts für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) des KIT sowie in den USA des Energy Production and Infrastructure Centers (EPIC) der University North Carolina und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Colorado.

„Energy Gerrymandering”: Wer hat Zugang zur Energieversorgung?

„Eine Besonderheit unseres Ansatzes ist, dass wir nicht isoliert technische Parameter oder Kostenfragen berücksichtigen, sondern uns mit der Frage beschäftigen, welche Rolle der Zuschnitt von Microgrids hinsichtlich einer fairen Verteilung der Versorgung spielt“, erklärt Ottenburger. „Stellen Sie sich die Stadt als Puzzle vor. Wie die Puzzleteile zugeschnitten sind, kann variieren. Die Grenzziehungen von Energienetzen sind Ergebnis bewusster Entscheidungen und haben Auswirkungen auf die Bevölkerung. Es macht im Krisenfall einen Unterschied, wie Angebote zur Gesundheits-, Sicherheits- und Lebensmittelversorgung innerhalb einzelner Microgrids, aber auch im gesamten Stadtgebiet verteilt sind.“ Mit dem Begriff der „Freiheitsgrade“ hebt die Studie die Bedeutung des planerischen Gestaltungsspielraums hervor. Um auf potenziell negative Folgen von Einteilungen hinzuweisen, die Fragen der sozialen Gerechtigkeit nicht berücksichtigen, benutzten die Autorinnen und Autoren den Begriff „energy gerrymandering“, angelehnt an das politische gerrymandering, bekannt aus den USA, beim Zuschnitt von Wahlbezirken zum Vorteil bestimmter Gruppen. Die Definition von Microgrid-Bezirken kann demnach zu einer ungerechten Verteilung von Ressourcen und Vorteilen führen. Starke und wohlhabende Gruppen könnten bevorzugt, sozial schwächere und vulnerable Gruppen benachteiligt werden. „Zu Resilienz gehört auch, zu definieren, wie der Zugang für verschiedene Gruppen der Bevölkerung gestaltet wird“, so Ottenburger.

Metrik zur Bewertung des Wohlbefindens

Die Studie richtet den Fokus auf den Zusammenhang zwischen der unterschiedlichen Verwundbarkeit sozialer Gruppen und einem gerechten Zugang zu Energie und Versorgung. Dazu haben die Forschenden Metriken mittels existierender Vulnerabilitätsindizes entwickelt, die das Wohlbefinden der Bevölkerung („Wellbeing”) als Messgröße beschreiben und darstellen, wie Energieausfälle insbesondere sozial und ökonomisch empfindliche Gruppen betreffen: Kranke, Familien mit Kindern, ältere Menschen und Geringverdiener.

Daten aus Fallstudie nach Hurrikan

Datengrundlage hierfür bot eine umfassende Fallstudie nach Stromausfällen während des Hurrikans Florence im September 2018 in New Hanover County, North Carolina. Diese steuerten die Projektpartner in den USA bei. Die Daten ermöglichten eine Analyse der kritischen Infrastruktur, deren Verwundbarkeit in Verbindung mit der geografischen Verteilung sozial benachteiligter Haushalte und deren Zugang zu grundlegenden Dienstleistungen. Das Projektteam entwickelte daraus ein universelles Design, das es für jede Stadt ermöglicht, urbane Resilienz umfassend zu bewerten und Vorschläge für einen Zuschnitt von Microgrids zu generieren, der technische und soziale Fragen berücksichtigt.

Mehrere Microgrids pro Stadt

Zu den konkreten Empfehlungen der Autoren gehört, dass für eine gerechte Verteilung und Zugänglichkeit kritischer Dienstleistungen wie Gesundheits- und Sicherheitsstrukturen eine Stadt nicht nur eines, sondern mehrere Microgrids haben sollte. Mit Blick auf die Grenzziehungen der Versorgungsnetze sollten Stadtverwaltungen Institutionen in den Bereichen Gesundheitsversorgung und Sicherheit, Vertreter unterschiedlicher sozialer Gruppen, Bildungseinrichtungen und sozialer Dienste aktiv in die Planungs- und Entscheidungsprozesse einbeziehen, um die Bedürfnisse aller sozialen Gruppen fair zu berücksichtigen.

„Die Suche nach optimierten Microgrid-Zuschnitten ist hoch komplex und bedarf neuer Algorithmen, um aus den vorhandenen Daten tragfähige Modelle zu entwickeln“, sagt Ottenburger. „Entscheidend ist, dass resiliente Lösungen nicht unbedingt eine Frage von mehr Investition sind, sondern vor allem von ausgeklügelter Planung. Wir sollten darauf achten, dass alle Gruppen eine Stimme haben und an diesen Prozessen teilnehmen können.“ (kar)

Weitere Informationen zum Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) am KIT

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Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

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Originalpublikation:

Sadeeb S. Ottenburger, Rob Cox, Badrul H. Chowdhury, Dmytro Trybushnyi, Ehmedi Al Omar, Sujay A. Kaloti, Ulrich W. Ufer, Witold-R. Poganietz, Weijia Liu, Evgenia Deines, Tim O. Müller, Stella Möhrle, Wolfgang Raskob: Sustainable urban transformations based on integrated microgrid designs, Nature Sustainability, 16 July 2024, DOI: 10.1038/s41893-024-01395-7, https://www.nature.com/articles/s41893-024-01395-7

Weitere Informationen:

Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) am KIT: https://www.ites.kit.edu/index.php

https://www.kit.edu/kit/pi_2024_056_microgrids_resiliente_stadt_fuer_alle.php