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Die Planung urbaner Energiesysteme wird durch die zunehmende Verbreitung sektorgekoppelter Technologien und neuer Verbrauchssektoren immer komplexer. Klassische Planungsmethoden kommen an ihre Grenzen. Die Energiesystemmodellierung (ESM) bietet eine Möglichkeit, ein Energiesystem hinsichtlich der Kosten und der Treibhausgas (THG)- Emissionen zu optimieren. Gleichzeitig ergibt sich aus der Energiewende und angestrebten THG-Neutralität ein akuter Handlungsbedarf. Dies gilt auch für die 1 500 Kasernen in Deutschland. Im Rahmen dieser Arbeit werden der bestehende Modellierungsprozess des Spreadsheet Energy System Model Generator (SESMG) erweitert, indem Herausforderungen der Modellierung und Optimierung von Kasernen identifiziert und Lösungsansätze hierzu entwickelt werden.
Diese Arbeit basiert auf der ESM einer realen Kaserne. Es kann das Urban District Upscaling Tool zur Erstellung der für den SESMG benötigten Modelldefinition verwendet werden. Die Open-Source Datenbank SESMG-Data, kann automatisch die benötigte Standard Parameter Tabelle mit zugehörigem Bericht generieren. Weiterhin wurde ein Energieaustauschmodell vorgestellt, das den Energieaustausch zwischen Kasernen eines Bilanzkreises ermöglicht. Ein Fokus liegt auf der Abbildung zukünftiger Ausbaupläne.
Dazu wurden kasernenspezifische Gebäudeprofile entwickelt, die gemittelte spezifische Energiebedarfe und weitere Parameter zur Berechnung der Wand-, Fenster-, und Dachfläche enthalten. Der spezifische Wärmebedarf kann durch einen Faktor an die Baualtersklasse angepasst werden. Mit Hilfe statistischer Kennwerte lässt sich ein geeignetes Standardlastprofil für verschiedene Gebäudeprofile auswählen. Zur Reduktion der Komponenten im Energiesystemoptimierungsmodell (ESOM) können die Dachflächenpotenziale von Photovoltaikanlagen zusammengefasst werden. Da Kasernen nur eine Bilanzgrenze besitzen, können zudem auch die Strombedarfe der einzelnen Gebäude zusammengefasst werden. Damit lassen sich gleichzeitig dezentrale Batteriespeicher als Komponente des ESOMs ausschließen. Die Potenzialflächen von Erdwärmepumpen können zusammengefasst werden, wobei Abstands- und Belastbarkeitsgrenzen eingehalten werden müssen.
Kasernen verfügen häufig über Bestandswärmenetze, die im ESOM gesondert berücksichtigt werden müssen. Um dieses Bestandswärmenetz abzubilden, können die Verteilleitungen manuell nachgezeichnet werden und in einer Vormodellierung mit dem SESMG mit geringeren Kosten angesetzt werden. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden sind allgemeingültig für Kasernen. Die Übertragbarkeit der kasernenspezifischen Gebäudeprofile ist aufgrund der unterschiedlichen Nutzung von Kasernen nur eingeschränkt möglich. Der bestehende Modellierungsprozess wurde um kasernenspezifische Prozessschritte erweitert und visualisiert. Zukünftige Modellierungen von Kasernen können zur Validierung der Ergebnisse und für weitere Anpassungen, wie z. B. die Erstellung einer kasernenspezifischen Datenbank, genutzt werden.
Rund 75 % des weltweiten Energieverbrauchs findet innerhalb urbaner Energiesysteme statt. Solche Systeme beinhalten mehrere Energiesektoren (Elektrizität, Wärme, Kälte, …), Verbrauchssektoren (Wohnen, Gewerbe, Industrie, Landwirtschaft, Mobilität, …) und Interessensgruppen und sind deshalb besonders komplex. Durch den Einsatz von Methoden der Energiesystemmodellierung können diese komplexen Systeme simuliert, analysiert und optimiert werden. Mit Simulationsmodellen können Kosten, Emissionen und verschiedene andere Systemparameter prognostiziert werden. Mithilfe von Optimierungsalgorithmen können Technologien miteinander verglichen, Anlagen dimensioniert und Betriebsweisen optimiert werden. Die Erkenntnisse aus Energiesystemmodellen können zur Einhaltung verschiedener politischer und sozialer Ziele, wie beispielsweise die Reduktion von Treibhausgasemissionen, der Bedarf nach kostengünstiger Energieversorgung oder auch die Stärkung der regionalen Wirtschaft, beitragen.
Im Projekt R2Q werden Ansätze der Energiesystemmodellierung für den Einsatz in der Planung urbaner Energiesysteme aufgearbeitet, angepasst und für städteplanerische Prozesse verfügbar gemacht. In ersten Modelldurchläufen für ein Testgebiet in Herne konnte durch die Kombination verschiedener Technologien eine rechnerische Minimierung der monetären Kosten um 19 % bei gleichzeitiger Reduktion der CO2-Emissionen um 36 % ermittelt werden. Durch ein emissionsoptimiertes Szenario können die CO2-Emissionen um 47 % reduziert werden, was jedoch mit einer Steigerung der Kosten um 29 % einhergeht.