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Traditionelle, lineare Energiesysteme werden zunehmend zu vernetzten, regenerativen Energiesystemen transformiert. Mit dem auf dem „Open Energy Modelling Framework” (oemof) basierenden „Spreadsheet Energy System Model Generator” (SESMG) wurde ein Tool entwickelt, welches die Komplexität und Wechselwirkungen moderner Energiesysteme auf urbaner Ebene automatisiert abbildet. Zur Erstellung individueller Energiesystemmodelle sind ausschließlich quartiersspezifische Parameter notwendig, technische und wirtschaftliche Parameter sind standardmäßig hinterlegt. Mit Hilfe von Algorithmen werden Energieversorgungsszenarien identifiziert, welche individuell definierte Zielgrößen (z. B. monetäre Kosten oder Treibhausgasemissionen) minimieren. Durch die implementierten Methoden zur Modellvereinfachungen können auch mit begrenzten Rechenressourcen (insb. Rechenzeit und Arbeitsspeicherbedarf) große Systeme modelliert und optimiert werden. Die Zielszenarien werden als Diagramme und für die Weiterverarbeitung mit Geoinformationssystemen aufbereitet, sodass die Ergebnisse analysiert, plausibilisiert und präsentiert werden können.
Der Spreadsheet Energy System Model Generator (SESMG) ist ein Werkzeug zur Modellierung und Optimierung von (urbanen) Energiesystemen. Der SESMG hat eine browserbasierte grafische Benutzeroberfläche, eine tabellenbasierte Dateneingabe und eine ausführliche Dokumentation, was einen einfachen Einstieg ermöglicht. Zudem erfordern die Installation und Anwendung keine Programmierkenntnisse. Im SESMG sind verschiedene Modellierungsmethoden implementiert, wie z. B. die Anwendung des Multi-Energie-System-Ansatzes, die multikriteriale Optimierung, modellbasierte Methoden zur Reduktion des Rechenaufwands sowie die automatisierte Erstellung von räumlich hoch aufgelösten Energiesystemmodellen. Somit können urbane Energiesysteme mithilfe des SESMGs mit vergleichsweise geringem Aufwand, aber unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern und Randbedingungen, modelliert und optimiert werden.
Heating networks are highly relevant for the achievement of climate protection goals of urban energy systems. This is due to their high renewable energy potential combined with high plant efficiency and utilization rates. For the optimal integration and sector coupling of heating networks in holistic urban energy systems, open source energy system modeling tools are highly recommended. In this contribution, two open source approaches (the "Spreadsheet Energy System Model Generator"-integrated DHNx-Python module (DHNx/SESMG) and Thermos) are theoretically compared, and practically applied to a real-world energy system. Deviations within the results can be explained by incorrectly pre-defined parameters within Thermos and cannot be adjusted by the modeler. The simultaneity is underestimated in the case study by Thermos by more than 20%. This results in undersized heating plant capacities and a 50% higher number of buildings connected to the network. However, Thermos offers a higher end-user usability and over 100 times faster solving. DHNx/SESMG, in contrast, offers the possibility to adjust more model parameters individually and consider multiple energy sectors. This enables a holistic modeling of urban energy systems and the model-based optimization of multi-sectoral synergies.
Die Transformation der Energiesysteme im Rahmen der Energiewende macht diese durch zusätzliche Komponenten und Wechselwirkungen immer komplexer. Das ökonomische und ökologische Potenzial, dass sich aus der Nutzung der Synergien dieser Komponenten ergeben kann, erfordert eine gemeinsame Betrachtung des gesamten Energiesystems hinsichtlich sämtlicher Energie- und Verbrauchssektoren.
Die Energiesystemmodellierung stellt eine geeignete Methode zur Modellierung und Optimierung dieser urbanen Energiesysteme dar. Mit dem „Spreadsheet Energy System Model Generator“ (SESMG) hat die FH Münster ein Open Source Tool entwickelt, das die Betrachtung urbaner Quartiere ermöglicht. Diese können hinsichtlich verschiedener Zielkriterien wie z. B. monetären Kosten und THG-Emissionen optimiert werden. Die tabellenbasierte Eingabe erfordert keine Programmierkenntnisse. Das implementierte Urban District Upscaling Tool erleichtert die effektive Modellierung auch größerer Systeme. Die automatisierte Ergebnisaufbereitung ermöglicht eine schnelle Analyse der Ergebnisse.
The Spreadsheet Energy System Model Generator (SESMG) is a tool for modeling and optimizing energy systems with a focus on urban systems. The SESMG is easily accessible as it comes with a browser-based graphical user interface, spreadsheets to provide data entry, and detailed documentation on how to use it. Programming skills are not required for the installation or application of the tool. The SESMG includes advanced modeling features such as the application of the multi-energy system (MES) approach, multi-objective optimization, model-based methods for reducing computational requirements, and automated conceptualization and result processing of urban energy systems with high spatial resolution. Due to its accessibility and the applied modeling methods, urban energy systems can be modeled and optimized with comparatively low effort.