Energie · Gebäude · Umwelt (EGU)
Refine
Publication Type
- Article (9)
- Report (5)
- Conference Proceeding (3)
- Working Paper (2)
- Other (1)
Keywords
- energy system modeling (4)
- energy system model (3)
- modeling tools (2)
- urban energy system (2)
- urban energy systems (2)
- Energie (1)
- Energiesystem (1)
- Energiesystemmodellierung (1)
- Fläche (1)
- ILCA (1)
Faculty
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.
Indicators for the optimization of sustainable urban energy systems based on energy system modeling
(2022)
Background: Urban energy systems are responsible for 75 % of the world's energy consumption and for 70 % of the worldwide greenhouse gas emissions. Energy system models are used to optimize, benchmark and compare such energy systems with the help of energy sustainability indicators. We discuss several indicators for their basic suitability and their response to changing boundary conditions, system structures and reference values. The most suitable parameters are applied to four different supply scenarios of a real-world urban energy system.
Results: There is a number of energy sustainability indicators, but not all of them are suitable for the use in urban energy system optimization models. Shortcomings originate from the omission of upstream energy supply chains (secondary energy efficiency), from limited capabilities to compare small energy systems (energy productivity), from excessive accounting expense (regeneration rate), from unsuitable accounting methods (primary energy efficiency), from a questionable impact of some indicators on the overall system sustainability (self-sufficiency), from the lack of detailed information content (share of renewables), and more. On the other hand, indicators of absolute greenhouse gas emissions, energy costs, and final energy demand are well suitable for the use in optimization models. However, each of these indicators only represents partial aspects of energy sustainability; the use of only one indicator in the optimization process increases the risk that other important aspects will deteriorate significantly, eventually leading to suboptimal or even unrealistic scenarios in practice. Therefore, multi-criteria approaches should be used to enable a more holistic optimization and planning of sustainable urban energy systems.
Conclusion: We recommend multi-criteria optimization approaches using the indicators of absolute greenhouse gas emissions, absolute energy costs, and absolute energy demand. For benchmarking and comparison purposes, specific indicators should be used and therefore related to the final energy demand, respectively the number of inhabitants. Our example scenarios demonstrate modeling strategies to optimize sustainability of urban energy systems.
(1) The use of renewable energy for power and heat supply is one of the strategies to reduce greenhouse gas emissions. As only 14% of German households are supplied with renewable energy, a shift is necessary. This shift should be realized with the lowest possible environmental impact. This paper assesses the environmental impacts of changes in energy generation and distribution, by integrating the life cycle assessment (LCA) method into energy system models (ESM). (2) The integrated LCA is applied to a case study of the German neighborhood of Herne, (i) to optimize the energy supply, considering different technologies, and (ii) to determine the environmental impacts of the base case (status quo), a cost-optimized scenario, and a CO2-optimized scenario. (3) The use of gas boilers in the base case is substituted with CHPs, surface water heat pumps and PV-systems in the CO2-optimized scenario, and five ground-coupled heat pumps and PV-systems for the cost-optimized scenario. This technology shift led to a reduction in greenhouse gas emissions of almost 40% in the cost-optimized, and more than 50% in the CO2-optimized, scenario. However, technology shifts, e.g., due to oversized battery storage, risk higher impacts in other categories, such as terrestrial eco toxicity, by around 22%. Thus, it can be recommended to use smaller battery storage systems. (4) By combining ESM and LCA, additional environmental impacts beyond GHG emissions can be quantified, and therefore trade-offs between environmental impacts can be identified. Furthermore, only applying ESM leads to an underestimation of greenhouse gas emissions of around 10%. However, combining ESM and LCA required significant effort and is not yet possible using an integrated software.
Im Rahmen des Forschungsprojekts „Ressourcenplan im Quartier – R2Q“ startete im Frühjahr 2019 ein großer Forschungsverbund aus Hochschulen, wissenschaftlichen Instituten, Praxispartnern und einer Kommune, um die Verwendung der Ressourcen Wasser, Fläche, Baustoffe und Energie in Quartieren zu bilanzieren und zu bewerten, damit ihre effiziente Verwendung im Quartier mit Hilfe neuer rechtlicher Festsetzungen zukünftig gewährleistet werden kann.