Energie · Gebäude · Umwelt (EGU)
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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.
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.
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.
The annual wastewater flow that is treated by public
wastewater treatment plants in Germany amounts
to approx. 10 ∗ 10^9 m3/a and forms an ”artificial” hydropower
potential that can be used for energy generation
or recovery. In the context of this paper, energy
recovery in the outlet of wastewater treatment plants
is examined using the specific example of the water
wheel at the Warendorf central wastewater treatment
plant. The ”artificial” hydropower potential can be
roughly estimated at up to 20 to 105 GWh/a , whereby
this is largely dependent on the hydraulic gradient.
The strong variance results, among other things, from
the findings of the water wheel operation in Warendorf.
The decisive aspect here is the differential factor,
which describes the deviation between the theoretical
and actual energy yield of the water wheel. The
factor includes maintenance work, downtimes and insufficient
inflows, which are associated with a loss of
output. In the case study, the annual energy recovery
amounts to approx. 2 % of the annual electricity consumption
of the wastewater treatment plant and can
be estimated to 23,500 kWh (2022). In the context
of the economic analysis, it can be seen that despite
the ”low” yield, economic operation is possible if the
system is viewed as a long-term investment - payback
period of the example is approx. 14,5 years. The
27-year operation (1996 - 2023) of the water wheel
at the Warendorf central wastewater treatment plant
confirms this and important findings on successful
practical operation can be shown in the context of
this paper.
This document presents a comparative analysis of
horizontal and vertical small wind turbines for urban
areas in three power classes up to 10 kW in different
categories. The main objective was to conduct a market
analysis to assess the marketability of these wind
energy systems. The aim was to make it easier for
potential customers to make a decision. However, due
to the limited availability of data, the project encountered
considerable difficulties. As a result, the study
became a comparative assessment, which led to results
that may not be readily transferable to urban environments,
slightly missing the original objective of the
study. The results underline the difficulties associated
with conducting a comprehensive market analysis in
this sector and highlight the need for an independent
series of tests under specific conditions. The paper
concludes with a plea for future research efforts to
adapt data collection methods to urban conditions in
order to improve the relevance and applicability of
such studies in practice.
The construction and operation of hydropower plants
for energy generation is a major issue in sustainable
energy production. Nevertheless, hydropower plants
have a negative impact on fish populations. It is crucial
to understand the causes and consequences of fish
mortality in hydropower plants in order to find sustainable
solutions that reconcile the need for energy
with the conservation of aquatic ecosystems. This
article examines the fish protection measures that can
be implemented to reduce fish mortality and maintain
ecological balance. Based on the main literature reviewed,
this article mainly refers to Germany in terms
of studies carried out and hydropower plants.
This article analyses the impact of robotics on the
operation and maintenance (O&M) of offshore wind
turbines (OWTs), with a particular emphasis on the
challenges and benefits. As the world’s reliance on
renewable energy, particularly offshore wind, increases
to reduce climate change, the growing number of
OWTs requires effective O&M. Challenges consist
of logistics, accessibility and high costs. The paper
presents the application of climbing robots, unmanned
aerial vehicles and underwater robots to overcome
these challenges.
The combination of multiple robotic platforms, such
as autonomous surface vehicles and autonomous underwater
vehicles, represents a collaborative approach
to O&M. Obstacles include the need for accurate navigation,
building trust between humans and robots,
and research into artificial intelligence.
In conclusion, the integration of robotics in O&M
presents considerable advantages, increasing efficiency,
safety and cost-effectiveness. Further progress and
research into artificial intelligence are crucial in achieving
complete automation, which will transform the
O&M of OWTs.
The pursuit of Offshore Wind Energy (OWE), integral
to the German government’s ambitious renewable
energy goals raises concerns about the environmental
impact of noise emissions on marine life. This paper
delves into the theoretical background of Offshore
Wind Turbine (OWT) noise, exploring its various
phases from the survey to decommission. It examines
the types and causes of noise emissions, their effects
on marine wildlife and potential mitigation measures.
Highlighting the regulatory framework in Germany,
the paper emphasises the need for nuanced approaches
to balance renewable energy objectives with marine
ecosystem preservation.
This review paper provides an initial overview of the
state of the art of common corrosion protection methods
for offshore wind turbines. The functions of the
individual corrosion protection methods and their
interaction are explained. In addition, the specific corrosion
protection of different zones and components
of an offshore wind turbine will be discussed. Finally,
some information is given on current and possible
future developments in this subject area.