Werkzeuge für die Umgestaltung urbaner Energiesysteme

Transparenz und Durchblick durch eine gute Datengrundlage

Im Zeitalter der Digitalisierung bestätigt sich zunehmend der Ausspruch »Daten sind das Öl des 21. Jahrhunderts«. Dies gilt auch für die detaillierte Planung und Modellierung der Transformation städtischer Energieversorgungssysteme hin zur Klimaneutralität. Aufgrund lizenzkostenfrei nutzbarer Geodaten wie OpenStreetMap aber auch zunehmend frei nutzbarer Geodaten der Landesbehörden hat in den vergangenen Jahren die Verfügbarkeit von Geodaten Forschung und Planung stark zugenommen. Gleichzeitig wächst mit der Verfügbarkeit der Daten die Anforderung, die oft in unterschiedlichen Formaten vorliegenden und sehr großen Datensätze effizient und flexibel zu handhaben.

Am Fraunhofer IEE wurde zu diesem Zweck ein PostgreSQL/PostGIS-Datenbanksystem für Daten mit Raumbezug etabliert, welches sowohl eine effiziente Ablage als auch Verrechnung der Daten ermöglicht. Als zentraler Baustein für die vorgelagerte Integration diverser Datensätze im städtischen Kontext wurde ein »angereichertes Gebäudemodell« erstellt, welches zahlreiche physikalische aber auch sozio-ökonomische Informationen zu jedem Wohngebäude bereitstellt. Das System stellt damit die Basis für zahlreiche Planungswerkzeuge für die Stadtmodellierung dar und ermöglicht eine detaillierte und effiziente Analyse komplexer Zusammenhänge.

3D-Gebäudemodell der Hamburger Innenstadt mit Differenzierung nach Gebäudefunktion. Darstellung mithilfe von verschiedenen Farben
© Fraunhofer IEE | Eigene Abbildung auf Basis von den LOD1-Gebäudemodelldaten »Freie und Hansestadt Hamburg, Landesbetrieb Geoinformation und Vermessung, 2014 Datenlizenz Deutschland – Namensnennung – Version 2.0 https://www.govdata.de/dl-de/by-2-0« sowie im Hintergrund: »© Google 2018, DigitalGlobe, Geobasis-DE / BKG, GeoContent, Landsat / Copernicus«
3D-Gebäudemodell der Hamburger Innenstadt mit Differenzierung nach Gebäudefunktion.

Werkzeuge für die Gestaltung der urbanen Energiewende

 

Simulationen von
Energiesystemen

  • Simulationsbasierte Energiesystem-Studien
  • Gebiets- oder koordinatenscharfe Standorte künftiger Erzeugung und Verbrauch
  • Individuelle energiesystem Szenarien und (Geo)-Daten, bei Bedarf in Kombination mit Netzdaten und -rechnungen.
  • Webinare und Schulungen zum Einsatz und Nutzen von Energiesystem-Szenarien
 

Pandaplan - Spartenübergreifende Netzplanung

  • Studien zur strategischen Netzplanung mit vorhandener Netz- und Katasterdaten, ergänzt durch weitere Datenquellen
  • Automatisierte Berechnung und Bewertung einer Vielzahl möglicher Entwicklungspfade
  • Schnelle Berechnung und Analyse großer Netzgebiete mit vielen Erzeugern, Verbrauchern und Flexibilitäten
 

Planung der Wärmeversorgung für Quartiere und Städte

  • Entwicklung und Bewertung von Wärmeversorgungskonzepten in der Vorplanungsphase
  • Wärmebedarfsermittlung von Neubau- und Bestandsquartieren
  • Dimensionierung und Auslegung von leitungsgebunden Wärmesystemen sowie Einzeltechnologien mit Speichern und Technologien der Sektorenkopplung
  • Bilanzierung und Bewertung von Energieflüssen und Umweltfaktoren
    Umfassende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
  • Bewertung der Systemvarianten mittels detaillierter Nutzwertanalyse
    Einfache und effiziente Vorplanung speziell von leitungsgebundenen Wärmeversorgungssystemen

Forschung

Daten und Datenmanagement Methoden und Modellierungen
  • Leistungsfähige Hard- und Software
  • Umfassende Datenbasis für Planung und Modellierung
    urbaner Energieversorgungssysteme
  • GIS-Datenbank mit CityDB-Erweiterung
  • Datenbankbasierte Verknüpfung von Teilmodellen
  • Datenpipelines und -prozessierung komplexer
    Informationsquellen
  • Verfügbarkeit und Einbindung detaillierter
    meteorologischer Daten
  • Hochdetaillierte sozioökonomische InformationenBestandsgebäude unter
    Berücksichtigung des notwendigen Sanierungsbedarfs
  • Standortgenaues Gebäudemodell mit umfassenden
    Metainformationen
  • Spatial Microsimulation zur Anreicherung von Rohdaten
  • KI-basierte Objekterkennung und Nutzung von
    Erdbeobachtungsdaten
  • Wirtschaftliche Optimierungsverfahren zur
  • Planung von Energiesystemen
  • Multi-Agenten Systeme zur Ermittlung von
    zukünftigen Kundenentscheidungen
  • Einsatz von heuristischen Methoden zur optimalen
    zukünftigen Netzinfrastruktur
  • Multikriterielle Optimierung für Quartiersauslegungen

Anwendung

Integrierte Netzplanung mit pandaplan

Robuste Investitionsentscheidungen für
Anlagenportfolios mit investScope

  • Ausbau der Stromnetzinfrastruktur aufgrund von
    neuen Verbrauchern wie Ladesäulen und elektrischer
    Wärmeversorgung
  • Rückbau von Gasverteilnetzen bei Rückgang von
    Gasverbräuchen
  • Umbau von Gasnetzen auf klimaneutrale
    Gase wie Wasserstoff
  • Gemeinsame Planung von Strom-, Wärme- und
    Gasnetzen für eine ganzheitliche Investitionsentscheidung
  • Auslegung von effizienten Wärmenetzstrukturen
    z.B. im Quartierskontext
  • Sektorenübergreifende Investitionsbewertung und
    Business Case-Analysen für Energieerzeuger, Verbraucher
    und Speicher
  • Wirtschaftlich optimale Pfade zur Dekarbonisierung der
    urbanen Energieversorgung von der Liegenschaft bis zur
    Region
  • Integrierte Betriebsführungskonzepte und
    Vermarktungsoptionen
  • Robustheit gegenüber zukünftigen regulatorischen und
    marktlichen Entwicklungen
GIS-basierte Energieszenarien mit energyANTS Planung der Wärmeversorgung für Quartiere
und Städte mit EQ City
  • Szenarien der Energiesystemtransformation
    Standortgenaue Anlagenstammdaten und
    Potenzialermittlung
  • Technologieentwicklung
  • Zubaumodellierung neuer Verbraucher und
    Erzeugungsanlagen
  • Großräumige Kartierung des Wärmebedarfs auf
    Wohngebäudeebene
  • Räumlich aufgelöste Zeitreihenmodellierung
    wetterabhängiger Last und Erzeugung
  • Einfache und effiziente Entwicklung und Bewertung von
    Wärmeversorgungskonzepten in der Vorplanungsphase
  • Wärmebedarfsermittlung von Neubau- und Bestandsquartieren
    durch umfassende Gebäudedatenbank (Wohngebäude
    und GHD)
  • Dimensionierung und Auslegung von leitungsgebunden
    Wärmesystemen sowie Einzeltechnologien mit Speichern
    und Technologien der Sektorenkopplung durch umfassende
    Anlagendatenbank
  • Bewertung der Systemvarianten mittels detaillierter
    Nutzwertanalyse durch Berücksichtigung technischer,
    regulatorischer energiewirtschaftlicher Anforderungen und
    kundenspezifische und gewichtete Bewertung unterschiedlicher
    Wärmeversorgungssysteme

Die Komplexität städtischer Energieversorgung im Griff

© Jörg Moll Film Produktion / Fraunhofer IEE

Die Versorgungsaufgabe im urbanen Raum verändert sich gerade im Bereich der Wärmeversorung. Alte ineffiziente und emissionsreiche Wärmetechnologien müssen ersetzt werden durch innovative und effiziente Konzepte für effiziente Wärmenetze in Kombination mit Wärmepumpen. Doch dies geschieht nicht auf der grünen Wiese, sondern in einer gewachsenen Landschaft an Versorungsstrukturen. Oft existieren Gas-, Wärme- und Stromnetzinfrastrukturen gemeinsam in einem Versorgungsgebiet. Wie kann nun regional eine Transformation hin zu klimafreundlicher Technologie wirtschaftlich, versorgungssicher und zukunftsorient gestaltet werden?

Viele Aspekte spielen dabei eine Rolle. Quartiere bieten gute Möglichkeiten, neue Stadtteile nachhaltig zu gestalten. Ineffiziente alte Infrastrukturen müssen für die neue Versorgungsaufgabe fit gemacht werden. Neue Geschäftsmodelle werden benötigt, um den Prozess wirtschaftlich zu gestalten. All diese Entscheidungen können nicht mehr mit Zettel und Stift getroffen werden. Hier benötigt man Entscheidungshilfen. Diese sind erstens eine gute Datengrundlage und zweitens einfach zu bedienende Werkzeuge, die die Zukunft mit allen ihren Möglichkeiten abbilden können.

Diese Werkzeuge in Form von Softwaretools werden am Fraunhofer IEE entwickelt. Wir decken dabei verschiedene Einzelaspekte ab wie Quartiersplanung, Netzplanung oder Wirtschaftlichkeitsanalysen. Vorhande Softwaretools können individuell mit Daten und Informationen aus ihrer Region gefüttert und so jeder Fragestellung angepasst werden.

Integrative Quartiers- und Stadtteilkonzepte
erschließen neue Energiequellen und steigern die Nutzungseffizienz

Die Hauptaufgabe für die anstehende nächste Phase der Energiewende ist eine Systemintegration der erneuerbaren Energien in der gesamten Breite. Volatile erneuerbare Energien werden systembestimmend und deren weiterer Ausbau erfordert ihre Integration – technisch und insbesondere ökonomisch – in ein zunehmend flexibel agierendes Gesamtsystem. Flexibilisierung ist eine Schlüsselanforderung sowohl für die komplementäre (residuale) Stromerzeugung mit konventionellen Kraftwerken und Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung als auch für die Verbrauchsseite, um möglichst eine flexible Anpassung von Lasten an das Stromdargebot anzupassen. Dies bedingt zudem eine sektorübergreifende Integration, also die flexible Nutzung von elektrischer Energie in Verbrauchssektoren wie Wärmebereitstellung und Mobilität. Zugleich können Energiespeicher diese Systemintegration unterstützen, indem sie einen zeitlichen Ausgleich zwischen Bereitstellung und Nutzung eröffnen.