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Kurztitel: CleanTechCampus
Ausführende Stelle: Technische Universität München - Fakultät für Maschinenwesen - Lehrstuhl für Energiesysteme
Förderinitiative: Energieeffiziente Stadt (EnEff:Stadt)
Laufzeit: 05/2016 bis 10/2019
Bewilligte Summe: 881.309 €
Förderkennzeichen: 03ET1407A
Themen: Quartierskonzepte, Energieplanung für Städte, Dezentrale Energieerzeugung, Stromnetze, Wärmenetze & Kältenetze, Energiespeicherung, Lastmanagement, Abwärmenutzung, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung
Innovation: Optimierung von Gebäuden und Netzen in Bestand und Neubau; Entwicklung eines Energienetz- und Versorgungsausbauplans sowie eines Open Source Modells.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Entwicklung einer Methodik zur Bewertung und Optimierung komplexer Energiesysteme am Beispiel des Campus Garching der TU München
  • Energienetz- und Versorgungsausbaupläne als Grundlage einer Gesamtoptimierung
  • Weiterentwicklung des Open-Source-Optimierungsframeworks URBS für ein optimiertes Campus-Energiekonzept
  • Konzept beispielhaft für heterogene Mischgebiete

Ausgehend von der Analyse historischer Verbräuche sowie Simulationen von Großverbrauchern und Gebäudekomplexen wurden verschiedenste Strom-, Wärme- und Kältebedarfsszenarien für die künftige Entwicklung des Campus Garching der TU München erstellt und sektorenübergreifend optimiert.Hierzu entwickelten die Forschenden das Optimierungsframework urbs weiter. Dies ermöglicht zum Beispiel die ganzheitliche Optimierung von Energiesystemen über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten mit stündlichen Zeitschritten. Als Ergebnis der Forschungsarbeiten entstand eine Methodik zur Bewertung und Optimierung komplexer Energiesysteme, die auf heterogene Mischgebiete übertragbar ist. Das Optimierungsframework steht als open-source-Werkzeug zur Verfügung.

Zusätzlich haben die Projektpartner einen Leitfaden für die Energiesystemoptimierung zur Transformation komplexer Bestandsquartiere entwickelt, der frei verfügbar ist.

Projektkontext

Bereits heute zählt der Campus Garching der TU München mit mehr als 15.000 Studenten und 6.000 Mitarbeitern zu den größten Universitätsstandorten in Deutschland. Hält das rasante Wachstum der letzten Jahre an, wird in naher Zukunft eine Neuausrichtung der Energieversorgung erforderlich sein.

Vor diesem Hintergrund soll im Rahmen des CleanTechCampus Projekts ein innovatives Energiekonzept entwickelt werden, welches die Integration der bestehenden sowie neu hinzukommenden Gebäudestruktur in eine hocheffiziente Versorgungs- und zunehmend regenerative Erzeugungsstruktur realisiert. Hierfür wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, indem die Strom-, Wärme- und Kälteversorgung nicht wie üblich einzeln, sondern gekoppelt betrachtet werden.

Die dazu notwendigen Methoden und Werkzeuge werden interdisziplinär entwickelt und können dann – zusammen mit den im Projekt gewonnenen Erkenntnisse -  bei der Optimierung anderer komplexer Mischgebiete des Sektors Gewerbe, Handel und Dienstleistungen eingesetzt werden.

Optimierte Energieversorgung von Mischgebieten: Zu sehen ist die Übersicht der Gebäudestruktur auf dem TUM Campus in Garching

Übersicht der Gebäudestruktur auf dem TUM Campus in Garching

© Lehrstuhl für Energiesysteme (LES, TUM)

Forschungsfokus

Die sektorengekoppelte Optimierung bietet Möglichkeiten Synergien zu nutzen, auf die bei der klassischen Energiesystementwicklung nicht oder nur unzureichend zurückgegriffen werden kann. Dadurch lassen sich Energieeinsparpotenziale und wirtschaftliche Vorteile realisieren. Schwerpunkt der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung einer Methodik zur Optimierung gekoppelter Strom-, Wärme- und Kältesysteme mit Einbindung der Verbraucher, Erzeuger und Speicher. Die Methodik soll als Open-Source-Tool verfügbar sein.

Folgende zentrale Fragestellungen der Optimierung sollen beantwortet werden:

  • Wie lassen sich Potenziale durch Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Sparten und Komponenten des Energiesystems identifizieren und nutzen?
  • Wie und wo können neuartige Technologien wirksam in die bestehende Infrastruktur von Mischgebieten eingebunden werden?
  • Wie kann die ökologische Transformation des Energiesystems eines Bestandgebiets effizient erfolgen?
  • Welche Maßnahmen erweisen sich unter verschiedensten Entwicklungsszenarien als besonders robust?

Schematische Darstellung der sektorengekoppelten Optimierungsmethodik mit dem Framework urbs.

© Lehrstuhl für Energiesysteme (LES, TUM)

Weitere Abbildungen

Übersicht des Energiesystems des Campus Garching der Technischen Universität München.

© Lehrstuhl für Energiesysteme (LES, TUM)

Building Information Modelling (BIM) am Beispiel der Fakultät Chemie.

© Lehrstuhl für Energiesysteme (LES, TUM)

Entwicklung der thermischen Energieversorgung am Beispiel des "ökonomischen" Szenarios.

© Lehrstuhl für Energiesysteme (LES, TUM)

Zentrale Idee und Ansatz

Basierend auf eine Analyse der historischen Verbräuche, Simulationen von Großverbrauchern und Gebäudekomplexen wurden unter Berücksichtigung verschiedener Campusentwicklungen Strom-, Wärme- und Kältebedarfsszenarien für den Campus Garching erstellt. Mit dem Ziel der optimalen Bedarfsdeckung hinsichtlich Kosten und Minderungen der energiebedingten Treibhausgasemissionen wurde ein Energieerzeugungssystem für den Campus geplant und durch die Weiterentwicklung des sektorenübergreifenden Optimierungstools urbs optimiert. Der iterative, interdisziplinäre Planungsprozess und die open-source-Optimierungssoftware sind öffentlich verfügbar.

Einsatzzweck und Zielsetzung

Einsatzgebiet Quartierskonzepte, Planung/Optimierung des Gesamt-Energiesystems, Detail- und Gesamtsimulationen, Integrale Planung und nachhaltige Standortentwicklung; Anschauungsobjekt: Open-Source-Tool, um andere Akteure zur Optimierung ihres Energiesystems zu bewegen.
Perspektiven Veröffentlichung als Open Source Tool; Optimiertes Energiekonzept des Campus und resultierende ökologische und ökonomische Vorteile und übertragbare Erkenntnisse
   
Methoden-/Konzepttyp Beschreibung, Kommentar
Modellierung & Simulation Gebäudesimulation, zeitliche und räumliche Optimierung der Energieversorgung, Netzsimulation (4-Leiter Stromnetzmodell, Fernwärme), Detailmodellierung einzelne Technologien (ChengCycle, Verbesserungen an diesem etc.)
Planung & Auslegung Planung und Auslegung der Energieversorgung von Quartieren mit Mischnutzung (GHD-Profil)

Erprobung und Anwendung

Im Projekt wurde die Methodik auf den Campus der TU München in Garching angewendet, um einen umfassenden Entwicklungsplan für den Aus- und Umbau des Energiesystems zu erstellen. Zudem wurde die Methodik zur modellhaften Bewertung des Einsatzes innovativer Technologien und Lösungen in einem stark gekoppelten Energiesystem eingesetzt. Diese innovativen Lösungsansätze sollen in der nächsten Phase in Pilotprojekten am Campus demonstriert werden.
Das Projekt soll zudem übertragbare Erkenntnisse zur Planung einer robusten und zukunftsfähigen Energieversorgungs- und Netzstruktur für komplexe Mischgebiete liefern. Eine anwenderfreundliche Übertragbarkeit spartenübergreifender Optimierungsmodelle und Potenziale auf ähnliche Quartiere wird angestrebt.

Anwendungsreifes Produkt oder Verfahren

Anwendungsbedingungen, Möglichkeiten Sektorenübergreifende Ausbau- und Einsatzplanung von Energiesystemen auf Quartiersebene ermöglicht:
  Identifikation von Möglichkeiten zur Ausnutzung von Synergien, auf die bei der klassischen Energiesystemplanung nicht oder nur unzureichend zurückgegriffen werden kann.
  Steigerung der Potenziale zur Reduktion energiebedingter Treibhausgasemissionen und wirtschaftlicher Einsparungen.
Bezugsadresse/Download Veröffentlichung des spartenübergreifenden Optimierungstools ‚urbs‘ - A linear optimisation model for distributed energy systems (temporal), siehe Links

Letzte Aktualisierung: 15. April 2021

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