Regionale Energiesysteme

Über

Die Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Analyse und Bewertung von Transformationspfaden für regionale Energiesysteme. Die betrachteten Systemebenen reichen von Einzelverbrauchern (Gebäude, Industriestandort) über Quartiere bis hin zu Städten/ Landkreisen. Im Fokus der Analysen steht die computergestützte Simulation und Optimierung von Energiesystemen. Grundlage sind hierbei die Bottom-up Modellierung von Energienachfragen für die Sektoren Haushalte, GHD und Industrie, sowie die Bestimmung von regionalen und gebäudespezifischen Potenzialen zur Nutzung erneuerbarer Energien. Forschungsschwerpunkte bilden Analysen zur Rolle von Wasserstoff in regionalen und energieautarken Versorgungssystemen sowie zur Dekarbonisierung von Industrieprozessen.

Forschungsthemen

Die Forschungsthemen umfassen die Modellierung des Energie- und Wasserbedarfs, die Erforschung und Optimierung regionaler Energiesysteme sowie die Modellierung und Optimierung des Energiebedarfs von Gebäuden.

Kontakt

Dr. Noah Pflugradt

IEK-3

Gebäude 03.2 / Raum 3010

+49 2461/61-3742

E-Mail

Teammitglieder

Matthew KellerGebäude 03.2 / Raum 3010+49 2461/61-3742
Julian BelinaDoktorandGebäude 03.2 / Raum 2005+49 2461/61-6365
Kevin KnosalaGebäude 03.2 / Raum 2005+49 2461/61-6365
Lukas LangenbergGebäude 03.2 / Raum 34e+49 2461/61-6556
David NeurothGebäude 03.2 / Raum Home+49 2461/61-3742
Stanley RischGebäude 03.2 / Raum 3007+49 2461/61-85447
Michael ZierGebäude 03.2 / Raum 34c+49 2461/61-85290
Kristina DabrockGebäude 03.2 / Raum 3010+49 2461/61-3742
Shruthi PatilGebäude 03.2 / Raum 34e+49 2461/61-6689
Maximilian HillenGebäude 03.2 / Raum 34e+49 2461/61-9381
Sebastian DicklerGebäude 03.2 / Raum 3010/Home+49 2461/61-3742

Forschungsfelder

Die Umsetzung der Energiewende erfolgt zu einem wesentlichen Anteil dezentral, vor Ort in den Kommunen. Hierzu ist eine umfassende regionale Energiesystemplanung erforderlich, welche die regionalspezifischen Randbedingungen sowie die zum Teil erheblichen Potentiale für den Ausbau erneuerbarer Energien berücksichtigt.

Durch eine an den regionalen Erfordernissen und Randbedingungen orientierte Energiesystemplanung können Kommunen nicht nur die Auswirkungen des Klimawandels mildern, sondern regionale Wertschöpfung sichern und zukunftsfähige Arbeitsplätze schaffen, eine klare wirtschaftliche Perspektive i aufzeigen und die Region langfristig fördern.

Die Gruppe Regionale Energiesysteme hat dabei zwei Schwerpunkte: Bottom-Up Lastmodellierung und die Modellierung regionaler Energiesysteme. Dafür werden eine Reihe von unterschiedlichen Modellen gepflegt, die hier kurz vorgestellt werden:

Lastmodellierung

Die Lastmodellierung versucht die folgenden Fragen zu beantworten:

  • Wann wird wie viel Energie verbraucht?
  • Wofür wird viel Energie verbraucht?
  • Wie ändert sich der Energieverbrauch, wenn sich Randbedingungen ändern?
  • Wie sieht der gegenwärtige Gebäudebestand aus?
  • Wo wohnen wie viele Leute?

Strombedarf und Wasserbedarf für Haushalte: LoadProfileGenerator.de (LPG)

Der LoadProfileGenerator.de führt eine Verhaltenssimulation jeder Person eines Haushaltes durch. Diese Simulation wird mit statistischen Eingangsdaten parametrisiert und simuliert dann, wann Leute essen, arbeiten, schlafen, in Urlaub fahren uvm. Dieser Ansatz hat den großen Vorteil, dass jeder einzelne Haushalt einer Region sich realistisch verhält, die Summe der Aktivitäten über eine Region zu den verfügbaren Daten passen, aber zugleich keine detaillierten Datenerfassungen notwendig sind oder auf Datenschutz geachtet werden muss. Dabei werden nicht nur häusliche Aktivitäten, sondern auch Transportwege mit abgebildet. Damit kann auch die Elektromobilität im Detail abgebildet werden und es können Aussagen über z.B. optimale Anzahl und Standorte für Ladesäulen getroffen werden. (Lizenz: MIT)

Loadprofilegenerator Ausgabebeispiel (Copyright: IEK-3)


Gebäudenergieverbrauch: TSIB

Mit dem Python-Paket TSIB (Time Series Initialization for Buildings), einer deutschlandweiten Datenbank von Typgebäuden, Anwesenheitsdaten aus dem LoadProfileGenerator, Wetterprofilen und weiteren Daten werden stundengenaue Wärmebedarfsprofile für beliebige Wohngebäude berechnet. Durch die Verwendung einer vereinfachten Wärmesimulation der Gebäudehülle lassen sich unterschiedliche Baujahre sowie Renovierungsstufen der Bausubstanz abbilden. (Lizenz: MIT)

Energieverbrauch für kleine und mittlere Unternehmen: SMELPG

SMELPG Ausgabebeispiel (Copyright: IEK-3)

Der SMELPG stellt ein generisches Modell zur Lastsimulation kleiner und mittlerer Unternehmen bereit. Dabei werden Mitarbeiter und Kunden eines Unternehmens simuliert, um Zeitpunkte von Geräteaktivierungen zu ermitteln. Unter Berücksichtigung spezifischer Geräteeigenschaften werden aggregierte Lastkurven für beliebige Verbrauchstypen generiert. Externe Einflüsse, wie beispielsweise die Außentemperatur oder die Sonneneinstrahlung, können in die Berechnung miteinbezogen werden. Im Vordergrund steht dabei eine möglichst hohe Parametrisierbarkeit zur Erzeugung individuell angepasster Lastdaten ohne konkrete Lastmessungen. (Lizenz: Intern)






Parametrisierung: Neighborhood Generator

Neighbourhood Generator Modellbeispiel (Copyright: IEK-3)

Für die Parametrisierung von Quartieren, Städten und Regionen wurde am IEK-3 der Neighborhood Generator entwickelt. Dieser führt statistische Daten aus Zensus, Mikrozensus, OpenStreetMap, Katasterdaten und Gebäudetypologien zu einem konsistenten Modell einer Region zusammen und schreibt die Ergebnisse in die Zukunft fort. Mit den so erhaltenen Gebäudescharfen Informationen zur Bausubstanz und Bevölkerungsverteilung lassen sich sowohl LoadProfileGenerator als auch TSIB parametrisieren. Im Zusammenspiel der drei Werkzeuge können für jedes Gebäude die Anzahl der Bewohner, der Energieverbrauch, die Geräteausstattung, Elektromobiltätsverbreitung etc. abgeschätzt werden.

Regionale Energiesysteme

Das Modell liefert als Ergebnisse unter anderem:

  • Wo zukünftige Energieerzeugungseinheiten, -speicher und Infrastruktur platziert werden sollten?
  • Welche Technologien mit den Randbedingungen der konkreten Region optimal sind?
  • Welche installierte Leistung der Energieerzeugungseinheiten und -speicher benötigt wird, was die optimale Sanierungsrate ist, wie die Beheizungsstruktur ausgestaltet werden sollte uvm.?
  • Wie die Sektorkopplung ausgestaltet wird und welche regionalen Power-to-X Potentiale für eine regionale Wasserstoffwirtschaft bestehen?
  • Wie die Anlagen optimal betrieben werden können mit einer hohen zeitlichen Auflösung?

Als Grundlage der Energiesystemoptimierung dient am gesamten IEK-3 das Framework zur Modellierung, Optimierung und Analyse von Energiesystemen FINE. Zusätzlich arbeitet die Gruppe regionale Energiesysteme für die Energiesystemmodellierung an einer Reihe weiterer Modelle.


Erneuerbare Potentiale: GLAES-Regional

Exemplarische Windpotentialermittlung mit TREP im Rhein-Erft-Kreis (Copyright: IEK-3)

TREP (Tool for Regional Renewable Potentials), zusammen mit dem am IEK-3 entwickelten Open-Source-Tool GLAES, können Eignungsflächen für erneuerbare Anlagen durch GIS-Analysen bestimmt werden. Hierbei werden in TREP bestehende Häuser, Siedlungen, Straßen, Wälder, Naturschutzgebiete und vieles mehr berücksichtigt. Durch die Flächenanalyse mit TREP können Onshore Wind und Freiflächen-PV Potentiale in hoher regionaler Auflösung bestimmt werden. Durch die Platzierung und Simulation von Anlagen auf den bestimmten Flächen können Kapazitäts- und Erzeugungspotentiale bestimmt werden. Zusätzlich werden detaillierte Dachflächen-PV-Potentiale durch die Auswertung von 3D-Modellen ermittelt. Durch die Betrachtung von Bestandsanlagen bei der Ermittlung von erneuerbaren Potentialen wird eine Brownfield-Analyse ermöglicht.






Regionale Optimierung: FINE.Regional

FINE.Regional ermöglicht die Optimierung von regionalen Energiesystemen auf Gemeinde- und Landkreisebene. Hierbei werden hoch aufgelöste erneuerbaren Potentiale (Onshore Wind,Freiflächen-PV und Dachflächen-PV) in die Modelle eingepflegt. Durch die Berücksichtigung von Bestandsanlagen auf der Erzeugungsseite wird in FINE.Regional ein Brownfield-Ansatz verfolgt. Bedarfsseitig werden Mobilitäts-, Wärme-, Wasserstoff- und Strombedarfe berücksichtigt. Hierdurch können lokale Autarkiepotentiale für verschiedene Gemeinden, Städte oder Landkreise bestimmt werden. In der Analyse kann der notwendigen Erneuerbaren Ausbau für bestimmten Autarkiebestrebungen bestimmt werden. Außerdem können regionale Power-to-X-Potentiale ausgewiesen werden.

Schematische Darstellung eines FINE.Regional Beispielenergiesystems (Copyright: IEK-3)


FINE.Building Konnektivitätsnetzwerk (Copyright: IEK-3)


Gebäudenenergiesystem-Optimierung: FINE.Building

Zur Analyse von Versorgungskonzepten auf der Gebäudeebene dient ein detailliertes lineare Optimierungsmodell, welches im FINE-Framework erstellt worden ist. Die Betrachtung eines einzelnen Gebäudes erlaubt hier eine höhere Detailtiefe im Vergleich zu regionalen Modellen des Energiesystems. So können u.a. unterschiedliche Temperaturniveaus der Wärmeversorgung und regulatorischer Aspekte, wie bspw. einer Förderung durch das EEG, dargestellt werden.






Gebäudenergiesystem-Simulation: House Infrastructure Simulator (HiSim)

Schematischer Aufbau von HiSim und Verknüpfung der angelegten Technologien (Copyright: IEK-3)

HiSim ist ein Simulations-Framework für Gebäudeenergiesysteme, mit dem diese techno-ökonomisch bewertet werden können. Hierzu lassen sich die Energiebedarfe des Systems wahlweise über eigene Lastprofile abbilden oder über ein integriertes Wohngebäudemodell berechnen. Zur Deckung des Strom- und Wärmebedarfs sind Technologien der nachhaltigen Energiebereitstellung sowie Speicherung modelliert. Außerdem wurden Datenbanken angelegt, um spezifische marktverfügbare Technologien in das Energiesystem übertragen zu können. HiSim wurde im Rahmen des durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts PIEG-Strom entwickelt. Als Teil dieses Projekts entstanden einige Modelle und Datenbanken in Zusammenarbeit mit der Hochschule Emden/Leer.

Letzte Änderung: 28.07.2022