Nachhaltige Quartiere

25.08.2021 – Im Forschungsprojekt MEMAP wird eine Softwareplattform entwickelt, die die Energieversorgung von Quartieren effizienter steuern soll. Erste Tests zeigen, dass der Ansatz funktioniert, doch regulatorische Hürden erschweren die Umsetzung von Quartierslösungen.

Für Energieversorger und Wohnungswirtschaft nehmen Quartierslösungen eine zentrale Rolle im zukünftigen Versorgungssystem ein. Der Blick über das einzelne Gebäude hinaus lässt eine integrierte Betrachtung der Strom- und Wärmeversorgung zu, die eine höhere Gesamteffizienz verspricht. Insbesondere der städtische Gebäudebestand steht nicht zuletzt aufgrund des jüngst verschärften Klimaschutzgesetzes vor großen Herausforderungen. Auch bei Neubaugebieten sind die Planer angehalten, einen möglichst großen Anteil erneuerbarer Energie in die Versorgung des Quartiers einzubeziehen. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, wie das Quartier in das Gesamtsystem integriert werden kann, um die erzeugte Energie möglichst intelligent zu nutzen.

Lokales EMS
In realen Gebäuden obliegt dem lokalen Energie-Management-System (EMS) die Steuerung und Regelung der gebäudetechnischen Anlagen, ähnlich einer Gebäudeleittechnik (GLT). Im Zusammenspiel mit MEMAP fungieren sie als Kommunikationsknotenpunkte und setzen erhaltene Setpoints mittels eigener Regelstrategien anlagentechnisch um.

Vor diesem Hintergrund sollen im Projekt MEMAP (Multi-Energie Management und Aggregations-Plattform) Gebäude mit unterschiedlichen Anforderungen an die Energieversorgung auf einer Softwareplattform zusammengeschlossen werden, um dadurch die Energieeffizienz im Verbund zu steigern. Seit dem Projektstart im Jahr 2017 entwickeln sieben Unternehmen und Forschungseinrichtungen eine offene Softwareplattform, die die Planung und den Betrieb von Quartierslösungen ermöglichen soll. Die Projektpartner versprechen sich davon eine wirtschaftlichere Energieversorgung bei geringerem CO2-Ausstoß durch eine effektivere Ausnutzung von regenerativen Energien wie auch von dezentralen Energieerzeugern und Energiespeichern.

 

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Foto: Pavlo Glazkov / Shutterstock.com

Test im Gewerbegebiet

Als Testgebiet dient das Gewerbegebiet Riemerling bei München. Der Energieverbrauch der dort befindlichen fünf Gebäude wird mittels LoRa-Funktechnik minütlich erfasst. Mit den gewonnenen Lastprofilen werden Berechnungen zu einem möglichen Energieverbund erstellt.

Seit Installation der Messtechnik im vierten Quartal 2019 ist es möglich, auf den Wärmebedarf dieser Gebäude in Echtzeit zuzugreifen und ihn für den simulierten Gebäudezusammenschluss zu verwenden. Für die Ermittlung des Stromverbrauchs war dies im Rahmen des Projekts nicht möglich, sodass reale Lastprofile ähnlicher Gebäude entsprechend den Verbrauchsdaten der Nebenkostenabrechnung skaliert und betrachtet wurden.

Trotz der Vielfältigkeit in der Gebäudenutzung zeigen die Gebäude ein ähnliches Bild in der Art der Wärmeerzeugung. Alle Gebäude werden zentral über ein bis zwei Kessel mit Wärme versorgt. Das Hotel besitzt als Alleinstellungsmerkmal zusätzlich eine Solarthermieanlage. Aufgrund der Beschaffenheit der Gebäudehüllen wird eine vergleichsweise hohe Vorlauftemperatur zur Beheizung benötigt.

Datenmodell
Damit die Anbindung der MEMAP-Plattform an die EMS Systeme vollständig automatisiert ablaufen kann, wurde im Forschungsprojekt ein neuartiges Datenmodell entwickelt. Die Besonderheit des Datenmodells besteht darin, dass neben den Verbrauchern nur vier abstrakte Obergruppen von Anlagen unterschieden werden: Speicher, kontrollierbare Erzeuger, volatile Erzeuger und Koppler. Jede dieser Obergruppen besitzt ein bestimmtes Set an Datenpunkten, die der Plattform zur Verfügung gestellt werden. Durch eine darauf aufbauende Namenskonvention in den lokalen EMS werden Anlagen nach dem Verbindungsaufbau automatisch erkannt, dem richtigen Gebäude/EMS und Sektor (Wärme, Strom) zugeordnet und in der Berechnung eines optimalen Betriebs berücksichtigt. Um ein sehr breites Anwendungsfeld der Plattform zu ermöglichen, wurde bewusst darauf verzichtet, individuelle Adressen der Datenpunkte vorzugeben, da viele Hersteller eine eigene Adressstruktur einsetzen. Mit der gewählten Lösung reicht bereits eine Anpassung des Anzeigenamens der Datenpunkte in den EMS für die Anbindung an die MEMAP-Plattform aus.

Test im Reallabor

Seit Ende 2020 wird die MEMAP-Plattform im Forschungslabor CoSES (Combined Smart Energy Systems) der TU München einem Test mit realen Anlagen unterzogen. Bei den Testläufen soll festgestellt werden, ob das Zusammenspiel zwischen dem entwickelten Kommunikations- und Schnittstellenkonzept mit realer Anlagentechnik wie Heizkessel und Blockheizkraftwerken (BHKW) gelingt. Zudem soll überprüft werden, ob die Plattform und die Softwarearchitektur funktionieren. Die MEMAP-Plattform ist auf dem Host-Computer im Labor installiert und die Nachbildung der einzelnen EMS erfolgt über selbst entworfene Modelle auf Basis verschiedener Software-Umgebungen.

Über das interne Ethernet-Netzwerk verbindet sich die Plattform mit den EMS-Systemen der einzelnen Gebäude, um die für die Optimierung benötigten Anlagendaten und die zu erwartenden Lastanforderungen der einzelnen Gebäude für Wärme und Strom auszulesen. Dies erfolgt über das in der Automatisierungstechnik etablierte OPC-UA Protokoll. Über die hergestellte Kommunikationsverbindung erhält das lokale EMS wiederum die Leistungssollwerte von der übergeordneten MEMAP-Plattform, die das Zusammenspiel optimiert. Die Anbindung der MEMAP-Plattform an die EMS erfolgt automatisiert über ein neuartiges Datenmodell.

Labortests offenbaren Hürden

Die Durchführung der Labortests mit realen Anlagen zeigte diverse Herausforderungen auf. Eine große Hürde war den Projektpartnern zufolge die zeitliche Synchronisation der Datenkommunikation zwischen MEMAP und den EMS-Systemen. Dies sei insbesondere im Zusammenhang mit den notwendigen Vorhersagen für die Optimierung relevant. Die benötigten Vorhersagen umfassen prognostizierte Verbräuche, prognostizierte Erzeugungskapazität aus Erneuerbaren Energien und prognostizierte zeitvariable Preise. Diese Prognosen werden im Feld dynamisch eingeholt, z.B. von Drittanbietern. Für die Experimente im Laborumfeld werden fixe Zeitreihen, z.B. gemessen im Feldtest Riemerling, eingelesen. Gleichzeitig werden die Speicherzustände der realen Anlagen gemessen und an die MEMAP-Plattform übermittelt. Die Plattform schickt Sollwerte an die Anlagen zurück. Laut Projektpartner muss sichergestellt sein, dass all diese Datenreihen synchron verlaufen und in der MEMAP-Plattform stets die Daten zusammenkommen, welche sich auf den gleichen Zeitpunkt beziehen. Aufgrund der unterschiedlichen Datenquellen wird hierfür ein zentraler Auslöser inklusive Zeitstempel verwendet, welcher von der MEMAP-Plattform vorgegeben und per OPC-UA an alle beteiligten Geräte gesendet wird.

Energieverbund zweier Gebäude

Aktuell wird im Labor der Energieverbund von zwei Gebäuden betrachtet. Hier ist neben zwei 800 Liter-Wärmespeichern und den beiden Wärmesenken ein Brennwertkessel mit 21 Kilowatt (kW) Leistung und ein BHKW mit 2 kW elektrischer und 5 kW thermischer Leistung vorgesehen. Zudem sind die beiden Gebäude durch Wärmeleitungen über zwei Wärmetauscher miteinander verbunden. Auch die Stromversorgung wird bei dieser Ausbaustufe durch ein elektrisches Netz berücksichtigt, welches die Nutzung des BHKW-Stroms zusätzlich zum öffentlichen Strom durch die emulierte Nachfrage beider Gebäude ermöglicht. Die gesamte Anlagentechnik befindet sich als reale Hardware im Labor der TU München.

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Wirkkette / Kommunikationsnetz aufgebaut im CoSES-Labor. Grafik: Technische Universität München

Weitere Einsparpotenziale simulieren

Die Labortests werden jeweils über Zeiträume von 8 bis 36 Stunden in Echtzeit durchgeführt. Im Moment ist eine reale Laboruntersuchung von mehr als zwei Gebäuden technisch noch nicht möglich. Um dennoch Aussagen zu Einsparpotenzialen und zum Betriebsverhalten in größeren Verbünden und unterschiedlichen Anlagenkonstellationen treffen zu können, werden Simulationsrechnungen durchgeführt. Für diese Betrachtungen wird eine Simulationsumgebung genutzt, welche auf denselben Software-Kern zugreift, wie ihn die MEMAP-Plattform im Labor verwendet. Das mache einen sinnvollen Vergleich der Ergebnisse aus Laborumgebung und Simulation möglich.

Damit sind dem Projekt-Team zufolge wesentliche Schritte getan, um eine validierte Plattform für den optimierten Betrieb im Energieverbund bereitzustellen – und somit das Ziel des Forschungsvorhabens zu erreichen. Basierend auf demselben Software-Kern bietet die Simulationsumgebung darüber hinaus ein Werkzeug zur Planung und Analyse solcher Energieverbünde.

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Haustechnik und Vernetzung im 2-Häuser-Szenario. Grafik: Technische Universität München

Rechtliche Rahmenbedingungen

Um das hinter dem MEMAP-Projekt stehende Geschäftsmodell beurteilen zu können, ist der geltende regulatorische Rahmen zu betrachten. Insbesondere die Trennung zwischen der Energielieferung an Dritte innerhalb einer Kundenanlage und der Einstufung als Energieversorger spielt dabei eine zentrale Rolle. Innerhalb einer Kundenanlage erzeugter und verbrauchter Strom ist in der Regel von Netzentgelten und netzseitigen Abgaben und Umlagen befreit. Für sämtliche andere Anlagen trifft dies nicht zu. Für das Quartierskonzept spielt diese Unterscheidung eine tragende Rolle. Zwar gibt es Quartiere, in denen die darin eingesetzten Anlagen als Kundenanlagen eingestuft werden können, jedoch ist die Unterscheidung gerade bei größeren Quartieren nur durch eine Einzelfallprüfung möglich. Vom Ausgang dieser Prüfung hängt wesentlich ab, ob sich der Betrieb eines Energieverbunds als wirtschaftlich erweist. Eine gesonderte Regelung für Energieverbünde wäre den Projektpartnern zufolge sinnvoll – besonders da diese nicht nur das Potenzial einer Kostenersparnis bei der Energieversorgung bergen, sondern auch zur Reduktion klimaschädlicher Emissionen beitragen können.

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3D-Scanaufnahme einer Heizzentrale mit Faro-Scanner. Foto: IBDM GmbH

Wirtschaftliche Bewertung

Für die wirtschaftliche Bewertung des Vorhabens war es nötig, den Ist-Zustand zu untersuchen, um die Kosten für die Umrüstung des Gewerbegebietes zu einem Energieverbund ermitteln zu können. Die Platzsituation in den Gebäuden wurde mit 3D-Laserscans bzw. Laserscanaufnahmen aufgenommen und damit die erforderliche Zusatzinstallation an Messtechnik und Anlagenumrüstung ermittelt. Ergänzend dazu wurden die Gebäude untereinander vermessen und die Planung des Nahwärmenetzes durchgeführt. Darüber hinaus wurde auf Basis der aufgenommenen 3D-Daten ein digitales BIM-Modell der Gebäude erstellt.

In der ersten Variante der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde zunächst nur der Wärmeverbund analysiert. Hierfür wurden die Investitionskosten für das erforderliche Nahwärmenetz sowie die Kosten für die Anbindung der einzelnen Gebäude an die MEMAP-Plattform kalkuliert und in die Berechnung einbezogen. Basierend auf den aufgezeichneten Lastprofilen wurde ein vollständiges Betriebsjahr im MEMAP-Planungswerkzeug berechnet. Ergebnis: Der Zusammenschluss der Gebäude führt zu einer Einsparung von 18.643 €/a (7,9 %) und einer CO2-Reduktion von 56,2 t/a (7,6 %). Dieses Ergebnis wird ohne weitere Modifikationen allein durch den Energieverbund erzielt. Dem gegenüber stehen hohe Investitionskosten für den Bau des Nahwärmenetzes, sodass den Projektpartnern zufolge eine akzeptable Wirtschaftlichkeit mit dieser alleinigen Maßnahme nicht erreicht wird.

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3D-Ansicht des Fernwärmenetzes. Bild: IBDM GmbH

In zwei weiteren Betrachtungen wurde die Wirtschaftlichkeit der Anfangsinvestition verbessert, indem in der zweiten Variante ein BHKW an zentraler Stelle aufgestellt und das System in der dritten Variante mit einer PV-Anlage auf dem Dach einer Produktionshalle (180 kWp) erweitert wurde. Somit konnte die Amortisationszeit von 32 Jahren auf 18 Jahre in der zweiten Variante und auf 15 Jahre in der dritten reduziert werden.

Auf Basis der bisherigen Ergebnisse stellen die Projektpartner fest, dass sich sowohl CO2-Emissionen als auch Energiekosten im Verbund deutlich reduzieren lassen. Variante 3 zeigt mit einer CO2-Reduktion von 42 % und einer Amortisationszeit von etwa 15 Jahren Ergebnisse, die trotz hoher Investitionskosten wirtschaftlich interessant sind und das Potential einer Quartierslösung aufzeigen. Wesentlicher Erfolgsfaktor ist dabei die Eigenstromerzeugung.

Ausblick

Eine Umsetzung von nachhaltigen Quartieren wird im Moment noch von regulatorischen Hürden erschwert und ist daher im Markt noch kaum etabliert. Um die Rahmenbedingungen in den nächsten Jahren zu verbessern, stellen nach Ansicht des Projektteams steigende CO2-Preise, eine zielgerichtete Förderpolitik und vor allem eine Änderung des regulatorischen Rahmens die zentralen Stellschrauben dar. (ds)

SAUTER Deutschland
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