Verfahren zur Optimierung der energieträgerübergreifenden Versorgung in Stadtquartieren

Bei der Transformation der Energiesysteme auf dem Weg zu einer nachhaltigen Versorgung fällt der Betrachtung des Sektors der privaten Haushalte aufgrund seiner hohen Energieverbräuche einerseits, sowie der Umsetzungshürden aufgrund der in der Regel kleinteiligen, dezentralen Maßnahmen anderseits eine Schlüsselrolle zu. Heute verfügbare Technologien können in diesem Sektor einen Beitrag dazu leisten, den Anteil regenerativer Energien bei der gemeinsamen Versorgung mit Strom und Wärme zu erhöhen und so die Energie- und Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verfahren zur Erstellung von energieträgerübergreifenden Energiekonzepten zu entwickeln, welches ökonomisch optimale Auslegungen von dezentralen Energiewandlungsanlagen und Wärmenetzen für Stadtquartiere bestimmt. Dazu werden Gas-, Pellet- und Hackschnitzelheizungen, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke, Solarthermie- und Photovoltaikanlagen sowie Speichersysteme berücksichtigt und dem zu deckenden Bedarf an Wärme und Elektrizität gegenübergestellt. Ergänzt wird die Betrachtung durch den Einbezug thermischer Sanierungsmaßnahmen und des regulatorischen Rahmens. In einem gemischt-ganzzahligen linearen Optimierungsprogramm wird zunächst die Versorgung einzelner Objekte betrachtet und schließlich über ein Zerlegungsverfahren ein vollständiges Stadtquartier optimiert. Die berechneten, wirtschaftlich optimalen Lösungen werden mit Hilfe von Ökobilanzdatenbanken hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen bewertet. Das entwickelte Verfahren wird für die Optimierung eines realen Bestandsquartiers mit 74 Objekten angewendet. Für vertiefende Analysen steht ein synthetisches Quartier mit 22 Objekten zur Verfügung. Bei der Versorgung von Einzelgebäuden mit Wärme werden, in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur, Gasheizungen oder Wärmepumpen in allen untersuchten Fällen einer Pelletheizung vorgezogen. Nahwärmenetze, basierend auf einer mit Biomasse befeuerten Heizzentrale, erreichen auch in Wohnquartieren mit lockerer Bebauungsstruktur Wärmedichten, die einen effizienten Betrieb erlauben. Photovoltaikanlagen können in vielen Objekten wirtschaftlich betrieben werden, wenn eine ausreichende Eigenstromnutzung vorliegt. Die Energie- und Klimaziele der Bundesregierung für das Jahr 2050 lassen sich mit den heute verfügbaren Technologien auf Quartiersebene erreichen. Mit dem entwickelten Verfahren ist es erstmals möglich, die Anzahl der betrachteten Objekte soweit zu erhöhen, dass realitätsnahe Nahwärmelösungen betrachtet, gleichzeitig regenerative Energien und Speichersysteme berücksichtigt und die Lösungen in einem geschlossenen Verfahren einer ökologischen Analyse unterzogen werden können.