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Nachhaltige Kälte- und Wärmeversorgung urbaner Räume mittels Fernkälte- bzw. Fernwärmenetzen unter dem Einsatz energieeffizienter und HFKW-freier Techniken

Durch den Klimawandel steigt der Bedarf an Komfortklimakälte auch in Deutschland stetig an. Viele Bestandsgebäude werden mit Klimatechnik auf- oder nachgerüstet, Neubauten im Nichtwohngebäudebereich werden selten ohne maschinelle Klimatisierung errichtet. Der Bedarf wird meist gebäudeindividuell ermittelt und die entsprechende Technik installiert. Durch den Anschluss an ein Fernkältenetz entfallen wesentliche Komponenten wie Kältemaschine(n) und Rückkühlwerk, was nicht nur den Raum zur Aufstellung dieser einspart, sondern die Kunden auch von der Einhaltung der damit verbundenen Verordnungen (z.B. 42. BImSchV, F-Gas-V) befreit. Ähnliches gilt analog für Fernwärmenetze. Durch die zentrale Bereitstellung von Kaltwasser ergeben sich mehrere positive Umwelt- und Wirtschaftlichkeitseffekte: Der aggregierte Energiebedarf ist abzüglich der Leitungsverluste ca. 40-50% niedriger gegenüber der gebäudeindividuellen Lösung. Die Spitzenlast eines Fernkältenetzes ist niedriger als die der Gebäude mit eigenem System aufsummiert, dementsprechend fällt die installierte Leistung niedriger aus (Ressourcen- und Investitionskostenersparnis). Lastverschiebungen durch Eisspeicher sind in zentralen Einrichtungen mit dem nötigen Fachpersonal einfacher und effizienter zu betreiben als in den einzelnen Gebäuden. Weiterhin sind in Fernkältezentralen oftmals verschiedene Techniken zur Deckung des Kältebedarfs (Kompressionskälte, Absorptionskälte, Nutzung von natürlicher Kälte (Flüsse, Stadtbäche, Seen, Brunnenkühlung)) installiert, die je nach Situation nahe am optimalen Betriebspunkt eingesetzt werden können. Die Hürden, Kältemaschinen mit umweltfreundlichen natürlichen Kältemitteln wie z.B. Ammoniak und Kohlenwasserstoffe einzusetzen, sind in Fernkältezentralen deutlich niedriger als in den Einzelgebäuden (insbesondere im Bestand).

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben Begleitung des Vorhabens, Praxisumsetzung und Wissenstransfer

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverlusten sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B. Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW-lnstandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, Kl-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen sollen sowohl ein modellprädiktiver als auch ein Kl-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Begleitung des Vorhabens, Praxisumsetzung und Wissenstransfer Im Rahmen dieses Teilvorhabens begleitet der AGFW die forschenden Verbundpartner und unterstützt die Umsetzungen der entwickelten Ansätze und Verfahren in der Praxis. Der Beitrag des Branchenverbands umfasst die Einbringung von zusätzlicher Messtechnik, die Durchführung von Messungen, die Begleitung bei der Dokumentation und die Veröffentlichung der Ergebnisse sowie die Verbreitung der Forschungsergebnisse in der Fernwärmebranche. Weiterhin prüft der AGFW eine Einbindung in eine bestehende Umgebung zur Verfügung und führt Veranstaltungen für die Zielgruppe durch.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Realisierung und Erprobung

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW-Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Hard-/Softwaretechnische Umsetzung und Praxiserprobung Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden die von den forschenden Verbundpartnern entwickelten Ansätze und Verfahren zur Praxistauglichkeit gebracht und in realen Anlagen erprobt. Dies umfasst sowohl die Unterstützung der Verbundpartner bei den Entwicklungsarbeiten mit Expertenwissen zu Fernwärme- und Kältenetzen als auch die Bereitstellung von Netz- und Betriebsdaten, wie beispielsweise Messdaten zu Druck, Durchfluss oder Temperatur. Weiterhin muss die für den Betrieb der entwickelten Ansätze erforderliche Hard- und Softwareinfrastruktur geschaffen und bereitgestellt werden.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Netzregelungskenngrößen Energieeffizienz und Lebensdauer

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zum Erreichen dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverlusten sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW-Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Alterung und Stressfaktoren Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden Algorithmen zur Ermittlung von Alterungseffekten und Stressfaktoren in Wärme- und Kältenetzen entwickelt. Dabei sollen sowohl vorhandene Messdaten verwendet als auch neue, innovative Messkonzepte entwickelt werden, um eine möglichst genaue Lebensdauervorhersage treffen zu können. Um in Echtzeit eine Lebensdauerbewertung durchführen zu können, kommen und A. KI-basiert Verfahren zum Einsatz. Die entwickelten Ansätze sollen zudem in ein thermo-hydraulisches Netzmodell integriert werden, sodass dieses im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung zur Effizienz- und Lebensdaueroptimierung verwendet werden kann.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Optimale Netzregelung

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW- Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Physikalische Modellierung und Regelungsentwurf Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden bestehende Netzmodelle zur hydraulischen Simulation von Fernwärmenetzen um thermische Komponenten (Temperaturverläufe, Energieverluste) erweitert. Zudem wird das Simulationsmodell für die Verwendung im Rahmen modellprädiktiver Regelungen angepasst, welche ebenfalls in diesem Teilvorhaben entwickelt und implementiert werden soll. Neben dem modellprädiktiven Ansatz werden die vorhandenen Messdaten verwendet, um den KI-basierten Ansatz zu trainieren. Die beiden Ansätze sollen abschließend beim Projektpartner Stadtwerke München implementiert und ausgiebig getestet werden.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW- Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Physikalische Modellierung und Regelungsentwurf Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden bestehende Netzmodelle zur hydraulischen Simulation von Fernwärmenetzen um thermische Komponenten (Temperaturverläufe, Energieverluste) erweitert. Zudem wird das Simulationsmodell für die Verwendung im Rahmen modellprädiktiver Regelungen angepasst, welche ebenfalls in diesem Teilvorhaben entwickelt und implementiert werden soll. Neben dem modellprädiktiven Ansatz werden die vorhandenen Messdaten verwendet, um den KI-basierten Ansatz zu trainieren. Die beiden Ansätze sollen abschließend beim Projektpartner Stadtwerke München implementiert und ausgiebig getestet werden.

Rollout-fähigEs Multimodales EnergiemAnagement für SUpermäRktE

Zur Erfüllung der nationalen und europäischen Klimaziele muss die erneuerbare fluktuierende Stromerzeugung schnell ausgebaut und effizient genutzt werden. Neben dem kostenintensiven Ausbau der Energienetze und Speicherkapazitäten können vorhandene lokale Energiesysteme genutzt werden, um mittels multimodaler Lastverschiebung die Nachfrage in Abhängigkeit vom Angebot an erneuerbarer Energie zu verschieben. Es wird eine schnell umsetzbare, skalierbare und wirtschaftliche Lösung benötigt. Supermärkte sind von großem Interesse, da die entsprechenden Energiesysteme weitestgehend standardisiert sind. Sie sind weiterhin flächendeckend mit Messtechnik ausgestattet und weisen einen hohen Automatisierungsgrad auf. Ein Lastverschiebepotential ist durch die Flexibilität des lokalen Kältenetzes des Supermarktes im Zusammenspiel mit den steuerbaren Kälteverbrauchern, wie z.B. Kühltruhen oder Kältekammern vorhanden. Energiesysteme von modernsten Supermärkten werden aktuell typischerweise anhand statischer Regeln rein bedarfsorientiert betrieben. Ein solcher Betrieb ist nicht zielführend, da das Angebot von fluktuierenden, erneuerbaren Energien nicht berücksichtigt wird und somit nicht effizient genutzt werden kann. Ziel des Projektes ist es zu untersuchen, ob eine effiziente Nutzung von fluktuierenden, erneuerbaren Energien durch multimodale Lastverschiebung, insbesondere im Hinblick auf die Kälteversorgung von Supermärkten, möglich ist. Dabei werden sowohl dynamische Strompreise, als auch Vorhersagen von dynamischen Randbedingungen, wie beispielsweise elektrische und thermische Grundlasten, berücksichtigt. Die technische Machbarkeit wird in der Simulation aufgezeigt und im realen Betrieb eines Pilot-Supermarktes validiert. Dabei soll der Aufwand für die Installation des Energiemanagementsystems und die evtl. notwendige Ertüchtigung des Energiesystems, z.B. durch zusätzliche Messgeräte oder Anpassungen in der Automatisierung, so gering wie möglich gehalten werden.

Rollout-fähigEs Multimodales EnergiemAnagement für SUpermäRktE, Teilvorhaben: Simulative Bewertung von Betriebsstrategien

Zur Erfüllung der nationalen und europäischen Klimaziele muss die erneuerbare fluktuierende Stromerzeugung schnell ausgebaut und effizient genutzt werden. Neben dem kostenintensiven Ausbau der Energienetze und Speicherkapazitäten können vorhandene lokale Energiesysteme genutzt werden, um mittels multimodaler Lastverschiebung die Nachfrage in Abhängigkeit vom Angebot an erneuerbarer Energie zu verschieben. Es wird eine schnell umsetzbare, skalierbare und wirtschaftliche Lösung benötigt. Supermärkte sind von großem Interesse, da die entsprechenden Energiesysteme weitestgehend standardisiert sind. Sie sind weiterhin flächendeckend mit Messtechnik ausgestattet und weisen einen hohen Automatisierungsgrad auf. Ein Lastverschiebepotential ist durch die Flexibilität des lokalen Kältenetzes des Supermarktes im Zusammenspiel mit den steuerbaren Kälteverbrauchern, wie z.B. Kühltruhen oder Kältekammern vorhanden. Energiesysteme von modernsten Supermärkten werden aktuell typischerweise anhand statischer Regeln rein bedarfsorientiert betrieben. Ein solcher Betrieb ist nicht zielführend, da das Angebot von fluktuierenden, erneuerbaren Energien nicht berücksichtigt wird und somit nicht effizient genutzt werden kann. Ziel des Projektes ist es zu untersuchen, ob eine effiziente Nutzung von fluktuierenden, erneuerbaren Energien durch multimodale Lastverschiebung, insbesondere im Hinblick auf die Kälteversorgung von Supermärkten, möglich ist. Dabei werden sowohl dynamische Strompreise, als auch Vorhersagen von dynamischen Randbedingungen, wie beispielsweise elektrische und thermische Grundlasten, berücksichtigt Die technische Machbarkeit wird in der Simulation aufgezeigt und im realen Betrieb eines Pilot-Supermarktes validiert. Dabei soll der Aufwand für die Installation des Energiemanagementsystems und die evtl. notwendige Ertüchtigung des Energiesystems, z.B. durch zusätzliche Messgeräte oder Anpassungen in der Automatisierung, so gering wie möglich gehalten werden.

Rollout-fähigEs Multimodales EnergiemAnagement für SUpermäRktE, Teilvorhaben: Modelprädiktive multimodale Lastverschiebung im Pilot-Supermarkt

Zur Erfüllung der nationalen und europäischen Klimaziele muss die erneuerbare fluktuierende Stromerzeugung schnell ausgebaut und effizient genutzt werden. Neben dem kostenintensiven Ausbau der Energienetze und Speicherkapazitäten können vorhandene lokale Energiesysteme genutzt werden, um mittels multimodaler Lastverschiebung die Nachfrage in Abhängigkeit vom Angebot an erneuerbarer Energie zu verschieben. Es wird eine schnell umsetzbare, skalierbare und wirtschaftliche Lösung benötigt. Supermärkte sind von großem Interesse, da die entsprechenden Energiesysteme weitestgehend standardisiert sind. Sie sind weiterhin flächendeckend mit Messtechnik ausgestattet und weisen einen hohen Automatisierungsgrad auf. Ein Lastverschiebepotential ist durch die Flexibilität des lokalen Kältenetzes des Supermarktes im Zusammenspiel mit den steuerbaren Kälteverbrauchern, wie z.B. Kühltruhen oder Kältekammern vorhanden. Energiesysteme von modernsten Supermärkten werden aktuell typischerweise anhand statischer Regeln rein bedarfsorientiert betrieben. Ein solcher Betrieb ist nicht zielführend, da das Angebot von fluktuierenden, erneuerbaren Energien nicht berücksichtigt wird und somit nicht effizient genutzt werden kann. Ziel des Projektes ist es zu untersuchen, ob eine effiziente Nutzung von fluktuierenden, erneuerbaren Energien durch multimodale Lastverschiebung, insbesondere im Hinblick auf die Kälteversorgung von Supermärkten, möglich ist. Dabei werden sowohl dynamische Strompreise, als auch Vorhersagen von dynamischen Randbedingungen, wie beispielsweise elektrische und thermische Grundlasten, berücksichtigt. Die technische Machbarkeit wird in der Simulation aufgezeigt und im realen Betrieb eines Pilot-Supermarktes validiert. Dabei soll der Aufwand für die Installation des Energiemanagementsystems und die evtl. notwendige Ertüchtigung des Energiesystems, z.B. durch zusätzliche Messgeräte oder Anpassungen in der Automatisierung, so gering wie möglich gehalten werden.

EnEff:Stadt: Hochschulcampus Berlin Charlottenburg (HCBC) 1. Umsetzungsphase mit Teilsanierungen, Wärme- und Kältenetzen sowie einem Demonstrator auf dem 1. Schritt zur Wärmewende, Teilvorhaben: Einbindung Fernwärmenetz

Basierend auf dem Energiewendeziel der Bundesregierung will sich der Campus Charlottenburg (TU Berlin, UdK Berlin) energetisch als vorbildliche Einrichtung etablieren. Dafür soll der HochschulCampus Berlin-Charlottenburg (HCBC) so saniert werden, dass bereits ab dem Jahr 2023 die Wärmewendeziele 2050 in Teilen demonstriert werden können. Die Basis für die Umsetzung ist das Ergebnis der ersten Phase des Projekts (FKZ: 03ET1354-X). Dieser Masterplan Energie berücksichtigt die Energiebedarfe von Heizung, Kälte und den Hilfsenergien für den Transport von Wärme, Kälte und Luft. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der lokalen Gewinnung und Speicherung von Energie, wo günstige Bedingungen für eine anschließende Verschiebung von Wärmeenergieströmen herrschen. Das andere Augenmerk liegt auf der gebäudeweisen energetischen Teilsanierung im Quartiersverbund im Gegensatz zur gebäudeweisen Einhaltung der EnEV. Im Rahmen der 1. Umsetzungsphase sollen in den nächsten 5 Jahren Primärenergieeinsparungen/-substitutionen auf dem gesamten Campus in Höhe von zunächst 40 % zur Basis 2016 bis 2035 das Wärmewendeziel in Höhe von 80 % zur Basis 2008 realisiert werden. Parallel zu den Sanierungsmaßnahmen soll eine Demonstrationsanlage entstehen, in dem die gebäudeübergreifende Nutzung von erneuerbaren Energien und Abwärme über ein Mehrleiter-Wärmenetz gepaart mit Kurz- und Langzeitspeichern getestet und optimiert wird. Aus den Ergebnissen des EnEff: HCBC Projekts sollen Handlungsempfehlungen entwickelt werden, die auf andere Stadtgebiete übertragen werden können.

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