EnEff:Campus Entwicklung eines integralen Planungshilfsmittels. Dirk Müller, Marcus Fuchs, Moritz Lauster, Jens Teichmann

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1 EnEff:Campus Entwicklung eines integralen Planungshilfsmittels Dirk Müller, Marcus Fuchs, Moritz Lauster, Jens Teichmann

2 Motivation Planung bis Betrieb Begleitung des gesamten Prozesses mit Hilfe eines dynamischen Systemmodells Systemanalyse/ Werkzeugkette (Live )Regelung Betriebsoptimierung Auslegungsplanung Dezentrale Einspeisung Betriebsplanung Dezentrale Speicherung Erneuerbare Energien Stadt der Zukunft Zeitachse Heute Heute + X Folie 2

3 Vorstellung der Referenzliegenschaften I Campus Forschungszentrum Jülich Melaten (RWTH Aachen) Fläche 2,2 km² 1,25 km² Gebäudetypen Nichtwohngebäude 95 % Nichtwohngebäude # Gebäude ~ 200 ~ 50 NGF aller Geb. 0,35 km² 0,42 km² NGF pro Geb. 5,7 m² m² 10 m² m² Baujahr Geb Folie 3

4 Vorstellung der Referenzliegenschaften II Campus Forschungszentrum Jülich Melaten (RWTH Aachen) Wärmenetz > 38 km Maschennetz > 12 km Strahlennetz Wärmeerzeuger 30 MW FW + 25 MW Kessel Gaskessel 95 MW Max Wärmel MW 45 MW Kältenetz 21,5 km Maschennetz 6,5 km Strahlennetz Kälteerzeuger 21 MW KKM 4 MW AKM + 4 MW KKM Max Kältel MW 5 MW Folie 4

5 Herausforderung heterogener Nichtwohn- Gebäudebestand Verteilung der Nettogrundfläche in Jülich 25 % 7 % 9 % Lager Betrieb Büro Labor Büro/Labor gemischt Lager Betrieb Büro 31 % Labor Büro/Labor 27 % Folie 5

6 Fragestellungen 1. Wie lässt sich ein aufgelöster Überblick über Energieeinsparpotentiale im Gebäudebestand eines Stadtteils gewinnen? 2. Wie können Effizienzpotentiale in Energieversorgungsnetzen identifiziert und quantifiziert werden? 3. Wie lassen sich verdeckte Potentiale durch Wechselwirkungen im Gesamtsystem Stadt aufdecken? Erstellung eines integralen Planungshilfsmittels zur Untersuchung gekoppelter Energiesysteme von Liegenschaften Folie 6

7 Anforderungen Werkzeuge Aus den Fragestellungen ergeben sich verschiedene Anforderungen: Einfache Informationssammlung Messung u. Simulation Zeitaufgelöste, dynamische Ergebnisse Anwendungsorientiertes Expertentool Integral und modular Adaptive Prozesse und Modelle Balance zwischen notwendiger Genauigkeit und Aufwand für Modellerstellung und Simulation Folie 7

8 Modularer Ansatz Folie 8

9 Gebäudemodell Dynamische Wärmebedarfe Balance zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit Genormt und validiert (VDI 6007) Veröffentlicht auf github.com/rwth-ebc/aixlib Folie 9

10 Parametrierung Gebäudemodell TEASER Tool for Energy Analysis and Simulation for Efficient Retrofit Nutzen von Standard- Informationsmodellen wie BIM und CityGML Anreichern vorhandener Gebäude- Basisdaten mit statistischen Informationen Automatisierte Modellerstellung Veröffentlichung 2015 auf github.com/rwth-ebc Datenquelle Anreicherung Verarbeitung Modellierung Simulation Folie 10

11 Netz- und Erzeugermodell Netzmodell Dynamisch Thermohydraulisch Hydraulische Verluste Thermische Verluste Modellierung jedes einzelnen Rohrstückes Vorgabe Sekundärtemperaturen Netzmodell Erzeugermodelle: Dynamisch Kennlinienbasiert Interaktion mit Netz möglich Erzeugermodell Folie 11

12 Geographisches Informationssystem (GIS) GIS als visuelle Oberfläche für SQL-Datenbank Ablage aller relevanten Campus-Daten in SQL-Datenbank Statische Daten (Gebäude, Netze, Erzeuger) Messdaten GIS-2D-Darstellung GIS-3D-Darstellung Folie 12

13 Automatisierte Erstellung Systemmodell SQL Datenbank Netzgenerator GIS Gebäude Analyse, Visualisierung, Optimierung Energiesystem Folie 13

14 Messkonzept Melaten Nutzung oder Erweiterung vorhandener Messtechnik Installation zusätzlicher Messtechnik 50 Sensoren erfassen Messwerte Messauflösung: 20 sek 5 min Ziele: Abgleich mit Messdaten Identifikation von Schwachpunkten Kopplung mit Simulation Nutzung für neue Energiekonzepte Folie 14

15 Beispiel 1: Gebäude Sanierung Gebäude Jülich I Mittlere Abweichung: 14,4 % Tagesmittelwerte Folie 15

16 Beispiel 1: Gebäude Sanierung Gebäude Jülich Sanierungsrate pro Jahr: 1,7 %/a Einsparung Wärme: 47 % bis 2050 Folie 16

17 Beispiel 1: Gebäude Sanierung Gebäude Jülich III Kostenabschätzung für die energetische Sanierung der Gebäude Investition in Mio. Euro bis AHU ab Jährliche Wärmeeinsparung in GWh/a Folie 17

18 Beispiel 2: Netz Optimierung der Heizkurve Jülich Optimierung Verhältnis thermische Verluste und Pumpenergie wirtschaftlich oder primärenergetisch 216 MWh PE-Einsparung gem. Simulation im Betrachtungszeitraum (40 Tage) Sekundärtemperaturen = 70 C Folie 18

19 Beispiel 3: Netz Leitungsneubau, Erzeugerpositionierung und Verbraucheranschluss Kältenetz Jülich Netzerweiterung Positionierung Erzeuger Neuanschluss Verbraucher Folie 19

20 Beispiel 4: Ganzheitliche Betrachtung Umstellung Campus Melaten von Kessel auf BHKW Vorlauftemperaturumstellung: 85 C -170 C => 85 C -100 C Dyn. Analyse Netzbetrieb nach Umstellung (Druck, Geschwindigkeit) Durchflussgeschwindigkeiten und Druckzustände erlauben BHKW- Betrieb Folie 20

21 Beispiel 4: Ganzheitliche Betrachtung Umstellung Campus Melaten von Kessel auf BHKW Statische Dimensionierung BHKWs mit Strom- und Wärmemessdaten Strom ges. und Wärme RWTH nur (Wärmenetz und Campus (Wärmenetz + Melaten AKM) Campus + AKM) Melaten Campus Melaten Dimensionierung stromseitig Kopplung Messdaten mit dyn. Erzeugersimulation Bewertung dynamischer Erzeugersimulation auf Jahresbasis: Kapitalrücklaufzeiten unter 6 Jahren möglich Primärenergieeinsparungen von mindestens 36 GWh erreichbar Folie 21

22 Beispiel 5: Ganzheitliche Betrachtung Nachtabsenkung aller Gebäude Jülich Nachtabsenkungszenarien: Szenario T_Tag T_Nacht Beschreibung Einsparung Wärme Gebäude im Jahr Standard 20 C 20 C Keine Nachtabsenkung 0 DIN C 16 C 13-stündige Nachtabsenkung 9,7 GWh Angepasst 20 C 16 C 13-stündige Nachtabsenkung, gleichmäßiges Anheben der Soll- Temperatur zwischen 4:30 und 7:00 Uhr, Laborzone nicht abgesenkt 6,9 GWh Folie 22

23 Beispiel 5: Ganzheitliche Betrachtung Nachtabsenkung Gebäude Jülich Erzeugerbetrieb Heizenergie Gebäude Pumpenbetrieb Netzbetrieb Leistungsgrenze FW Folie 23

24 Beispiel 6: Ganzheitliche Betrachtung Reduzierung der Spitzenlast durch Netzspeicherung Voraussetzung: T VL-aktuell < T Grundlasterzeuger Spitzenlasterzeugeranteil Grundlasterzeugeranteil Folie 24

25 Ausblick: Automatische Modellierung von Energiesystemen Folie 25

26 EnEff:Campus RoadMap RWTH Aachen Roadmap Primärenergieverbrauch 100% 75% 50% 25% 0% Fakultätsübergreifende Kooperation Ganzheitliches Konzept für Sanierung mit minimalem Aufwand Demonstrationsvorhaben mit Beispielcharakter Folie 26

27 EnEff:Campus RoadMap Maßnahmenkatalog Gebäudehülle Gebäudetechnik Nutzung Netze Folie 27

28 Zusammenfassung Entwicklung Werkzeugkette zur Quartiersoptimierung Erfolgreiche Anwendung auf Referenzliegenschaften Nutzung für energetischen Masterplan RWTH Aachen Folie 28

29 Ausblick: Projekt Living Roadmap Forschungszentrum Jülich I Ganzheitlicher Ansatz 2016: Vertragsende Fernwärmeversorgung 2019: Ende einer möglichen Verlängerung Sanierung des Bestands Eigene Versorgung Neubau und Umwidmung Einbindung der Nutzer ENERGIEKONZEPT Forschungszentrum Jülich Folie 29

30 Ausblick: Projekt Living Roadmap Forschungszentrum Jülich III Dynamische Simulation des Gesamtsystems berücksichtigt Speichereffekte, Regelungen und angepassten Betrieb Komplexe Simulation als Alleinstellungsmerkmal von JARA in der Energiesystemtechnik (JARA ENERGY und JARA HPC) Die Einbindung der eigenen Energieforschung (z. B. Brennstoffzellen, kommunale Energieversorgungssysteme) bietet großes Potenzial zur Demonstration im realen Betrieb Folie 30

31 Wir danken für die finanzielle Unterstützung durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Fördernummer Ref.-Nr: 03ET1004A Folie 31