»Städte bergen enorm große Potenziale für Klimaschutzmaßnahmen, da sich hier bei Energieeffizienz und -erzeugung zahllose Synergieeffekte herbeiführen lassen«, sagt Dr. Dietrich Schmidt, Abteilungsleiter Thermische Energiesystemtechnik beim Fraunhofer IEE in Kassel. »Als erfahrener Partner aus der Wissenschaft unterstützen wir die Akteure, diese Chancen zu nutzen: Mit unseren im Forschungsschwerpunkt »Energiesystem Stadt« entwickelten und in der Praxis erprobten Angeboten helfen wir ihnen dabei, integrierte Systeme für eine klimafreundliche Energieversorgung aufzubauen.«

Das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst hat das Fraunhofer IEE beim Aufbau des Kompetenzfeldes »Energiesystem Stadt« in den vergangenen drei Jahren mit insgesamt sechs Millionen Euro gefördert.

Im Rahmen dieses Schwerpunktthemas haben die Fraunhofer-Forscher zahlreiche Projekte im Bereich der urbanen Energiewende erfolgreich umgesetzt – von Potenzialanalysen über die technische und wirtschaftliche Konzeption zeitgemäßer Versorgungssysteme und -angebote bis hin zur betrieblichen und ökonomischen Optimierung bestehender Infrastrukturen. Mit diesen Kompetenzen und Erfahrungen liefern die Kasseler Fraunhofer-Forscher Lösungen und Instrumente für die unterschiedlichsten Aufgabenstellungen in Quartieren, Städten und Ballungszentren.

Werkzeugkasten für die urbane Energiewende

Die Transformation städtischer Energiesysteme beginnt mit der Definition des Bilanzraumes sowie der Ziele. Dann erfolgt das Erfassen des Status Quo. Auf dieser Basis werden Geschäftsmodelle entwickelt, Szenarien simuliert und die Umsetzung geplant. Das Vorhaben wird realisiert und ein Monitoring etabliert. Über den laufenden Vergleich der erhobenen Werte mit den zuvor festgelegten Sollwerten lässt sich im Nachgang gewährleisten, dass die eingangs definierten Ziele in der Praxis zuverlässig erreicht werden.

In allen Schritten dieses Prozesses stehen die Fraunhofer-Experten den Projektverantwortlichen als kompetente Berater zur Seite. Für die Umsetzung bietet das Fraunhofer IEE eine Vielzahl aufgabenspezifischer Werkzeuge – etwa InvestSCOPE für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Transformationspfade, EnergyANTS für die zeitliche und räumliche Simulation von Energiesystemen, EnergyPilot für Energiemanagement und Betriebsoptimierung, Pandaplan für Detailplanung und Betrieb von Strom-, Gas- und Wassernetzen, beeDIP für die Netzführung oder EnergyConnect für Virtuelle Kraftwerke.

Planung der Wärmeversorgung von Quartieren und Städten

Einen besonderen Stellenwert im Werkzeugkasten des Fraunhofer IEE hat EQ -City, ein Instrumentenbündel für die Planung der Wärmeversorgung von Quartieren und Städten. Mit EQ-City können kommunale Experten, Versorger oder Planer verschiedene zentrale wie dezentrale Versorgungskonzepte vergleichen und bewerten, sowie direkt eine Auswertung zur Vorlage bei Entscheidungsträgern erhalten Ebenso ermöglicht die Lösung eine einfache und effiziente Vorplanung speziell von leitungsgebundenen Systemen für die Wärmeversorgung.

So unterstützt EQ-City die Experten unter anderem bei der Wärmebedarfsermittlung von Neubau- und Bestandsquartieren sowie bei der Auslegung der leitungsgebundenen Wärmeversorgung oder von Einzellösungen mit Speichern und Technologien der Sektorenkopplung. Des Weiteren lassen sich mit EQ-City Energieflüsse und Umweltfaktoren bilanzieren und bewerten, umfassende Wirtschaftlichkeitsanalysen vornehmen und mittels detaillierter Nutzwertanalysen Systemvergleiche durchführen.

Experimentierfeld für die Fern- und Nahwärme

Mit dem District LAB bietet das Fraunhofer IEE zudem Netzbetreibern, Versorgern, Systemplanern und Komponenten-Herstellern umfangreiche Experimentier- und Testmöglichkeiten für die leitungsgebundene Wärmeversorgung. Mit Unterstützung der Fraunhofer-Forscher können sie hier Lösungen, Produkte und Betriebsmodelle experimentell entwickeln, untersuchen und validieren.

»Im Kern besteht das District LAB aus einem flexiblen Testnetz mit angeschlossenen Versuchs- und Prüfständen für Quartiers-Wärmeerzeuger sowie einer Teststrecke für Experimente mit Rohrleitungen. Durch mehrere Hardware-in-the-Loop-Einheiten sowie ein digitales Leit- und Regelungssystem lassen sich die Betriebszustände zu jedem Zeitpunkt exakt einstellen und messtechnisch erfassen«, erläutert Dr. Anna Kallert, Abteilungsleiterin Thermische Energiesystemtechnik.

Kommunikation und Kollaboration

Eine zentrale Voraussetzung für das Gelingen einer urbanen Energiewende ist, alle relevanten Akteure eng in die Diskussions- und Entscheidungsprozesse einzubinden. Deshalb legt das Fraunhofer IEE in der Prozessbegleitung besonderes Augenmerk auf die planerischen und kommunikativen Aspekte der Transformation: Ein geführter Entscheidungsprozess und innovative, erprobte Kommunikations- und Kollaborationsformate wie zum Beispiel Decision Theater machen es möglich, gemeinsam bessere Entscheidungen zu treffen.