ENsource
Zentrum für angewandte Forschung (ZAFH) Urbane Energiesysteme und Ressourceneffizienz
Die Entwicklung einer serviceorientierten Modellarchitektur zur Lösung gekoppelter verteilter Simulations-, Optimierungs- und Energiemanagementaufgaben in urbanen Energiesystemen ist ein essentielles Ziel des ENsource Verbunds. Für urbane Energiesysteme werden innovative Simulations-, Optimierungs-, Energie- und Ressourcenmanagementstrategien sowie neue Geschäfts- und Wertschöpfungsmodelle entwickelt und in fünf Fallstudien validiert.
Urbane Energiesysteme lassen sich systemisch als hochkomplexe Strukturen charakterisieren, die durch eine zunehmend dezentralisierte und fluktuierende Erzeugung sowie die verstärkte Vernetzung von Erzeugern, Wandlern, Speichern, Verteilern und Verbrauchern intelligente Kommunikations- und Steuerungssysteme benötigen, um möglichst hohe Anteile erneuerbarer Energien bei maximaler Energieeffizienz zu ermöglichen und sowohl auf kurzfristige Lastschwankungen als auch auf mittelfristig abnehmende Bedarfe durch erhöhte Energie- und Ressourceneffizienz reagieren zu können. Die zunehmende Kombination von elektrischen und thermischen Netzen und Speichern sowie die Aktivierung von Flexibilisierungsoptionen bei den Verbrauchern erfordert die Entwicklung von innovativen systemübergreifenden Ansätzen und Prozessanalysen, um zukunftsfähige und (ressourcen-)effiziente Lösungen bereitzustellen und Umsetzungsbarrieren abzubauen. Acht forschungsstarke HAWs kooperieren mit (außer) universitären Partnern, Firmen und Kommunen, um urbane Simulations-, Automatisierungs- und Optimierungstools mit zugehörigen Geschäftsmodellen zu entwickeln und diese in Praxis-Fallstudien aus dem industriellen, gewerblichen und kommunalen Bereich einzusetzen und exemplarisch zu erproben.
Der Schwerpunkt des Instituts für Industrial Ecology liegt auf der Bewertung der Energie- und Ressourceneffizienz im Gesamtzusammenhang. Bei der Beurteilung komplexer urbaner Systeme sind neben dem Energieeinsatz und seinen ökologischen Auswirkungen auch der Einsatz anderer natürlicher Ressourcen zu berücksichtigen. Energie ist auch in Materialströmen, der Güterproduktion und in der Infrastruktur gebunden („Embodied Energy“). Dies spielt im Metabolismus von urbanen Systemen eine wichtige Rolle. Daraus folgen mehrere wichtige Aspekte: Energieeinsparpotenziale oder der Beitrag zum Klimaschutz können oft nur ganzheitlich im Kontext des gesamten Energie- und Stoffmetabolismus beurteilt werden. Gleichzeitig werden Methoden erforderlich, die komplexe technische Systeme und deren Umweltwirkung multikriteriell beurteilen und optimieren. Die ganzheitlichen Bewertungsansätze und die Optimierungsmethoden sollen in dem Vorhaben konkret auf die Fallbeispiele angewendet werden und eine übergeordnete Beurteilung von Handlungsoptionen bieten.
- Hochschule für Technik Stuttgart
- Hochschule Heilbronn
- Hochschule Biberach
- Hochschule Reutlingen
- Hochschule Rottenburg
- Hochschule Mannheim
- Hochschule Aalen
- Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart
- Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE)
- Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg(ZSW)
„Aufgrund von schwindenden Energiereserven, demographischen und städtebaulichen Entwicklung sowie des Klimawandels setzt das ZAFH ENsource den Fokus auf hochrelevante Zukunftsthemen: Ressourceneffizienz und Energiewende.“
Theresia Bauer, Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg
In der Energiewelt von morgen erfolgt die Versorgung urbaner Quartiere mit Strom, Wärme und Mobilität dezentral, flexibel und sektorübergreifend. Dabei ist sie ressourceneffizient, kostengünstig und umfassend nachhaltig. Wie Städte und urbane Ballungsräume die Energiewende nach diesen Maßgaben erfolgreich umsetzen können, haben in den zurückliegenden fünf Jahren acht baden-württembergische Hochschulen – darunter das INEC der HS Pforzheim – zusammen mit Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen im Zentrum für angewandte Forschung (ZAFH) „Urbane Energiesysteme und Ressourceneffizienz – ENsource“ erforscht. Die Ergebnisse wurden am 22. Februar 2021 der Öffentlichkeit vorgestellt. In Ihrem Grußwort hob Forschungsministerin Theresia Bauer die hohe Aktualität und Relevanz des Themas, sowie die interdisziplinäre Expertise von ENsource hervor. Durch seinen lösungsorientierten Ansatz und die explizite Berücksichtigung von Geschäftsmodellen habe das ZAFH die vom Land angestrebte vorwettbewerbliche Transferkompetenz vorbildlich umgesetzt. Mit den im Projekt entwickelten Verfahren und Werkzeugen werden Kommunen bei der Gestaltung nachhaltiger Energieversorgungssysteme unterstützt. Das INEC stellt Methoden für die multikriterielle Bewertung des Ressourcenaufwands der in den Fallstudien entwickelten Energiesystemszenarien zur Verfügung.
Weitere Informationen zum ZAFH: www.ensource.de.
Die Abschlussveranstaltung
Nach der Eröffnung durch die Rektorin der HfT Stuttgart, Frau Prof. Katja Rade, und den ENsource-Leiter Prof. Volker Coors würdigte die als Ehrengast geladene Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg, Theresia Bauer, in ihrem Grußwort die Errungenschaften des ZAFH. Prof. Ursula Eicker, die Mitinitiatorin des ZAFH ENsource, gab in ihrem inspirierenden Vortrag über die „Next Generation Cities“ einen Überblick über Ihre aktuellen Forschungstätigkeiten an der Concordia University Montreal, Canada und gleichzeitig einen Ausblick auf die kommenden Herausforderungen im Bereich der nachhaltigen Stadtentwicklung. Im Zentrum der folgenden Präsentationen stand der Einsatz der verschiedenen entwickelten Tools und Services in den ENsource-Fallstudien.
Die abschließende Podiumsdiskussion erörterte die grundsätzlichen Fragen, wie in der angewandten Forschung eine gute Balance zwischen Transfer- und Forschungsauftrag gewährleistet und die Erkenntnisse aus ENsource für die globale Diskussion um den fortschreitenden Urbanisierungsprozess fruchtbar gemacht werden könnten. Einigkeit bestand in der Würdigung des schlagkräftigen Forschungsnetzwerkes, dass in den fünf Jahren des ZAFH ENsource gewachsen sei. So zeigten sich alle ENsource-Partner gewillt, die Kooperation auch nach der Förderungsphase in Form regelmäßiger Netzwerktreffen und in gemeinsamen Akquise-Aktivitäten aufrecht zu erhalten.
Der Hintergrund – die nachhaltige urbane Energiewende gestalten
Städte spielen eine zentrale Rolle für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende. Weltweit leben über die Hälfte aller Menschen in urbanen Ballungsräumen, rund 80 Prozent der Treibhausgasemissionen stammen von dort. Daher muss die Transformation des Energiesystems vor allem hier verwirklicht werden.
Um die Energiewende vor Ort möglichst effizient, günstig und nachhaltig zu gestalten, hat die HS Pforzheim / INEC in dem Projekt „Urbane Energiesysteme und Ressourceneffizienz“ (ENsource) mit den elf Partnern unter der Leitung der Hochschule für Technik Stuttgart Verfahren und Planungswerkzeuge entwickelt. Softwaretools ermöglichen den Vergleich verschiedener Energieversorgungszenarien für Quartiere mit Privathaushalten, Gewerbe und Industrie. Sie unterstützen bei der Beantwortung praktischer Planungsfragen wie: Ist es günstiger, ein Quartier vollständig energetisch zu sanieren oder lohnt sich die Investition in erneuerbare Energien? Wie können Verbrauch und Erzeugung durch Vernetzung und Kommunikation intelligent aufeinander abgestimmt werden? Führt die Umstellung des Energiesystems tatsächlich zu wesentlichen Treibhausgasreduktionen oder treten sogar gegenläufige Effekte im Ressourcenverbrauch auf?
Diese und weitere Fragen haben die Wissenschaftler*innen in fünf Fallstudien untersucht. Zum Zuge kamen die im Projekt neu entwickelten ENsource-Werkzeuge und Dienstleistungen an Beispielprojekten in Mannheim, Stuttgart, Mainau, Rainau und Schwieberdingen. Die Fallstudien bilden eine große Vielfalt beispielsweise hinsichtlich Größe, Nutzungsweise und Energieinfrastruktur ab. Damit konnten die Forschenden ihre Planungswerkzeuge unter ganz unterschiedlichen Rahmenbedingungen testen.
Multikriterielle Bewertung des Ressourcenaufwands
„Zur Verringerung von Treibhausgasemissionen ist der verstärkte Einsatz von erneuerbarer Energie auf jeden Fall zielführend“, sagt Prof. Dr. Hendrik Lambrecht vom Institut für Industrial Ecology an der Hochschule Pforzheim. „Dennoch ist es entscheidend, Ressourcenaufwände aus Produktion, Bau und Entsorgung der Anlagen mitzudenken um beim gesamten Ressourcenaufwand keine gegenläufigen Effekte zu erhalten.“
Daher ist das Ziel der Ressourcenaufwandsbewertung im ZAFH ENsource, den minimalen Ressourcenaufwand für Energiesysteme in einer umfassenden Untersuchung zu identifizieren. Sie basiert auf einer Lebenszyklusbetrachtung verbunden mit einer Bewertung unterschiedlicher Umweltwirkungen. Die Ergebnisse zeigen Technologien und Lebenszyklusstadien auf, die wesentlich zum gesamten Ressourcenaufwand beitragen, und unterstützen damit die Entwicklung fallspezifischer Lösungen.
Für die praktische Entscheidungshilfe werden insbesondere Methoden benötigt, die verschiedene Ressourcenaufwände sinnvoll vergleichbar machen und damit Planer und Entscheidungsträger in die Lage versetzen, Energieversorgungsoptionen mit insgesamt minimalem Ressourcenaufwand zu identifizieren.
In ENsource II wurde hierfür die ursprünglich für die Schweiz entwickelte Methode der ökologischen Knappheit gewählt. Diese wurde aufbauend auf einer deutschen und europäischen Variante mit Blick auf die speziellen Erfordernisse der Bewertung urbaner Energiesysteme in Deutschland weiterentwickelt. Die Methode der ökologischen Knappheit nutzt auf mathematisch einfache und damit transparente Weise öffentlich zugängliche, politisch festgelegte Grenzwerte (z.B. Gesetze und Berichte von Umweltbehörden) und eignet sich in besonderer Weise für die Kommunikation mit Entscheidungsträgern.
