Energiesysteme zuverlässig planen: Softwarebasierte Simulation für das optimale Ergebnis

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Bei der Planung von Energiesystemen haben die Verantwortlichen keine andere Wahl, als sich von moderner IT unterstützen zu lassen. Die gute Botschaft dabei: Die Vorteile, die sie daraus ziehen, tilgen jeden Vorbehalt.

Die durch den Klimawandel ausgelöste dynamische Umgestaltung der Energiesysteme lässt sich ohne Übertreibung als Revolution bezeichnen. Die Systeme werden in immer kürzeren Abständen immer stärker dezentralisiert und im selben Atemzug diversifizierter und moderner. Fortlaufend wird dabei mehr Energie lokal in dezentralen Energiesystemen erzeugt und verbraucht. Diese Lösungen ergänzen die konventionelle, zentralisierte Energieversorgungslandschaft.

Energiesysteme im Wandel

Die Energieversorgung wandelt sich also sukzessive komplett – eben ein revolutionärer Prozess. Die Leopoldina konstatiert hierzu: „Immer mehr Privatpersonen, Energiegenossenschaften und Kommunen betreiben eigene Solaranlagen, Biogasanlagen oder Windparks und ergänzen damit die großen Versorger und Kraftwerke. Bürgerinnen und Bürger werden zunehmend zu Prosumern, die ihr Haus klimaschonend und effizient per Wärmepumpe heizen und die Photovoltaik-Anlage auf dem Dach sowie ihr Elektroauto mit einem Batteriespeicher verbinden.“ Das angestrebte Ziel, die Energieversorgung dauerhaft umweltschonender zu gestalten, scheint auf einem gutem Weg.

Doch der Erfolg dieses Wandels bedeutet viel Arbeit, und das auf mehreren Ebenen. Der Bedarf an Anlagen für erneuerbare Energien, die vor Ort Strom, Wärme und Kälte produzieren können, nimmt enorm zu. Allein im Wärmepumpenbereich stieg der Absatz im Jahr 2022 laut der gemeinsamen Absatzstatistik von BWP und BDH auf 236.000 Geräte und damit um 53 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Für die nächsten Jahre wird von einer Verdreifachung der Zubaurate ausgegangen. Die Energiewende führt auch zu einer deutlich steigenden Komplexität in den Systemen. So steigt die Anzahl der steuerbaren Anlagen rapide, sowohl in der Erzeugung als auch auf Seiten der Nutzer. Darüber hinaus verknüpft die Sektorkopplung als Kernelement einer bezahlbaren Energiewende verschiedene Energiesektoren wie Strom, Wärme und Elektromobilität eng miteinander. Um es kurz zu machen: Tragfähige Energiesysteme benötigen bereits heute eine intensive und belastbare Planung. Eine Planung, die gleich verschiedene Erfolgsfaktoren beachtet. Wirtschaftlich sollte das Energiesystem sein, dabei aber den höchstmöglichen Komfort bieten – und in vielen Fällen wird auch eine erneuerbare und autarke Versorgung gewünscht.

Gute Botschaft

Durch den frühzeitigen Einsatz von Simulationssoftware lässt sich in der Planung von Energiesystemen die effektivste Lösung für Neubau- aber auch Sanierungsprojekte ermitteln. Darüber hinaus ziehen Nutzer auch zahlreiche weitere Vorteile aus diesem Vorgehen – das zeigen bereits zahlreiche Praxisbeispiele.

Als einer der größten regionalen Energieversorger in Deutschland beliefert etwa die Mainova AG mehr als eine Million Menschen in Frankfurt am Main mit Strom, Gas, Wärme und Wasser und überzeugt als leistungsstarker Partner beim Betrieb anspruchsvoller Anlagentechnik. Im Fokus steht dabei die dezentrale und umweltschonende Energieerzeugung bei hoher Anlageneffizienz und optimalem Energieeinsatz.

Eintracht Frankfurt hat sich deshalb entschieden, die Energieversorgung seines neuen ProfiCamps in die Hände der Mainova zu legen. Es umfasst den 800 Quadratmeter großen Fitnessbereich inklusive Whirlpool sowie ein Verwaltungsgebäude auf 400 Quadratmeter und ein Betriebsrestaurant mit 120 Sitzplätzen. Der Baustandard entspricht einem Passivhaus und damit modernsten Ansprüchen.

Die Experten bei Mainova analysierten dafür die Bestandsanlage im Detail, mit dem Ziel eine effiziente Nutzung der erneuerbar erzeugten Energie sicherzustellen. Das Anlagenkonzept zur Deckung des Heiz- und Kühlbedarfs besteht aus sieben Wärmepumpen (drei Luft-Wasser-Wärmepumpen mit einer kumulierten Leistung von 450 kW und vier Sole-Wasser-Wärmepumpen mit einer kumulierten Leistung von 240 kW), Solarthermiekollektoren auf 107 Quadratmetern Dachfläche, einem Erdwärmespeicher und einem Gaskessel. Eine besondere Herausforderung bildete bei der Analyse die Prognose des Nutzerverhaltens, das durch die Trainingszeiten große Bedarfsspitzen aufweist. Zudem befindet sich der Erdwärmespeicher in einem Wasserschutzgebiet mit entsprechenden Auflagen für die Auskühlung des Erdreichs.

Energiesysteme im Variantenvergleich

Die Experten von Mainova nutzen deshalb die Software von Polysun, um das Bestandssystem mit allen Komponenten abzubilden und simulativ den optimalen Betrieb zu definieren. Ziel war es, den Gaskessel nur zur Abdeckung weniger Stunden vorzusehen.

In einem ersten Schritt wurden eine vereinfachte Grobsimulation in Polysun vorgenommen und die Erzeuger sinnvoll zusammengefasst. Dies erlaubte einen raschen Variantenvergleich verschiedener Steuerungskonzepte und einen diesbezüglichen Grundsatzentscheid. In einem zweiten Schritt wurden die Simulation in Polysun basierend auf dem gewählten Steuerungskonzept verfeinert und die Erzeuger detailliert abgebildet. Zudem wurden unterschiedliche Verbrauchsszenarien hinterlegt und die Robustheit der Energieversorgung zur Bereitstellung der Wärme und Kälte ganzjährig überprüft. Bei der simulativen Abbildung in Polysun unterstützten die Experten von Vela Solaris mit dem Aufbau der entsprechenden Hydraulikschemas.

Inzwischen wurde das neue ProfiCamp von der Eintracht-Familie bezogen und wird durch Mainova zuverlässig mit erneuerbarer Energie versorgt. Die Anlage wird für zwei Jahre über alle Betriebspunkte hinweg gemonitort und mit Hilfe von Polysun weiter optimiert. Mainova verspricht sich auch im Falle, dass der Ist-Betrieb den Sollzustand verlässt, durch die Simulation mit Polysun schneller die Ursachen zu erkennen und zu beheben.

Wäre ein solcher Erfolgsbericht allein nicht bereits ein „No Brainer“ für den Einsatz einer Lösung wie Polysun, kommt eine weitere ökonomische Komponente hinzu. Projektverantwortliche können deutlich einfacher Fördermittel beantragen. Ist in einem Konzept etwa der Einsatz einer Wärmepumpe geplant, lässt sich deren Jahresarbeitszahl sehr genau simulieren und validieren. Die durch die Lösung berechnete Effizienz ermöglicht dann gegebenenfalls den Bezug von Fördermitteln. Denn Polysun ist ein zugelassenes Simulationswerkzeug für Energiesysteme, das diese Berechnungen inklusive Dokumentation entsprechend den Förderbedingungen erlaubt.

Fazit

Die Planung von Energiesystemen in Gebäuden und Quartieren reicht mithilfe von Normwerten und Tabellenkalkulationsprogrammen nicht mehr aus. Schon allein aus quantitativen Gründen, da die Aufwände durch die Energiewende zugenommen haben. Aber auch die Komplexität der Planung ist dramatisch gestiegen, so dass softwarebasierte Simulation eine Pflichtübung geworden ist. Letztlich sorgen die Anforderungen an die Vergabe von Fördermitteln dafür, dass ein derartiges Vorgehen alternativlos ist.

Von Angela Krainer.