Analyse und Optimierung urbaner Energiesysteme - Entwicklung und Anwendung eines übertragbaren Modellierungswerkzeugs zur nachhaltigen Systemgestaltung

Viele Städte und Gemeinden sind sich ihrer Bedeutung für das Gelingen der Energiewende bewusst und verfolgen eigene Nachhaltigkeitsziele. Insbesondere in kleineren Gemeinden fehlt es jedoch häufig am nötigen Fachwissen, um bspw. die lokalen Emissionsminderungspotenziale quantifizieren und geeignete Maßnahmenkombinationen zur Erreichung dieser Ziele identifizieren zu können.
Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit das RE³ASON (Renewable Energies and Energy Efficiency Analysis and System OptimizatioN) Modell entwickelt, mit dem für diese Gemeinden automatisierte Analysen, z. ... mehrB. zur Bestimmung der Energienachfrage und der Potenziale für erneuerbare Energien, durchgeführt werden können. Bei der anschließenden Optimierung des jeweiligen Energiesystems können verschiedene Ziele verfolgt werden – bspw. die Minimierung der diskontierten Systemausgaben unter der Vorgabe zusätzlicher Emissionsminderungsziele. Die Optimierung umfasst dabei sowohl die Investitions- als auch die Einsatzplanung für Energieumwandlungstechnologien auf der Angebots- und Nachfrageseite.
Bei der Implementierung dieses Modells kommen verschiedene Methoden, u. a. aus den Bereichen der Geoinformatik, der Strahlungssimulation, der Betriebswirtschaftslehre, des maschinellen Lernens und der gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung zum Einsatz. Ein inhaltlicher Schwerpunkt der Arbeit bildet die Bestimmung der Kosten und Potenziale für die Erzeugung von Strom und Wärme durch Photovoltaik-, Windkraft- und Biomasseanlagen. Besonderer Wert wurde auf die Übertragbarkeit der entwickelten Methoden gelegt, damit diese von möglichst vielen Städten und Gemeinden genutzt werden können. Hierfür wurden diverse öffentlich verfügbare und frei zugängliche Datenquellen genutzt und miteinander kombiniert, um die benötigten Eingangsdaten für die Analyse des städtischen Energiesystems zu generieren.
Die Anwendung des Modells im Rahmen mehrerer deutscher und internationaler Fallstudien zeigt unter anderem, dass insb. in kleineren Gemeinden bedeutende Potenziale zur Deckung des Energiebedarfs auf Basis erneuerbarer Energien bestehen. Weiterhin zeigt sich, dass die Umgestaltung des städtischen Energiesystems auf die Nutzung lokaler und nachhaltiger Energieressourcen auch aus Sicht der Gemeindevertreter die zu bevorzugende Alternative darstellen kann. Aus diesen Ergebnissen lassen sich schließlich Handlungsempfehlungen für städtische Entscheidungsträger ableiten. Kritisch anzumerken ist, dass die Modellergebnisse aufgrund der gewählten Systemgrenze keine nationalen energiewirtschaftlichen Schlussfolgerungen zulassen.

Many cities and municipalities are aware of their importance for the success of the energy transition and pursue their own sustainability goals. However, especially in smaller communities, there is a lack of the required know-how to quantify local potentials and identify a suitable combination of measures to achieve these goals.
Therefore, the RE³ASON (Renewable Energies and Energy Efficiency Analysis and System OptimizatioN) model has been developed as part of this work, which allows these communities to perform automated analysis, e.g. to determine the energy demand and the potential for renewable energies. ... mehrIn the subsequent optimization of the respective energy system, various objectives can be pursued – e.g. the minimization of discounted system expenditures while taking into account additional emission reduction targets. The optimization includes both investment and operational planning for energy conversion technologies on the supply and demand side.
The implementation of this model employs various methods, including methods from the fields of geoinformatics, radiation simulation, economics, machine learning and mixed-integer linear optimization. One of the main focuses of the work is determining the costs and potential for the generation of electricity and heat from photovoltaic, wind power and biomass plants. Particular emphasis was placed on the transferability of the developed methods which enables them to be used by as many cities and communities as possible. For this purpose, various publicly available open-data sources were used and combined with each other to generate the necessary input data for the analysis of the urban energy system.
The application of the model in the context of several German and international case studies shows, among other things, that especially in smaller communities there is significant potential for supplying the energy demand on the basis of renewable energies. It could also be demonstrated, that the transformation of the urban energy system to use local and sustainable energy resources can be the preferred alternative from the point of view of the community representatives. From these results, recommendations for action can be derived for urban decisionmakers. A point of criticism is, that due to the chosen system boundary, the model results do not allow conclusions on the scale of national energy economics.