Energietechnische Quartiere als cyber-physisch-soziale Infrastruktursysteme

Die globale Erwärmung und der Rückstand des Gebäudesektors bei den Klimazielen machen tiefgreifende Veränderungen im Energiesystem notwendig. Quartiere stehen dabei im Mittelpunkt, da sie die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität integrieren und durch Optimierung und Synergieeffekte zentrale Beiträge zur Dekarbonisierung leisten können. Die vorliegende Doktorarbeit hat zum Ziel, ein systemisches Verständnis für die Nutzung von Quartiersansätzen in der Energietechnik zu entwickeln und deren Umsetzung anhand von Reallaborforschung zu untersuchen.

Die Doktorarbeit beschreibt erstmalig energietechnische Quartiere als cyber-physisch-soziale Infrastruktursysteme (CPSIS), in denen digitale, physische und soziale Komponenten integriert und miteinander verknüpft sind. ... mehrDarauf aufbauend erarbeitet sie eine Definition energietechnischer Quartiere, die sich gegenüber bestehenden Anlagengruppierungen und Systemgrenzen klar abgrenzen lässt. Ferner analysiert die Arbeit stadtplanerische und sozialwissenschaftliche Verwaltungseinheiten und setzt diese mit energietechnischen Konzepten in Beziehung. Sie zeigt durch eine strukturierte Literaturauswertung die Bandbreite der verwendeten Begriffe und Systemgrenzen.

Die aus dem Literaturreview entnommenen Ansätze zum Betrieb energietechnischer Anlagen in Gruppen werden am zentralen Anwendungsbeispiel der vorliegenden Arbeit, dem Reallabor Smart East, angewendet. Das Reallabor Smart East bildet den Rahmen für die Umsetzung und Weiterentwicklung der in dieser Arbeit behandelten Ansätze und Technologien. Die Doktorarbeit befasst sich ferner mit Konzepten zur Erfassung energietechnisch relevanter Daten, mit Konzepten zur Modellierung sowie mit Konzepten zur Flexibilitätsbewertung.

Überdies stellt die Arbeit die im Reallabor Smart East umgesetzte Forschungsplattform vor, die softwarebasierte Dienste für den Betrieb und die Analyse energietechnischer Quartiere bereitstellt. Dazu gehören ein Datensammlungsdienst zur kontinuierlichen Datenerfassung sowie ein Prognosedienst zur Vorhersage von Verbrauch und Erzeugung, die auf dem in dieser Arbeit erstmals für die Entwicklung eines energietechnischen Reallabors durchgängig angewandten CPSIS-Konzept basieren. Die Plattform ermöglicht die praktische Erprobung von Betriebsstrategien und Geschäftsmodellen und unterstützt damit künftige Forschung im Reallabor.

Zusammenfassend entwickelt die Arbeit ein systemisches und ganzheitliches Verständnis energietechnischer Quartiere. Durch die Beantwortung offener Fragen in der praktischen Validierung im Reallabor Smart East werden Lücken geschlossen, die bislang eine großflächige Umsetzung energietechnischer Quartiere verhindert haben.

Global warming and the insufficient progress of the building sector toward climate targets require profound changes in the energy system. Energy-focused districts play a central role because they integrate the electricity, heating, and mobility sectors and can contribute significantly to decarbonization through coordinated operation, optimization, and the leveraging of synergies. The present dissertation aims to develop a systemic understanding of district concepts in energy engineering and to examine their implementation through real-world laboratory research.

The dissertation describes energy-focused districts for the first time as cyber-physical-social infrastructure systems (CPSIS), in which digital, physical, and social components are integrated and interconnected. ... mehrBased on this perspective, it develops a definition of energy-focused districts and clearly distinguishes them from established concepts for operating energy-related devices in clusters. Furthermore, the dissertation analyzes administrative units from urban planning and social sciences, relating them to concepts used in the energy domain. A structured literature review demonstrates the range of applied terminology and system boundary definitions.

Approaches identified in the literature for the joint operation of energy-related devices are applied to the central case study, the Smart East real-world laboratory. Smart East provides the framework for implementing and further developing the concepts and technologies examined in the dissertation. The work also addresses methods for collecting energy-related data, for modeling, and for assessing flexibility.

Moreover, the dissertation presents the research platform implemented in the Smart East real-world laboratory, which provides software-based services for the operation and analysis of energy-focused districts. These include a measurement service for continuous data acquisition and a forecasting service for predicting consumption and generation, both built on the CPSIS concept, applied for the first time as a consistent foundation for the development of an energy-focused real-world laboratory. The platform enables the practical testing of operational strategies and business models, thereby supporting future research within a real-world laboratory.

In summary, the dissertation develops a systemic and holistic understanding of energy-focused districts. By answering open questions in practical validation in the Smart East real-world laboratory, it closes gaps that have previously hindered the large-scale implementation of energy-focused districts.