Im Fokus der Forschung zu energieoptimierten Gebäuden und Quartieren stehen effiziente und zugleich wirtschaftliche Versorgungsstrukturen. Systemische Ansätze statt Einzellösungen sind gefragt, um Sektorkopplung und Digitalisierung voranzutreiben und den Primärenergiebedarf im gesamten System durch die Integration erneuerbarer Energien deutlich zu senken. Für die Wärmeversorgung geht es darum, die Effizienz der Energiewandler durch Technologieentwicklung zu steigern, vermehrt erneuerbare Energien zu integrieren, die Übergabesysteme auf Niedrig-Exergie-Systeme anzupassen und die Wärmeversorgungssysteme in Gas-, Strom- und Wärmenetze zu integrieren.

In aktuellen Forschungsprojekten arbeiten Wissenschaftsteams daran, dezentrale Energieversorgungstechnologien primärenergetisch, wirtschaftlich und ökologisch zu verbessern. Dies betrifft vor allem Wärme- und Kälteerzeugungstechnologien, Kraft-Wärme-Kopplungssysteme, Verteilnetze und Übergabestationen. Darüber erproben und optimieren die Forschenden Wärme- und Kälteversorgungssysteme mit innovativen Konzepten zur Abwärmenutzung und multiplen Einspeisung sowie thermischen Speicherung.

Bei der Energieversorgung, -verteilung, -speicherung und -nutzung spielen energieeffiziente und wirtschaftliche Energiesysteme eine wichtige Rolle. Diese versorgen sowohl einzelne Objekte als auch Stadtquartiere mit Strom und Wärme. Da hier vermehrt erneuerbare Energien zum Einsatz kommen, werden diese zunehmend dynamischer und vielfältiger. Kurzzeitige Schwankungen der regenerativen Stromerzeugung müssen durch eine Vielzahl kleiner, räumlich verteilter Anlagen ausgeglichen werden. Gleichzeitig wachsen die Sektoren Strom-, Wärme-, Gasversorgung sowie Produktion und Mobilität zunehmend zusammen.

Um ein Energiesystem zu optimieren, reicht folglich die Betrachtung eines einzelnen Bereichs nicht aus. Die verschiedenen Energiesektoren sind über Erzeugungsanlagen und Verbraucher eng gekoppelt, was zu einer hohen Komplexität bei der Analyse, Optimierung und beim Betrieb der Energiesysteme führt.

Mit dem stetig wachsenden Anteil der erneuerbaren Energien in der Energieversorgung werden Energiespei-cher für Strom und Wärme immer bedeutsamer. Wird der Strom vor der Speicherung umgewandelt, zum Beispiel in Wasserstoff oder andere chemische Energieträger, besteht neben der Wiederverstromung die Möglichkeit, die Energie in anderen energiewirtschaftlichen Sektoren zu nutzen. Somit kann zur Kopplung der verschiedenen Sektoren weiter beigetragen werden.

Wärmespeicher kommen für die Integration erneuerbarer Energien vor allem im Zusammenhang mit solarer Wärme für die Heizung und Warmwasserbereitung in Gebäuden sowie für industrielle Prozesse in Betracht. Hinzu kommt die Speicherung erneuerbaren Stroms aus Photovoltaik und Wind durch die Umwandlung von Strom in Wärme (Power-to-Heat). Thermische Energiespeicher lassen sich somit für die Verschiebung des Bedarfs an Wärme und Kälte einsetzen. Bei der Erzeugung elektrischer Energie können sie deren Gesamteffizienz steigern, etwa indem die Abwärme eines Blockheizkraftwerks gespeichert wird.

Nicht nur der Zustand der Gebäudehülle und verwendete Baumaterialien haben Einfluss auf die Energieeffizienz von Gebäuden und Quartieren. Neben konstruktiven Fragen und dem Verhalten der Nutzer bieten eine optimierte Betriebsführung und ein verbessertes Energiemanagement von Gebäudeenergiesystemen sowie Wärme- und Kältenetzen große Einsparpotenziale. Forschende arbeiten daran, moderne Methoden für eine optimierte Betriebsführung von Gebäuden und Quartieren zu entwickeln.

Der stetig wachsende Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien und stetig neuentwickelte Komponenten und Technologien stellen ständig neue Anforderungen an das Energiemanagement. Neben der Wärmeversorgung im Winter wächst zunehmend auch der Bedarf nach Kühlung im Sommer. In größeren Gebäude-komplexen und Quartieren kann allein durch regelungstechnische Optimierungsmaßnahmen eine hohe Energieeinsparung erreicht werden. Aktuelles Forschungsthema ist deshalb die Online-Betriebsüberwachung von komplexen Gebäuden und Liegenschaften - automatisiert und gekoppelt an die Gebäudeleittechnik. Dies hilft, Fehlfunktionen einzelner Technikkomponenten und Probleme in der Betriebsführung besser erkennen und beheben zu können.

Lastmanagement heißt Maßnahmen zu treffen, die den Energieverbrauch optimieren. Durch ein gezieltes Management des Energiebezugs von Gebäuden, Quartieren oder von Unternehmen lassen sich Lastspitzen reduzieren, Lastprofile harmonisieren und durch optimierte Auslastung auch der Leistungspreis reduzieren. Dazu werden intelligente Steuerungen und Regelungstechnik benötigt. Vorhersagemethoden können diesen Prozess unterstützen. Die Betrachtung eines gesamten Quartiers, das heißt, die Kopplung mehrerer Gebäude zu einem Verbund kann zusätzlich die Wirtschaftlichkeit solcher Konzepte erhöhen. Mit zunehmend sinkendem Gesamtenergiebedarf wird der Nutzereinfluss immer wichtiger, daher sind für die energetische Optimierung auch zunehmend komplexe Lastprofile nötig; auch hier bildet die Forschung eine wichtige Basis.

Im Gegensatz zur Wärmerückgewinnung wird bei der Abwärmenutzung die in einem Prozess anfallende Abwärme an andere Prozesse weitergeführt. Doch Wärme ist nicht gleich Wärme. Dabei geht es um die Frage: Wie und wo kann man Abwärme einsetzen, welche Temperaturniveaus sind nutzbar und wie sieht es mit der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) aus? Für die erfolgreiche Integration industrieller Abwärme steht eine große Bandbreite moderner Technologien zur Verfügung: Neben der direkten Einbindung in betriebliche Prozesse kann die Abwärme auf einem möglichst hohen Temperaturniveau in anderen Prozessen sowie zur Raumheizung oder Warmwasserbereitung genutzt werden. Zusätzlich ließe sich die Abwärme in andere Nutzenergieformen wie Kälte oder Strom umwandeln – mit bereits technisch ausgereiften und wirtschaftlichen Technologien wie Dampfprozessen und ORC-Anlagen. Die Forschung konzentriert sich somit weniger auf technologische Neuentwicklungen als auf die konzeptionelle Einbindung von Abwärmepotenzialen in die Versorgung von Stadtquartieren sowie die Gestaltung lokaler Abwärme-Verbundsysteme.

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