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<p>In zukünftigen Stadtquartieren wird zunehmend auf die gezielte Kombination verschiedener, nach Möglichkeit erneuerbarer Energiequellen gesetzt. Die daraus entstehenden Energieverbünde werden aber zunehmend komplexer. Diese zunehmende Komplexität resultiert dabei im Wesentlichen aus der Abhängigkeit der regenerativen Energiebereitstellung von nicht beeinflussbaren, variierenden Umweltweinflüssen wie Wind und Sonne, der zunehmenden Dezentralisierung und dem steigenden Effizienzdruck. Die derzeit eingesetzten steuerungs- und regelungstechnischen Methoden sind jedoch nicht in der Lage derartig komplexe Systeme effizient und zuverlässig zu betreiben. Für die Entwicklung geeigneter Regelungsstrategien zur Sicherstellung eines robusten und effizienten Betriebsverhaltens komplexer Energiesysteme von Stadtquartieren werden zeitlich und räumlich hochgradig aufgelöste instationäre Simulationsmodelle benötigt, welche aufgrund der hohen Systemkomplexität bisher nur in Ansätzen verfügbar sind. Des Weiteren fehlt ein systematischer Zugang für die Praxis und Richtlinien, wie bei einem neuen Projekt und den damit verbundenen Voraussetzungen eine übergeordnete Regelung entwickelt und real umgesetzt werden kann.</p>
<p><strong>Inhalte und Zielsetzungen</strong></p>
<p>Im Projekt ÖKO-OPT-QUART wurden mithilfe eines energietechnischen und eines ökonomischen Simulationsmodells vorausschauende übergeordnete Regelungsstrategien erarbeitet und anhand einer konkreten Beispielkonfiguration (aktuell in Planung befindliches Stadtquartier) simuliert. Damit ist es bereits im Vorfeld möglich die Investitions-, Errichtungs- und Betriebsführungsstrategie mit dem größten wirt­schaftlichen Nutzen zu identifizieren und zuverlässig zu bewerten. Ergänzend zu den methodischen Erkenntnissen wurde ein Sekundärnutzen generiert. Die Bewertung der Ent­wick­lungen anhand realer Randbedingungen ermöglichte die gezielte Nutzung der gewonnen Erkenntnisse für die Realentwicklung des in Planung befindlichen Stadtquartiers.</p>
<p><strong>Methodische Vorgehensweise</strong></p>
<p>Im Projekt wurden energietechnische, ökonomische sowie regelungstechnische Modelle für komplexe Energieverbünde in Stadtquartieren entwickelt und anschließend für eine beispielhafte Konfiguration zu einem Gesamtmodell verknüpft. Die energietechnische Modellierung bildet das thermische sowie das elektrotechnische Verhalten eines urbanen Energieverbundes detailliert und zeitlich hoch aufgelöst ab. Die ökonomische Modellierung ermöglicht eine kontinuierliche ökonomische Bewertung der Betriebsweise, indem der zeitliche Verlauf der entstehenden Kosten abgebildet und analysiert werden kann. Die regelungstechnischen Modelle beinhalten je nach Ausführung eine konventionelle, dem Stand der Technik entsprechende, Regelung oder eine im Projekt entwickelte vorausschauende, kostenoptimierende Regelung für die Betriebsführung komplexer Energieverbünde in Stadtquartieren. Damit ist es möglich die Effizienz beider Regelungsstrategien in umfassenden Simulationsstudien zu vergleichen. Als Entwicklungsgrundlage wurde ein in Planung stehendes Quartier herangezogen. Die Integration der verantwortlichen Planer und Investoren hat die Modellentwicklung auf ein praxisnahes Fundament gestellt.</p>
<p><strong>Ergebnisse und Schlussfolgerungen</strong></p>
<p>Ziel des Projekts war die Entwicklung detaillierter und hoch aufgelöster instationärer Simulationsmodelle. Darauf aufbauend folgte die Kopplung dieser Teilmodelle zu einem interdisziplinären Gesamtmodell mit dem verschiedene Regelungsstrategien für den Energieverbund einer Beispielkonfiguration simuliert werden konnte. Durch dieses Gesamtmodell war es erstmals möglich, den ökonomischen Nutzen von vorausschauenden Regelungen für die Betriebsweise von Energieverbünden realistisch beziffern zu können. Des Weiteren wurde eine Methodik zur systematischen Entwicklung vorausschauender, kostenoptimierender Regelungen für komplexe Energieverbünde erarbeitet. Diese Methodik trägt dazu bei, fortschrittliche Regelungen für eine Vielzahl verschiedener Energieverbünde auf Quartiersebene zu erstellen. In den durchgeführten Simulationsstudien hat sich gezeigt, dass vor allem Speicher nötig sind um das volle Potential von vorausschauenden, kostenoptimierenden Regelungen auszuschöpfen. Das erzielte Einsparungs­potential übersteigt die zusätzlich entstehenden Kosten (erhöhte Wartungs- und Installationskosten der Speicher) und somit zeigen die unter den angenommenen Randbedingungen durchgeführten Simulationsstudien eine mögliche Effizienzsteigerung (=Kostensenkung) des Gesamtsystems.</p>
<p><strong>Ausblick</strong></p>
<p>Eine kostengünstige Möglichkeit für die Speicherung von Energie ist die Nutzung von thermisch aktivierten Bauteilen. Ein möglicher nächster Schritt wäre daher die in diesem Projekt entwickelte modellprädiktive Regelung des Gesamtenergiesystems um die in der Gebäudestruktur wirkenden Regelungen – unter Berücksichtigung thermisch aktivierter Bauteile – zu ergänzen und zu einem umfassenden regelungstechnischen Gesamtkonzept zu vereinen. Somit könnte auf zusätzlich installierte thermische Speicher verzichtet werden was die Gesamtkosten des Systems weiter senken würde.</p>
<p>Projektvorstellung <a href="https://nachhaltigwirtschaften.at/de/sdz/projekte/oeko-opt-quart.php" target="_blank">Stadt der Zukunft</a></p>
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'content_en' => '<p><strong>Starting point/motivation</strong></p>
<p>In future city districts, the focus on a reasonable combination of different, where possible renewable energy sources is increasing. However, the resulting energy networks are getting more and more complex. This increase of complexity has its origin mainly due to the dependency of renewable energy production on non-controllable, varying environmental conditions (e.g. wind or sunlight), the increasing decentralization and the growing demand for efficiency. However, currently applied control methods are not yet capable of operating such complex systems reliably and efficiently. In order to develop suitable control strategies which would ensure a robust and efficient operating behavior, non-steady simulation models in high resolution (time and space) are required. Such models are currently only available to a limited extent due to the high complexity of the system. Furthermore, there is neither a practical, systematic approach nor are there any guidelines how to deal with a new project and its requirements in order to develop and implement a high-level control.</p>
<p><strong>Contents and objectives</strong></p>
<p>In the project ÖKO-OPT-QUART predictive, high-level control strategies were developed based on an energy-based and economic simulation model. These strategies were simulated for a concrete example configuration (a city district currently being planned). This approach allows for clearly identifying and reliably evaluating the investment-, installation- and operating mode strategy with the greatest economic benefit. In addition to the methodical findings, a secondary benefit was generated. The evaluation of the developments based on real boundary conditions, made it possible to directly integrate the acquired knowledge into the real development of the city district being planned.</p>
<p><strong>Methods</strong></p>
<p>In the project different models (energy-based, economic and control-oriented) for complex energy networks in city districts were developed and combined to an overall model for an exemplary configuration. The energy-based modelling describes both the thermal as well as the electro-technical behaviour of an urban energy network in a detailed way with a high resolution in time. The economic modelling allows a continuous economical evaluation of the operating mode, by providing the possibility to track and analyse the emerging costs. The control-oriented model either consist of a conventional control strategy or a predictive, cost-optimized control strategy for operating complex energy networks in city districts. This makes it possible to compare the efficiency of both control strategies by comprehensive simulation studies. The development of these models was based on a new city district, which is currently being planned. The integration of the responsible planners and investors in the modelling process ensured a high suitability for daily use of the models.</p>
<p><strong>Results</strong></p>
<p>The aim of the project was the development of detailed and highly resolved, non-steady simulation models. These partial models were then combined to an interdisciplinary overall model, which allowed the simulation of various control strategies for the energy networks of an example configuration. Due to this overall model, it was possible for the first time to realistically quantify the economic benefits of predictive control strategies for the operating mode of energy networks. Furthermore, a methodology for the systematic design of predictive, cost-optimized controls for complex energy networks was developed. This methodology is intended to help in the development of advanced control strategies for a multiplicity of different energy networks of the size of city districts. The simulation studies carried out showed that especially storage technologies are necessary in order to exploit the full potential of the predictive control strategy. The savings potential achieved exceeds the additional costs (increased maintenance and installation costs for the storage technologies) and thus an increase in efficiency (=cost reduction) of the overall system could be achieved.</p>
<p><strong>Prospects/Suggestions for future research</strong></p>
<p>A cost-effective way of storing energy is the use of thermally activated building systems. Therefore, a possible next step could be to extend the model predictive control of the overall energy network developed in this project with the control systems that are effective in the building structure - taking thermally activated building systems into account - and to combine them into a comprehensive overall control concept. This would eliminate the need for additionally installed thermal energy storages and thus further decrease the total costs of the system.</p>
<p><a href="https://nachhaltigwirtschaften.at/de/sdz/projekte/oeko-opt-quart.php" target="_blank">Stadt der Zukunft</a></p>
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<p>Stadt der Zukunft ist ein Forschungs- und Technologieprogramm des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie. Es wird im Auftrag des BMVIT von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft gemeinsam mit der Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mbH und der Österreichischen Gesellschaft für Umwelt und Technik ÖGUT abgewickelt.</p>
<p><a href="http://www.hausderzukunft.at" target="_blank">www.hausderzukunft.at</a></p>
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ÖKO-OPT-QUART: Ökonomisch optimiertes Regelungs- und Betriebsverhalten komplexer Energieverbünde zukünftiger Stadtquartiere
Ausgangssituation/Motivation
In zukünftigen Stadtquartieren wird zunehmend auf die gezielte Kombination verschiedener, nach Möglichkeit erneuerbarer Energiequellen gesetzt. Die daraus entstehenden Energieverbünde werden aber zunehmend komplexer. Diese zunehmende Komplexität resultiert dabei im Wesentlichen aus der Abhängigkeit der regenerativen Energiebereitstellung von nicht beeinflussbaren, variierenden Umweltweinflüssen wie Wind und Sonne, der zunehmenden Dezentralisierung und dem steigenden Effizienzdruck. Die derzeit eingesetzten steuerungs- und regelungstechnischen Methoden sind jedoch nicht in der Lage derartig komplexe Systeme effizient und zuverlässig zu betreiben. Für die Entwicklung geeigneter Regelungsstrategien zur Sicherstellung eines robusten und effizienten Betriebsverhaltens komplexer Energiesysteme von Stadtquartieren werden zeitlich und räumlich hochgradig aufgelöste instationäre Simulationsmodelle benötigt, welche aufgrund der hohen Systemkomplexität bisher nur in Ansätzen verfügbar sind. Des Weiteren fehlt ein systematischer Zugang für die Praxis und Richtlinien, wie bei einem neuen Projekt und den damit verbundenen Voraussetzungen eine übergeordnete Regelung entwickelt und real umgesetzt werden kann.
Inhalte und Zielsetzungen
Im Projekt ÖKO-OPT-QUART wurden mithilfe eines energietechnischen und eines ökonomischen Simulationsmodells vorausschauende übergeordnete Regelungsstrategien erarbeitet und anhand einer konkreten Beispielkonfiguration (aktuell in Planung befindliches Stadtquartier) simuliert. Damit ist es bereits im Vorfeld möglich die Investitions-, Errichtungs- und Betriebsführungsstrategie mit dem größten wirtschaftlichen Nutzen zu identifizieren und zuverlässig zu bewerten. Ergänzend zu den methodischen Erkenntnissen wurde ein Sekundärnutzen generiert. Die Bewertung der Entwicklungen anhand realer Randbedingungen ermöglichte die gezielte Nutzung der gewonnen Erkenntnisse für die Realentwicklung des in Planung befindlichen Stadtquartiers.
Methodische Vorgehensweise
Im Projekt wurden energietechnische, ökonomische sowie regelungstechnische Modelle für komplexe Energieverbünde in Stadtquartieren entwickelt und anschließend für eine beispielhafte Konfiguration zu einem Gesamtmodell verknüpft. Die energietechnische Modellierung bildet das thermische sowie das elektrotechnische Verhalten eines urbanen Energieverbundes detailliert und zeitlich hoch aufgelöst ab. Die ökonomische Modellierung ermöglicht eine kontinuierliche ökonomische Bewertung der Betriebsweise, indem der zeitliche Verlauf der entstehenden Kosten abgebildet und analysiert werden kann. Die regelungstechnischen Modelle beinhalten je nach Ausführung eine konventionelle, dem Stand der Technik entsprechende, Regelung oder eine im Projekt entwickelte vorausschauende, kostenoptimierende Regelung für die Betriebsführung komplexer Energieverbünde in Stadtquartieren. Damit ist es möglich die Effizienz beider Regelungsstrategien in umfassenden Simulationsstudien zu vergleichen. Als Entwicklungsgrundlage wurde ein in Planung stehendes Quartier herangezogen. Die Integration der verantwortlichen Planer und Investoren hat die Modellentwicklung auf ein praxisnahes Fundament gestellt.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Ziel des Projekts war die Entwicklung detaillierter und hoch aufgelöster instationärer Simulationsmodelle. Darauf aufbauend folgte die Kopplung dieser Teilmodelle zu einem interdisziplinären Gesamtmodell mit dem verschiedene Regelungsstrategien für den Energieverbund einer Beispielkonfiguration simuliert werden konnte. Durch dieses Gesamtmodell war es erstmals möglich, den ökonomischen Nutzen von vorausschauenden Regelungen für die Betriebsweise von Energieverbünden realistisch beziffern zu können. Des Weiteren wurde eine Methodik zur systematischen Entwicklung vorausschauender, kostenoptimierender Regelungen für komplexe Energieverbünde erarbeitet. Diese Methodik trägt dazu bei, fortschrittliche Regelungen für eine Vielzahl verschiedener Energieverbünde auf Quartiersebene zu erstellen. In den durchgeführten Simulationsstudien hat sich gezeigt, dass vor allem Speicher nötig sind um das volle Potential von vorausschauenden, kostenoptimierenden Regelungen auszuschöpfen. Das erzielte Einsparungspotential übersteigt die zusätzlich entstehenden Kosten (erhöhte Wartungs- und Installationskosten der Speicher) und somit zeigen die unter den angenommenen Randbedingungen durchgeführten Simulationsstudien eine mögliche Effizienzsteigerung (=Kostensenkung) des Gesamtsystems.
Ausblick
Eine kostengünstige Möglichkeit für die Speicherung von Energie ist die Nutzung von thermisch aktivierten Bauteilen. Ein möglicher nächster Schritt wäre daher die in diesem Projekt entwickelte modellprädiktive Regelung des Gesamtenergiesystems um die in der Gebäudestruktur wirkenden Regelungen – unter Berücksichtigung thermisch aktivierter Bauteile – zu ergänzen und zu einem umfassenden regelungstechnischen Gesamtkonzept zu vereinen. Somit könnte auf zusätzlich installierte thermische Speicher verzichtet werden was die Gesamtkosten des Systems weiter senken würde.
Projektvorstellung Stadt der Zukunft
Projektvolumen
EUR 741.679,-
Projektlaufzeit
2017-02-01 - 2019-01-31
Finanzierung
FFG (3. Ausschreibung Stadt der Zukunft) Stadt der Zukunft ist ein Forschungs- und Technologieprogramm des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie. Es wird im Auftrag des BMVIT von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft gemeinsam mit der Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mbH und der Österreichischen Gesellschaft für Umwelt und Technik ÖGUT abgewickelt. 
Projektpartner
Ansprechperson
Daniel MUSCHICK
daniel.muschick@best-research.eu
Area Management
Markus GÖLLES
markus.goelles@best-research.eu