Heizung und Warmwasser
Quelle: Pia Grund-Ludwig

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Smartes Quartier

Algorithmen sorgen für wirtschaftliche CO2-Senkung

Hier entsteht ein smartes Quartier. © Google Earth, Map data: Google, GeoBasis-DE/BKG

Im Projekt „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ übernimmt ein System aus Wärmepumpen, Photovoltaik und Blockheizkraftwerken die Energieversorgung von Bestands-Mehrfamilienhäusern. Gesteuert wird dieses mithilfe von Künstlicher Intelligenz. So sollen sich die CO2-Emissionen um die Hälfte reduzieren lassen.

Wirtschaftlichkeit und CO2-Reduzierung – das sind die beiden Kriterien, die im Projekt „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ die Richtung vorgeben. Ein innovative Energieversorgungskonzept für ein Mehrfamilien-Bestandsgebäude soll beides miteinander verbinden. Dabei wird die bisherige konventionelle Versorgung durch ein neues Energiesystem aus Wärmepumpen, Photovoltaik und Blockheizkraftwerken (BHKW) ersetzt.

Bauträger in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt sind die Wohnungsbaugesellschaft Volkswohnung und die Stadtwerke Karlsruhe. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und das Institut für Nachhaltige Technische Systeme INA-TECH der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg waren an der Konzeptentwicklung beteiligen und begleiten das Projekt wissenschaftlich.

Der Gebäudekomplex umfasst 175 Wohnungen und beherbergt rund 350 Menschen, die jährlich etwa 350 Megawattstunden Strom und 1.200 Megawattstunden Wärme verbrauchen. Zu dem neuen Energiekonzept zählen PV-Anlagen, die auf den Dächern aller Gebäude installiert werden. Drei der Häuser sind mit einer Nahwärmeleitung verbunden, in die zwei Erdgas-BHKW-Aggregate Wärme einspeisen. Zwei Gebäude werden durch dezentrale Wärmepumpenanlagen versorgt: eine Mehrquellen-Großwärmepumpe (Außenluft, Erdwärmesonden) und eine Wärmepumpenanlage mit photovoltaisch-thermischen Kollektoren.

Laut Fraunhofer ISE werden Wärmepumpen bisher in Bestands-Mehrfamilienhäusern nur selten verwendet. Die Integration in solche Gebäude sei technisch anspruchsvoll bezüglich Temperaturniveau, Verfügbarkeit von Wärmequellen und Versorgung mit erneuerbarem Strom.

Das Projekt trägt das Attribut „Smart“, weil die fünf Gebäude miteinander vernetzt sind und ein zentrales Energiemanagement die Wärmeerzeuger steuert – mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI). Diese kommt bei der Fehlerkennung zum Einsatz. Heißt konkret: Mithilfe entsprechender Algorithmen erkennt das System, wann es Abweichungen vom Normalbetrieb gibt und meldet dies. Als selbstlernendes System wird es im Laufe der Zeit immer besser in der Lage sein zu erkennen, wann etwas nicht nach Plan läuft.

Zudem unterstützt KI die Betriebsoptimierung. So lassen sich zum Beispiel auf der Basis von Wettervorhersagen und mithilfe von KI-Methoden die Energielasten prognostizieren. Mit diesem Wissen kann dann der Einsatz der BHKWs und der Wärmepumpen optimal gesteuert werden. „Die BHKWs sollen dann in Betrieb sein, wenn wir Strombedarf haben – beziehungsweise wenn die Einspeisebedingungen gut sind“, erläutert Manuel Lämmle, der als Experte für Gebäudesystemtechnik auf Seiten des Fraunhofer ISE in das Projekt involviert ist. Für die Wärmepumpe bedeutet ein optimierter Betrieb: Sie soll dann laufen, wenn die Photovoltaik-Anlage oder die BHKWs Strom produzieren.

Um das Konzept auf die vorhandenen Gegebenheiten zuzuschneiden, führte das Fraunhofer ISE Simulationen durch. „Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die intelligente Integration aller drei Technologien eine CO₂-Einsparung von über 50 Prozent gegenüber dem jetzigen Stand und zugleich eine hohe Wirtschaftlichkeit für den Betreiber erwarten lassen“, sagt Lämmle. Die Einsparungen kommen vor allem aufgrund der Stromerzeugung durch die PV-Anlagen und die BHKWs zustande. „Wir werden circa zwei Drittel des benötigten Stroms im Quartier selbst produzieren“, so Lämmle. „Gleichzeitig wird auch Strom zurück ins Netz gespeist. So lässt sich dann auch die CO2-Bilanz verbessern.“

Eines der Ziele des Projekts ist es, die Erkenntnisse auch auf andere Komplexe von Mehrfamilienbestandsgebäuden  zu übertragen. „Wir wollen ein Energiekonzept mit smarter Integration von PV, Wärmepumpen und BHKWs erstellen, das sich auch skalieren und übertragen lässt“, sagt Lämmle.

„Für Wohnungsgesellschaften sei bei optimaler Auslegung ein wirtschaftlicher Betrieb im Rahmen eines Contracting-Modells möglich“, ergänzt Volkswohnung-Geschäftsführer Stefan Storz.

Olaf Heil, Technischer Geschäftsführer der Stadtwerke Karlsruhe erhofft sich einen Dominoeffekt, der im Ganzen gesehen ein beträchtlicher Baustein zur Erreichung der Energiewende sein könne. „Unser Ziel ist es zu zeigen, dass ein solch komplexes dezentrales Energiesystem nicht nur technisch robust ist, sondern auch wirtschaftlich betrieben werden kann.“

Zur Wirtschaftlichkeit trägt auch bei, dass sich die baulichen Veränderungen in den Wohnungen in Grenzen halten. „Wir nehmen kaum Änderungen in den Gebäuden selbst vor, sondern gehen im Prinzip nur in den Keller hinein“, erklärt Lämmle. Zwar müssen einige Heizkörper ausgetauscht werden, die auf den Betrieb mit Wärmepumpen nicht ausgelegt sind. Das betrifft laut Lämmle aber nur 10 Prozent aller vorhandenen Heizkörper. Die geringen baulichen Veränderungen seien eine Anforderung der Wohnungsbaugesellschaften gewesen, berichtet Lämmle.

Die Gebäude im smarten Quartier Karlsruhe-Durlach wurden vor 25 Jahren bereits relativ gut gedämmt. „Dadurch haben sie einen spezifischen Wärmebedarf von 55 kWh/m² pro Jahr“, sagt Lämmle. „Der Wärmebedarf ungedämmter Gebäude liegt dagegen häufig über 100 kWh/m² pro Jahr.“

Die baulichen Maßnahmen sollen nach jetzigem Stand im März 2021 vollständig abgeschlossen sein. Bisher lägen die Sanierungskosten noch nicht endgültig fest, so Lämmle. Aber das gesamte Konzept sei so konzipiert, dass es über die Gesamtlebensdauer wirtschaftlich ist. „Es sollen keine Kosten via Mieterhöhungen an die Mieter weitergegeben werden“, sagt Lämmle. „Wir zielen darauf ab, dass sich die Wärmekosten nur geringfügig vom jetzigen Stand unterscheiden.“

Markus Strehlitz

 

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