Der digitale Energie-Zwilling als Simulationswerkzeug zur ökologischeren und ökonomischeren Energieversorgung misst Energie- oder Materialströme (Strom, Wärme, Wasser) von Gebäuden oder Quartieren und bildet sie in einem digitalen Modell nach. Die räumliche Darstellung dieser Daten schafft neue Erkenntnisse zum Energieverbrauch und eine Bewertungsbasis lokaler Einsparpotentiale.
Herausforderung
Bislang konnten eine starre, fossilbetriebene und kontinuierliche Energieerzeugung sowie die vorhandene Netzinfrastruktur den Energiebedürfnissen gerecht werden. Nach diesem Prinzip werden an zentralen Punkten Strom und Wärme erzeugt bzw. eingespeist und an anderen Stellen von den Verbrauchern abgenommen. Erneuerbare Energiequellen, die künftig den Großteil der Energieversorgung leisten werden, fluktuieren dagegen deutlich stärker und können nicht alle in der Produktion bedarfsweise hoch- bzw. heruntergefahren werden. Ihre Integration in das Energienetz funktioniert bislang, da bei der Versorgung stets auf die kontrollierbaren, fossilen Erzeugungsanlagen zurückgegriffen werden kann.
Mit dem Ziel unseren Energiebedarf künftig vollständig durch erneuerbare Energien zu decken, wird unser Energiesystem jedoch zunehmend dezentraler, mehrteiliger und komplexer. Verlässlichkeit im Betrieb und Wirtschaftlichkeit im Umbauprozess lassen sich nur gewährleisten, wenn ein dezidiertes Verständnis des Energiesystems vorhanden ist und die notwendigen Maßnahmen passgenau geplant werden.
Lösung
Ein digitaler Energie-Zwilling schafft ein genaues Verständnis von Energie- oder Materialflüssen (Strom, Wärme, Wasser, u. a.), ihren Veränderungen und Zusammenhängen der Energiesystemkomponenten. Durch die anschauliche Darstellung abstrakter Informationen als digitales und ggf. dreidimensionales Modell der energetischen Geschehnisse eines Wohnblocks oder Quartiers lassen sich erhöhte Verbräuche und damit energetische Einsparpotentiale erkennen, verorten und langfristig mittels geeigneter Maßnahmen planen und ausschöpfen.
Vorgehen
Der Aufbau eines digitalen Energie-Zwillings erfordert eine umfassende, strategische Herangehensweise. In einem ersten Schritt wurde zunächst die Datenverfügbarkeit im bzw. für das Stadtgebiet untersucht. Weil aus einem Vorprojekt umfangreiche Messtechnik und Daten für das wohngenossenschaftliche Quartier „Margaretenau“ verfügbar waren, wurde mit dem Projekt hier angesetzt. Der Einsatz verschiedener Messtechnologien und Untersuchungsansätze sollte dabei einen Weg aufzeigen, ein möglichst breites Verständnis der energetischen Realität eines Raums (z.B. Block, Blockgruppe, Stadtviertel) zu schaffen.
Basierend auf unterschiedlichen Datenquellen wurde eine technische Möglichkeit erarbeitet, die Daten in einem prototypischen Tool zusammenzuführen. Außerdem wurden fundierte Wege für die Visualisierung erarbeitet. Dabei wurden Messwerte mit einem dreidimensionalen, dynamischen Gebäudemodell zusammengeführt, in dem umfangreiche Gebäudeinformationen hinterlegt sind (z.B. Flächen, Volumen, Baujahr, Sanierungs-zustand, Gebäudehülle, usw.). Im Zuge des Projekts wurden außerdem (datenschutz-)rechtliche Aspekte des Vorhabens in jedem einzelnen Projektschritt mituntersucht.
Eines der zentralen Ergebnisse des Projekts ist der technische Prototyp eines digitalen Energie-Zwillings sowie ein wissenschaftlich fundiertes methodisches Konzept. Somit wurden wichtige technische, aber auch organisatorische und rechtliche Grundlagen für das System erforscht, entwickelt und getestet.
Mit den verschiedenen Funktionalitäten und Anwendungen von Verbrauchs- und Produktionsmonitoring von Energie bis zur Modellierung von Bestandssanierungen ist es möglich in der weiteren Entwicklung den Fokus auf die Funktionen zu legen, die priorisiert werden müssen. Zudem wurde in der Phase A eine erste rechtliche Einschätzung vorgenommen, die sich mit der Generierung und Nutzung von vorhandenen und potentiellen Datenbeständen beschäftigt hat.
Wie geht es weiter?
Der digitale Energie-Zwilling wird in der Phase B im Projekt Zirkuläres Handeln | Energiekreislauf weitergeführt und soll ein skalier- und replizierbares Modell für die Übertragung auf weitere Quartiere oder die Gesamtstadt erreichen. Der Energieverbrauch oder das Energiemanagement können dadurch an vielen Stellen wirtschaftlicher und ökologischer werden.
Die nächsten Schritte dafür liegen in der strategischen und technischen Weiterentwicklung von Anwendungsfällen im Prototypen. In naher Zukunft soll zudem eine weiterführende rechtliche Beratung zu den Anwendungsfällen eingeholt werden, auf die sich in Phase B fokussiert werden soll.
