Maßgeschneiderte Energiekonzepte für urbane Quartiere

Im Auftrag und begleitet durch die Mainzer Stadtwerke Energie und Service GmbH hat Fraunhofer UMSICHT für eine Miteigentümergemeinschaft maßgeschneiderte Energiekonzepte entwickelt, die Technik, Betrieb und Wirtschaftlichkeit des Quartiers ganzheitlich berücksichtigen. Ausgangspunkt war die strukturierte Aufnahme der Anforderungen und Ziele der Eigentümergemeinschaft. Auf dieser Basis wurden die bestehende Wärme- und Stromversorgung analysiert sowie lokale Potenziale für erneuerbare Energien und Speicher identifiziert.

Im nächsten Schritt entstanden zukunftsfähige Versorgungskonzepte, die qualitativ und über ESyOpT®/oemof.solph simulativ bewertet wurden. Die Ergebnisse zeigen konkrete technische und organisatorische Handlungsoptionen für das Quartier auf. Das Vorgehen umfasste Workshops, Datenaufbereitung, Potenzialanalyse und modellbasierte Simulationen. Dadurch ergab sich eine klar strukturierte Grundlage für den weiteren Entwicklungsprozess.

Vorgehen und Methodik

• Vor-Ort-Workshop: Ziele, Anforderungen und Rahmenbedingungen klären; Quartiersbegehung
• Datenaufbereitung und Potenzialanalyse: Sichtung und Ergänzung vorhandener Daten; Identifikation erneuerbarer Potenziale und Speicheroptionen
• Konzeptworkshop: Diskussion relevanter Technologien und möglicher Kombinationen
• Konzepterstellung und Bewertung: Ausarbeitung von Basiskonzepten und Varianten; qualitative Bewertung entlang der priorisierten Kriterien
• Ergebnisworkshop: Zusammenführung der Erkenntnisse und Ableitung von Handlungsoptionen
• Simulative Konzeptbewertung: Modellgestützte (ESyOpT®/oemof.solph) transparenten Gegenüberstellung der Konzepte.

Die Weiterentwicklung urbaner und lokaler Energieversorgungssysteme stellt Eigentümergemeinschaften vor komplexe Entscheidungen: steigende Anforderungen an Klimaschutz und Effizienz, neue technische Optionen und wachsende Erwartungen an Kostensicherheit und Versorgungssicherheit. Das Projektteam adressierte diese Herausforderungen, indem es eine neutrale und belastbare Entscheidungsgrundlage für das Quartier bereitstellte.

Die entwickelten Konzepte schaffen Klarheit über mögliche Transformationspfade, ihre Emissionswirkungen und ihre wirtschaftlichen Konsequenzen. Sie zeigen praktikable Wege zur Erfüllung gesetzlicher Anforderungen im Wärmebereich und erleichtern die Abstimmung innerhalb der Gemeinschaft. Das Projekt zeichnete sich durch die Kombination aus moderierter Zielklärung, fundierter Datenanalyse, Potenzialermittlung und modellbasierter Bewertung aus. Damit entstand ein systemischer Blick auf Technik, Betrieb und Organisation – übertragbar auf ähnliche Quartiere.

Die Bewertung der bestehenden Wärme- und Stromversorgung sowie mehrerer technischer Optionen zeigt unterschiedliche Transformationspfade für das Quartier auf. Die Varianten unterscheiden sich hinsichtlich erneuerbarer Anteile, Versorgungssicherheit, Komplexität und Abhängigkeit von fossilen Energieträgern. Ergänzend wurden Potenziale für Photovoltaik, Solarthermie, Speicher und E‑Mobilität analysiert sowie Effizienzthemen im Bestand identifiziert. Insgesamt zeigt die Analyse ein umfassendes Bild der technischen Möglichkeiten und ihrer jeweiligen betrieblichen Konsequenzen.

Bewertete Versorgungskonzepte

• Referenzsystem (fossile Wärmeerzeugung): Versorgung durch BHKW und Gaskessel, jedoch erdgasabhängig und mit erhöhtem Wartungsaufwand; Konkurrenz von Kraftwärmekopplung als Grundlasterzeugung für Trinkwarmwasserbedarfe und PV-Ertrag im Sommer
• BHKW und Wärmepumpe: gute Treibhausgasbilanz und hohe Versorgungssicherheit durch zwei Grundlasterzeuger; Investitionen und Schallemissionen beachten; Wärmespeicher zentraler Bestandteil
• Wärmepumpe und Gaskessel: klare Aufteilung in Grund- und Spitzenlast, hohe Betriebssicherheit; Gaspreisrisiken bestehen; Auslegung von Wärmepumpe und Speicher entscheidend
• Wärmepumpe und Elektrokessel: vollständige Unabhängigkeit von Gas; sehr geringe Emissionen bei Ökostrom; hoher Strombedarf bei hohen Vorlauftemperaturen; Elektrokessel als Spitzenlastversorger geeignet
• Solarthermie als Ergänzung: erhöht den Anteil erneuerbarer Wärme und entlastet die Wärmepumpe; steigert jedoch Systemkomplexität und Anforderungen an Regelung und Wartung; Flächenkonkurrenz Photovoltaik und Solarthermie
• E‑Mobilität als Ergänzung: ermöglicht höhere Nutzung des Photovoltaik-Stroms und senkt verkehrsbedingte Emissionen; erfordert geeignetes Lademanagement und Beachtung winterlicher Netzbelastungen

Erkenntnisse aus der Bestandsanalyse

• Im Bestandssystem treten deutliche Verluste in Erzeugung, Speicherung und Verteilung auf, insbesondere durch die zentrale Warmwasserbereitstellung.
• Eine dezentrale Warmwasserbereitung (Frischwasserstationen oder elektrische Lösungen) kann diese Verluste verringern und den Gesamtwirkungsgrad verbessern.

• Miteigentümergemeinschaft in Mainz
• Mainzer Stadtwerke Energie und Service GmbH