Der Klimawandel gehört zu den größten Krisen der Menschheit im 21. Jahrhundert. Es handelt sich dabei um eine komplexe Herausforderung, die Auswirkungen auf alle Ebenen der Gesellschaft hat, von der persönlichen bis zur internationalen Ebene. Nur wenn alle Teile der Weltgemeinschaft an einem Strang ziehen, wird es möglich sein, die im Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 vereinbarte Begrenzung der Klimaerwärmung auf 1.5 °C gegenüber vorindustrieller Zeit zu erreichen. Einen wichtigen Beitrag dazu müssen die lokalen Ebenen der Stadt bzw. des Quartiers liefern, die aufgrund der weltweit fortschreitenden Urbanisierung immer wichtiger werden. Innerhalb des Quartiers hat der Energiebedarf der Gebäude großen Einfluss auf die CO2-Emissionen.

Eine zentralisierte Versorgung mit thermischer Energie via Fernwärme und Fernkälte ermöglicht eine hocheffiziente Energiebereitstellung über Kraft-Wärme- bzw. Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung sowie die Einbindung lokal vorhandener Abwärmequellen aus Industriebetrieben oder Rechenzentren. Mittels kosteneffizienten thermischen Speichern können Erzeugung und Bedarf voneinander entkoppelt und Laufzeiten von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen verlängert werden. Außerdem können fluktierend zur Verfügung stehende regenerative Quellen wie solarthermische Energie effizienter genutzt werden.

Grundlage dieser Arbeit bildet ein dynamisches Simulationsmodell des Energiesystems des Campus Lichtwiese der Technischen Universität Darmstadt, das die Erzeugungsanlagen, die thermischen Netze sowie die Gebäude als Verbraucher darstellt und miteinander verbindet. Aufbauend auf Zeitreihen des aktuellen bzw. des zukünftigen Energiebedarfs an Wärme, Kälte und elektrischer Energie können damit sowohl die Netzverluste und die Energieerzeugung des Gesamtsystems, als auch die resultierenden CO2-Emissionen und Kosten berechnet werden. Durch einen Vergleich verschiedener Szenarien im Rahmen von Jahressimulationen wird anhand des Campus Lichtwiese aufgezeigt, wie bestehende Energiesysteme auf Quartiersebene auf eine lokale Energiewende vorbereitet werden können. Forschungsschwerpunkte bilden die Optimierung der Auslegung und des Betriebs bestehender Energiesysteme mit Fernwärmenetzen der 3. Generation, die Absenkung der Temperaturen zur Überführung der Netze in die 4. Generation der Fernwärme, sowie die Integration von Rechenzentrumsabwärme. Alle vorgeschlagenen Maßnahmen werden energetisch, ökologisch und wirtschaftlich mit dem Ist-Zustand des Systems verglichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Energiesystem der TU Darmstadt für den aktuellen Bedarf gut ausgelegt ist und betrieben wird, dass aber gleichzeitig großes Potential zur Verringerung der Temperaturen und Energiebedarfe durch Maßnahmen innerhalb der Gebäude besteht. Außerdem kann gezeigt werden, dass eine Einbindung von Rechenzentrumsabwärme in eine Fernwärmeversorgung öologisch sinnvoll ist, sogar ohne dass vorher die Netztemperaturen abgesenkt werden. Durch eine Umsetzung der entwickelten Maßnahmen können die CO2-Emissionen des Quartiers reduziert werden. Wichtiger ist allerdings, dass die Maßnahmen die Voraussetzung schaffen, um die Energieversorgung am Campus, insbesondere in Bezug auf Wärme und Kälte, mittelfristig auf erneuerbare Quellen umzustellen. Die am Beispiel des Campus Lichtwiese entwickelten Maßnahmen lassen sich auch auf andere Quartiere übertragen. Entscheidend dafür ist ein umfangreiches Energiemonitoring, das dem Betreiber ein gutes Verständnis seines Systems ermöglicht und es erlaubt, Fehler mit geringem Aufwand zu identifizieren und die entsprechenden Maßnahmen einzuleiten.