Mithilfe von KI-Algorithmen Primärenergieverbrauch alter Gebäude senken

Neues Energieversorgungskonzept des »Smarten Quartier Durlach« mit Photovoltaik, zwei Wärmepumpen und einem BHKW mit Nahwärmeleitung.
Neues Energieversorgungskonzept des »Smarten Quartier Durlach« mit Photovoltaik, zwei Wärmepumpen und einem BHKW mit Nahwärmeleitung.

Den Primärenergieverbrauch alter Wohngebäude zu senken, ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Ein Einsatz moderner Techniken ist dabei wesentlich. In Karlsruhe wurde nun ein Pilotvorhaben gestartet.

In Deutschland entfallen auf Gebäude knapp 40 Prozent des Endenergiebedarfs und rund ein Drittel der gesamten CO2-Emissionen. Ein Grund, weshalb das Sanieren von Bestandsgebäuden einen wichtigen Baustein der Energiewende darstellt. Hinzu kommt, dass rund 64 Prozent aller Wohngebäude in Deutschland vor 1979 erbaut wurden. Ein solches Wohnhaus verbraucht etwa 200 kWh Primärenergie pro m2 jährlich. Zum Vergleich: Ein modernes Wohngebäude bezieht lediglich rund 40 kWh. (Quelle: BMWi)

Ein erstes Projekt zum Senken des Primärenergiebedarfs alter Gebäude, entsteht in Karlsruhe-Durlach. Hier wollen mehrere Projektpartner um das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE fünf Mehrfamilienhäuser mit 175 Wohnungen sanieren. Künftig soll eine Kombination aus Wärmepumpen, Photovoltaik (PV)-Anlagen sowie ein Erdgas-Blockheizkraftwerk (BHKW) die alte, konventionelle Versorgung ersetzen. Ein intelligentes Energiemanagement mit einer KI-basierten Fehlererkennung soll die Versorgungsanlage effizienter machen. Als Ziel wurde ein Halbieren des Primärenergieverbrauchs und der damit verbundenen CO2-Emissionen ausgegeben.

Wärmepumpen und PV-Strom

In dem vom BMWi geförderten Projekt bauen die Volkswohnung GmbH und die Stadtwerke Karlsruhe eine dezentrale und solare Energieversorgung für den Gebäudekomplex in Karlsruhe-Durlach auf. Unterstützt und begleitet wird das Vorhaben vom Fraunhofer ISE und der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Aktuell werden die fünf Mehrfamilienhäuser aus dem Jahr 1963 (Grundfläche: 11.600 m², Strombedarf/Jahr: 350 MWh, Wärmebedarf/Jahr: 1200 MWh) über Erdgaskessel und Strom aus dem Netz versorgt.

Die Projektpartner wollen bewährte Technologien kombinieren. So werden auf den Dächern aller Gebäude PV-Anlagen installiert, drei der Gebäude sind mit einer Nahwärmeleitung verbunden, in die zwei Erdgas-BHKW-Aggregate Wärme einspeisen. Außerdem sollen mehrere Gebäude Energie austauschen und auf einer übergreifenden Betriebsführung und Regelung basieren. Die Wärmeversorgung zweier weiterer Gebäude sichert eine Mehrquellen-Großwärmepumpe (Außenluft, Erdwärmesonden) sowie eine Wärmepumpenanlage mit photovoltaisch-thermischen Kollektoren.

Algorithmen optimieren Betrieb

Um das Konzept zu erstellen, wurde das Quartier mit allen Erzeugern und Verbrauchern vom Fraunhofer ISE simuliert und das Versorgungskonzept optimiert. So können CO₂-Emissionen minimiert und gleichzeitig die für die Mieter erforderliche Wirtschaftlichkeit erzielt werden. Erreicht wird das mit einem intelligenten Energiemanagement. Es steuert die Wärmepumpen und den BHKW-Betrieb so, dass die Wärmepumpen bevorzugt mit selbst erzeugtem PV- oder BHKW-Strom betrieben werden. Ebenso kommen Algorithmen der künstliche Intelligenz zum Einsatz: Zur Betriebsoptimierung entwickeln und erproben die Forscher Fehlererkennungsalgorithmen auf Basis aktueller KI-Methoden.

Vorbild für Folgeprojekte

Das Institut INATECH der Uni Freiburg und das Fraunhofer ISE installieren im Rahmen des Projekts ein Monitoring-System und werten die erhobenen Messdaten über drei Betriebsjahre hinweg aus. Unter anderem soll dies wissenschaftliche Fragestellungen zur energetischen Performance des Energiekonzepts beantworten. Zum Überprüfen des Energiekonzeptes erstellen die Forscher Vorher/Nachher- sowie Soll/Ist-Vergleiche und Energiebilanzen. Außerdem soll nach der Monitoring-Phase ein optimiertes Regelungskonzept verfügbar sein, das der Betreiber anschließend weiterführt.

»Das genaue Messen und Dokumentieren der Einsparungen, die wir mit dem neuen Energiekonzept erzielen, soll möglichst viele weitere Unternehmen der Wohnungswirtschaft bei der Entscheidung unterstützen, ebenfalls in ambitionierte, klimafreundliche Versorgungskonzepte zu investieren«, erklärt Dr. Stefan Hess, Forschungsgruppenleiter am INATECH.