Ein innovativer Tech-Stack für die Wärmenetzplanung in Lissabon

Während Städte weltweit mit Hochdruck daran arbeiten, ihre ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen, bringt die Komplexität der urbanen Wärmewende herkömmliche Planungsmethoden an ihre Grenzen. Da der Gebäudesektor für einen massiven Anteil der globalen CO2-Emissionen verantwortlich ist, war der Bedarf an agiler, datengesteuerter Software für Wärmenetzplanung noch nie so hoch wie heute.

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Frontiers in Sustainable Cities veröffentlichte, preisgekrönte Fallstudie aus dem Lissaboner Stadtteil Vale de Santo António verdeutlicht einen Paradigmenwechsel bei der Konzeption urbaner Energieinfrastrukturen. Durch den Einsatz eines kollaborativen, mehrschichtigen Software-Stacks ist es Forschenden und städtischen Akteuren gelungen, ein Energieprojekt auf der grünen Wiese zu modellieren, das wirtschaftliche Rentabilität mit langfristiger Klimaneutralität in Einklang bringt.

Hier geben wir Ihnen einen exklusiven Einblick, wie diese integrierte Methodik neue Maßstäbe für die moderne Energieplanung setzt.

Sektorübergreifende Zusammenarbeit für urbane Innovation

Das Projekt Vale de Santo António besticht nicht nur durch seine technische Präzision, sondern vor allem durch sein starkes kollaboratives Fundament. Die Forschungsarbeit brachte führende Köpfe aus Wissenschaft und Stadtverwaltung zusammen: In einer gemeinsamen Anstrengung arbeiteten Forschende der ETH Zürich, der EPFL und der Technischen Universität Lissabon (Instituto Superior Técnico) Hand in Hand mit den Planungsverantwortlichen der Stadtverwaltung von Lissabon (Câmara Municipal de Lisboa).

Dieser intensive Austausch zwischen akademischer Forschung und städtischer Energieplanung stellte sicher, dass die resultierenden Energiemodelle nicht nur theoretisch fundiert sind, sondern sich auch nahtlos auf die reale Praxis einer wachsenden europäischen Metropole übertragen lassen.

Der ultimative Tech-Stack: Software für Wärmenetzplanung

Um den Mangel an vorhandenen Gebäudedaten zu überwinden und komplexe Eingriffsszenarien präzise zu simulieren, entwickelte das Projektteam ein neuartiges, sequenzielles Framework, das drei sich ergänzende Plattformen integriert:

1. Urbio: Verwandelt statische Daten in umsetzbare Infrastrukturkonzepte. Als „Single Point of Truth“ zentralisiert die Plattform sämtliche Daten in einem einheitlichen digitalen Zwilling und generiert darauf aufbauend optimierte Szenarien für die Energieinfrastruktur zur Versorgung des Quartiers.

2. City Energy Analyst (CEA): Dient der Simulation von Energiedienstleistungen auf Quartiersebene. Das Tool berechnet den Bedarf an Heizung, Kühlung, Trinkwarmwasser und Strom (einschließlich zukünftiger Ladelasten für die E-Mobilität).

3. QGIS: Wird genutzt, um die umfassende Gebäudedatenbank zu definieren und Konstruktionslösungen, Gebäudenutzungen sowie Belegungspläne abzubilden.

Ein entscheidender Vorteil: Der Datenfluss bleibt durchgängig interoperabel. Urbio ist vollständig kompatibel mit branchenüblichen GIS-Tools wie QGIS und ArcGIS von Esri. So können Anwender sämtliche Infrastrukturergebnisse und Geometrien nahtlos im standardisierten .SHP-Format ex- und importieren, um sie für weitreichendere städtische Planungen zu nutzen.

Dieser integrierte Ansatz zeigt, wie effizient und präzise der Prozess wird, wenn Expertenteams und Versorger zukunftsfähige Wärmenetze planen. Wie in der begutachteten wissenschaftlichen Arbeit hervorgehoben wird:

„Was Urbio betrifft, so ermöglicht es eine schnelle Sondierung des Entscheidungsraums und liefert ein tieferes Verständnis der Versorgungsalternativen. Es zeigt auf, wie diese mit externen Rahmenbedingungen wie Brennstoffpreisen oder Kohlenstoffintensität, aber auch mit städtischen Parametern wie der Verteilung der Bruttogeschossfläche auf verschiedene Nutzungsarten zusammenhängen.“

Das optimale Netzdesign: Die Stärke von Sensitivitätsanalysen

Zu den herausragendsten Erkenntnissen der Lissaboner Fallstudie gehörte die strategische Optimierung des thermischen Netzlayouts. Anstatt standardmäßig auf eine einzige, weitläufige Wärmenetz-Struktur zurückzugreifen, zeigten die Softwareberechnungen, dass eine geteilte Netzstruktur (mit separaten Netzen für den Norden und den Süden) den Pumpaufwand und die Wärmeverteilverluste drastisch minimiert.

Darüber hinaus ermöglichte das Framework eine fundierte Sensitivitätsanalyse im Hinblick auf zukünftige CO2-Bepreisungen und die zunehmende „Ergrünung“ des Stromnetzes bis zum Jahr 2050. Die Daten belegten eindeutig, dass ein strombasierter Wärmemix (eine Kombination aus dezentralen Luft-Wärmepumpen und maximalem Photovoltaik-Ausbau auf den Dächern) der zukunftssicherste und kosteneffizienteste Weg ist und zentralisierte Gassysteme weit übertrifft.

Entscheidungsträgern die Möglichkeit zu geben, diese Szenarien in kürzester Zeit durchzuspielen, ist von entscheidender Bedeutung. Die Forschenden betonen dazu:

„Ebenso bietet Urbios Modell der schnellen Generierung von Energieversorgungsinfrastrukturen eine ergänzende Methode für Entscheidungsträger, um die inhärenten Kompromisse bei der Energieinfrastruktur von Quartieren unmittelbar zu erkennen. Letztendlich hilft diese direkte, persönliche Interaktion mit den Modellen dabei, Vertrauen und Sicherheit in den energetischen Planungsprozess aufzubauen.“

Von akademischer Exzellenz zu spürbarem Einfluss in der Praxis

Die Methodik hinter dieser Fallstudie lieferte nicht nur umsetzbare Blaupausen für die Stadt Lissabon, sondern erlangte auch große akademische Anerkennung. Der Hauptautor der preisgekrönten Forschungsarbeit, Alexandre Jewell, ist inzwischen Teil des Teams von Urbio und lässt seine Expertise im Bereich der energetischen Gebäudemodellierung auf urbaner Ebene (UBEM) direkt in die Weiterentwicklung der Plattform einfließen.

Da der Energiesektor bei der Bewältigung der Wärmewende zunehmend auf Künstliche Intelligenz und fortschrittliches Generatives Design setzt, sind Tools, die die Lücke zwischen komplexen Daten und einer umsetzbaren urbanen Infrastrukturplanung schließen, unerlässlich.

Mit den sich wandelnden urbanen Energiebedürfnissen ändern sich auch die Kriterien dafür, was ein „Top-Tool“ ausmacht. Wir sind stolz darauf, dass dieses Peer-Review-Framework Urbio de facto in die Liste der besten Software für Wärmenetzplanung aufnimmt und zeigt, wie unsere Plattform Stadtwerke, Beratungsunternehmen und öffentliche Planer dabei unterstützt, die reine Simulation hinter sich zu lassen und direkt umsetzbare Infrastrukturprojekte zu realisieren.

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Lesen Sie das vollständige akademische Originalpapier hier:

Alexandre Jewell, Nils Schüler, Sébastien Cajot, Ricardo Gomes, Carlos Santos Silva, François Maréchal. Designing a District Energy Infrastructure - a Case-Study in Lisbon. Frontiers in Sustainable Cities. 2022.