Energietechnische Quartiere als cyber-physisch-soziale Infrastruktursysteme

Die globale Erwärmung und der Rückstand des Gebäudesektors bei den Klimazielen machen tiefgreifende Veränderungen im Energiesystem notwendig. Quartiere stehen dabei im Mittelpunkt, da sie die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität integrieren und durch Optimierung und Synergieeffekte zentrale Beiträge zur Dekarbonisierung leisten können. Die vorliegende Doktorarbeit hat zum Ziel, ein systemisches Verständnis für die Nutzung von Quartiersansätzen in der Energietechnik zu entwickeln und deren Umsetzung anhand von Reallaborforschung zu untersuchen. Die Doktorarbeit beschreibt erstmalig energietechnische Quartiere als cyber-physisch-soziale Infrastruktursysteme (CPSIS), in denen digitale, physische und soziale Komponenten integriert und miteinander verknüpft sind. Darauf aufbauend erarbeitet sie eine Definition energietechnischer Quartiere, die sich gegenüber bestehenden Anlagengruppierungen und Systemgrenzen klar abgrenzen lässt. Ferner analysiert die Arbeit stadtplanerische und sozialwissenschaftliche Verwaltungseinheiten und setzt diese mit energietechnischen Konzepten in Beziehung. Sie zeigt durch eine strukturierte Literaturauswertung die Bandbreite der verwendeten Begriffe und Systemgrenzen. Die aus dem Literaturreview entnommenen Ansätze zum Betrieb energietechnischer Anlagen in Gruppen werden am zentralen Anwendungsbeispiel der vorliegenden Arbeit, dem Reallabor Smart East, angewendet. Das Reallabor Smart East bildet den Rahmen für die Umsetzung und Weiterentwicklung der in dieser Arbeit behandelten Ansätze und Technologien. Die Doktorarbeit befasst sich ferner mit Konzepten zur Erfassung energietechnisch relevanter Daten, mit Konzepten zur Modellierung sowie mit Konzepten zur Flexibilitätsbewertung. Überdies stellt die Arbeit die im Reallabor Smart East umgesetzte Forschungsplattform vor, die softwarebasierte Dienste für den Betrieb und die Analyse energietechnischer Quartiere bereitstellt. Dazu gehören ein Datensammlungsdienst zur kontinuierlichen Datenerfassung sowie ein Prognosedienst zur Vorhersage von Verbrauch und Erzeugung, die auf dem in dieser Arbeit erstmals für die Entwicklung eines energietechnischen Reallabors durchgängig angewandten CPSIS-Konzept basieren. Die Plattform ermöglicht die praktische Erprobung von Betriebsstrategien und Geschäftsmodellen und unterstützt damit künftige Forschung im Reallabor. Zusammenfassend entwickelt die Arbeit ein systemisches und ganzheitliches Verständnis energietechnischer Quartiere. Durch die Beantwortung offener Fragen in der praktischen Validierung im Reallabor Smart East werden Lücken geschlossen, die bislang eine großflächige Umsetzung energietechnischer Quartiere verhindert haben.