Thermische Netze Fossilfreie Wärme- und Kälteversorgung

Die Forschungsgruppe Thermische Netze entwickelt zukunftsfähige Lösungen für die Planung, Auslegung und den Betrieb von thermischen Netzen zur Bereitstellung von Wärme und Kälte. Das Spektrum reicht dabei von klassischen Fernwärmenetzen bis hin zu Anergienetzen.

Die zwei übergeordneten Schwerpunkte der Gruppe – System Design sowie Regelstrategien & Betriebsoptimierung – werden gezielt zusammengedacht und aufeinander abgestimmt, da die optimale Auslegung eines thermischen Netzes dessen späteren Betrieb voraussetzt. Dabei spielen die Integration thermischer Energiespeicher sowie die Sektorkopplung eine zentrale Rolle, um die Flexibilität des Energiesystems zu erhöhen und wirtschaftliche Synergien gezielt zu nutzen.

Zum Einsatz kommen physikalisch basierte Modellierung und Simulation, datengestützte Methoden sowie Machine Learning. Ziel ist es, komplexe Wechselwirkungen realitätsnah abzubilden und Lösungen zu entwickeln, die direkt in die Praxis übertragen werden können.

Forschungsthemen

System Design

Im Bereich System Design wird die Auslegung und Integration von unterschiedlichen Technologien in thermische Netze untersucht. Dazu gehören Fragestellungen zu Netztopologien, zur Einbindung unterschiedlicher Wärme- und Kältequellen (z. B. Geothermie, Abwärme aus Rechenzentren), zur Integration thermischer Energiespeicher sowie zur Sektorkopplung mit beispielsweise Power-2-Heat Systemen. Ergänzend werden ökonomische Aspekte über den gesamten Lebenszyklus analysiert.

Regelstrategien und Betriebsoptimierung

Der Schwerpunkt Regelstrategien und Betriebsoptimierung adressiert den effizienten, robusten und flexiblen Betrieb thermischer Netze. Im Fokus stehen die Entwicklung und Bewertung von Regel- und Betriebsstrategien, datenbasierte Analysen, Monitoring- und Prognosemethoden sowie die kontinuierliche Optimierung des Anlagen- und Netzbetriebs. Ziel ist es, thermische Netze hinsichtlich Betriebskosten und Emissionen optimal zu betreiben.

Forschungsmethoden

Modellierung & Simulation 

Der Schwerpunkt Modellierung & Simulation bildet die methodische Grundlage der Arbeiten. Es werden physikalisch basierte sowie datengetriebene Modelle zur Abbildung thermischer Netze und gekoppelter Energiesysteme entwickelt und genutzt.

Laborinfrastruktur

Die Laborinfrastruktur NODES dient zur Validierung neuer Konzepte, der Erprobung innovativer Regelansätze sowie der experimentellen Absicherung von Simulationsmodellen.

Auswahl Projekte

Auswahl Publikationen

  • Bayer, M., Meister, C., Schuetz, P., Villasmil, W., Walter, H., & Dahash, A. (2026). Development of a reduced-order dynamic model for large-scale seasonal thermal energy storage applications. Energy, 333.  doi.org/10.1016/j.energy.2025.137379
  • Bayer, M., Sotnikov, A., Dahash, A., Walter, H., & Villasmil, W. (under review).  Cascading of pit thermal energy storage for optimal operation of district heating and cooling networks. Energy. ssrn.com/abstract=6206640
  • Sotnikov, A., Auer, M., Belliardi, M., Curti, V., Bühler, P., & Villasmil, W. (2026). Model-based analysis of bypass control strategies in district heating: Revisiting constant and thermal bypass in a real network. Energy, 344, 140107. doi.org/10.1016/j.energy.2026.140107
  • Brauchli, L., Adroher, N. D., Villasmil, W., Auer, M., Lucas, E., Schuetz, P., & Worlitschek, J. (2025). Identification of district heating and cooling system archetypes: a novel approach applied to a case study in Switzerland. Energy, 333. doi.org/10.1016/j.energy.2025.137159
  • Mennel, S., Villasmil, W., Fischer, L., & Tuohy, P. (2023). Decarbonising energy supply: the potential impact on district heating networks of the integration of thermal energy storage and substitution of peak load with base load. Journal of Physics: Conference Series, 2600(5). doi.org/10.1088/1742-6596/2600/5/052002

mehr Publikationen
  • Maccarini, A., Sotnikov, A., Sommer, T., Wetter, M., Sulzer, M., & Afshari, A. (2023). Influence of building heat distribution temperatures on the energy performance and sizing of 5th gener-ation district heating and cooling networks. Energy, 275. doi.org/10.1016/j.energy.2023.127457
  • Sommer, T., Sotnikov, A., Sulzer, M., Scholz, V., Mischler, S., Rismanchi, B., Gjoka, K., & Mennel, S. (2022). Hydrothermal challenges in low-temperature networks with distributed heat pumps. Energy, 257. doi.org/10.1016/j.energy.2022.124527
  • Villasmil, W., Troxler, M., Hendry, R., Schuetz, P., & Worlitschek, J. (2021). Parametric Cost Optimization of Solar Systems with Seasonal Thermal Energy Storage for Buildings. E3S Web of Con-ferences, 246. doi.org/10.1051/e3sconf/202124603003
  • Narula, K., de Oliveira Filho, F., Villasmil, W., & Patel, M. K. (2020). Simulation method for assessing hourly energy flows in district heating system with seasonal thermal energy storage. Renewable Energy, 151, 1250–1268. doi.org/10.1016/j.renene.2019.11.121
  • Sommer, T., Sulzer, M., Wetter, M., Sotnikov, A., Mennel, S., & Stettler, C. (2020). The reservoir network: A new network topology for district heating and cooling. Energy, 199, 117418. doi.org/10.1016/j.energy.2020.117418
  • Jonin, M., Khosravi, M., Eichler, A., Villasmil, W., Schuetz, P., Jones, C. N., & Smith, R. S. (2019). Exergy-based model predictive control for design and control of a seasonal thermal energy storage system. Journal of Physics: Conference Series, 1343(1). doi.org/10.1088/1742-6596/1343/1/012066
  • Sommer, T., Sotnikov, A., Sandmeier, E., Stettler, C., Mennel, S., & Sulzer, M. (2019). Optimization of low-temperature networks by new hydraulic concepts. Journal of Physics: Conference Series. doi.org/10.1088/1742-6596/1343/1/012112
  • Sotnikov, A., Sandmeier, E., Sulzer, M., Sergi, T., Mennel, S., & Sommer, T. (2019). Thermal stability and heat transfer in the reservoir low-temperature network. Journal of Physics: Conference Series. doi.org/10.1088/1742-6596/1343/1/012113
  • Schluck, T., Streicher, K. N., & Mennel, S. (2019). Statistical modelling of the energy reference area based on the Swiss building stock. Journal of Physics: Conference Series, 1343(1), 012031. doi.org/10.1088/1742-6596/1343/1/012031

Mitarbeiter