System Design thermischer Netze
Der Forschungsschwerpunkt System Design befasst sich mit der ganzheitlichen Auslegung thermischer Netze. Ziel ist es, robuste, effiziente und zukunftsfähige Energiesysteme zu entwickeln, die erneuerbare Energiequellen optimal integrieren und den Anforderungen einer dekarbonisierten Wärme- und Kälteversorgung gerecht werden. Dabei betrachten wir thermische Netze stets als Teil eines übergeordneten Energiesystems und berücksichtigen technische, energetische und ökonomische Wechselwirkungen.
Hydraulik
Ein zentraler Aspekt des System Designs ist die hydraulische Auslegung thermischer Netze. Wir untersuchen Strömungsführung, Druckverluste, Temperaturspreizungen sowie bidirektionale Betriebsweisen, insbesondere bei Niedertemperatur- und Anergienetzen. Ziel ist es, hydraulisch stabile Systeme zu entwerfen, die einen flexiblen und effizienten Betrieb unter variablen Last- und Erzeugungsbedingungen ermöglichen.
Ökonomische Analysen
Neben technischen Fragestellungen spielen wirtschaftliche Aspekte eine entscheidende Rolle. Wir analysieren Investitions- und Betriebskosten, vergleichen Systemvarianten und bewerten Wirtschaftlichkeit über den gesamten Lebenszyklus. Dabei berücksichtigen wir unterschiedliche Randbedingungen, Nutzungsprofile und Skaleneffekte, um fundierte Entscheidungsgrundlagen für Planung und Umsetzung thermischer Netze zu schaffen.
Integration thermischer Energiespeicher
Thermische Energiespeicher sind ein Schlüsselelement für den Ausgleich zeitlicher Differenzen zwischen Erzeugung und Bedarf. Im Rahmen des System Designs untersuchen wir die Integration verschiedener Speichertechnologien, darunter Kurz- und Langzeitspeicher (saisonale Speicher). Ein besonderer Fokus liegt auf der Systemeinbindung und dem Zusammenspiel von Speichern mit Erzeugern, Verbrauchern und dem Netzbetrieb.
Quellen
Die Nutzung vielfältiger Wärme- und Kältequellen ist essenziell für nachhaltige thermische Netze. Wir analysieren die Integration erneuerbarer Energiequellen wie Geothermie, Umweltwärme sowie Abwärme aus industriellen Prozessen oder Rechenzentren. Dabei betrachten wir Verfügbarkeit, Temperaturniveaus und räumliche Einbindung in das Gesamtsystem.
Sektorkopplung
Thermische Netze sind zunehmend mit anderen Energiesektoren verknüpft. Im Bereich der Sektorkopplung untersuchen wir die Integration von Technologien wie Kraft-Wärme-Kopplung, Power-to-Heat sowie die Wechselwirkungen zwischen Strom-, Wärme- und Kältesystemen. Ziel ist es, Flexibilitäten nutzbar zu machen und das Gesamtsystem energetisch zu optimieren.
Durch die Kombination dieser Teilaspekte entwickelt die Forschungsgruppe Systemdesigns, die technisch fundiert, wirtschaftlich tragfähig und auf zukünftige Anforderungen ausgerichtet sind.
Projekt Beispiele:
MicroDHC
Im Rahmen des Projekts MicroDHC werden thermische Mikroverbünde untersucht, die dezentrale Erdwärmesonden sowohl als Wärmequelle sowie auch als Wärmesenke für die Kühlung im Sommer nutzen. Das Ziel besteht darin, diese dezentralen Systeme als Ergänzung zu zentral aufgebauten Wärmenetzen einzusetzen. Durch die Integration in das zentrale Wärmenetz sollen die Mikroverbünde antizyklisch zum Wärmebedarf des Gesamtnetzes betrieben werden. Dadurch können Kapazitätsengpässe überwunden und erneuerbare Spitzenlast bereitgestellt werden. Zudem eröffnet der Ansatz die Möglichkeit zur Gebäudekühlung - auch bei hohen Vorlauftemperaturen (>65 °C). Ergänzend wird untersucht, inwiefern Erdwärmesonden während einer Übergangsphase gezielt überlastet werden können, um den autonomen Betrieb der Mikroverbünde während des Netzausbaus sicherzustellen.
SwissSTES
Das Projekt entwickelt innovative saisonale thermische Energiespeicher (STES), um einen zentralen Beitrag zur Dekarbonisierung des Schweizer Energiesystems zu leisten. Durch die Speicherung erneuerbarer Wärme über saisonale Zeiträume ermöglichen STES die Reduktion fossiler Energieträger, verringern Importabhängigkeiten und tragen zur Schliessung der winterlichen Strom- und Wärmelücke bei. In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern und anhand regionaler Fallstudien erarbeitet SwissSTES technologische Lösungen sowie strategische Grundlagen, um STES langfristig als festen Bestandteil des Schweizer Energieportfolios zu etablieren.
