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Toolvorstellung:
Energetische Gebäude- und
Quartiersplanung mit nPro
Marco Wirtz
nPro.energy 2
nPro.energy 2
Warum nPro?
Was macht nPro besonders und
welchen Mehrwert bietet das Tool?
nPro.energy 3
nPro.energy 3
 nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen
Warum nPro?
Ideal für die
frühe Planungsphase
Berechnungsmethoden sind so konzipiert, dass nur ein
Minimum an Eingabedaten erforderlich sind
nPro.energy 4
nPro.energy 4
 nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen
Warum nPro?
Webbasiert
Ideal für die
frühe Planungsphase
Teilen von Projekten mit anderen Projektpartnern,
Demo beim Kunden vor Ort, keine Softwareinstallation
nPro.energy 5
nPro.energy 5
 nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen
Warum nPro?
Webbasiert
Ideal für die
frühe Planungsphase
Beschleunigte Planung
Beschleunigung und Standardisierung der
Angebotserstellung für Quartiersprojekte
nPro.energy 6
nPro.energy 6
 nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen
Warum nPro?
Webbasiert
KI-gestützte
Dimensionierung
Ideal für die
frühe Planungsphase
Beschleunigte Planung
Einsatz neuester Algorithmen aus dem Bereich der
künstlichen Intelligenz
nPro.energy 7
nPro.energy 7
 nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen
Warum nPro?
Webbasiert
Benutzerfreundliche
Oberfläche
KI-gestützte
Dimensionierung
Ideal für die
frühe Planungsphase
Beschleunigte Planung
Intuitive Bedienung erlaubt
Nutzung ohne zeitintensive Einarbeitung
nPro.energy 8
nPro.energy 8
 Planung komplexer Energiesysteme oftmals in Excelsheets
 Verbreitete Probleme:
 Nach vielen Iterationen werden Excelsheets zunehmend unübersichtlich
 Viele unterschiedliche Versionen der Excelsheets im Umlauf
 Große, unhandliche Dateien, die nur schwer zu teilen sind
 Für Energiesysteme mit erneuerbaren Energien müssen
dynamische Jahresprofile betrachtet werden:
 Statische Auslegung für einen Zeitpunkt im Jahr
nicht mehr ausreichend
 Vielfältige Betrachtung: Eigenstromnutzung,
saisonale Schwankungen, Tageslastgänge
Motivation - warum nPro?
nPro.energy 9
nPro.energy 9
Anwendungsvielfalt von nPro
Kalte Nahwärmenetze
(dezentrale Wärmepumpen)
Konventionelle
Nahwärmenetze
Kältenetze
Inselsysteme
(Saisonale Speicher)
Microgrids
(PV, Batterie, E-Mobilität)
Auslegung Energiezentralen
(Groß-Wärmepumpen)
Wasserstoffsysteme
nPro.energy 10
nPro.energy 10
 Entwurf von Energiesystemen binnen Minuten:
 Einfacher und genauer als Excel-Berechnungen
 Schneller und verständlicher als komplexe Simulationssoftware
 Hervorragend geeignet für Machbarkeitsstudien, z. B. im
Rahmen der Bundesförderung effizienter Wärmenetze (BEW)
 Kein monolithisches Tool („ganz oder gar nicht“), d. h. nPro
kann je nach Projekt auch für Hilfsrechnungen innerhalb einer
größeren Planung verwendet werden, z. B.:
 Erstellung von Bedarfsprofilen: Wärme, Kälte, Strom
 Erstellung von Erzeugungsprofilen: Photovoltaik, Solarthermie, Windkraft
nPro in der Anwendung
nPro.energy 11
nPro.energy 11
 Lange Wartezeiten bei Simulationen
 Mangelhaftes Vertrauen in Ergebnisse
 Mangelhafte Datenschnittstellen
 Falsches Tool für individuelle
Problemstellung, z. B.
 zu hoher Detailgrad für frühe Planungsphase
 viele Eingabeparameter, die zu Projektbeginn
noch unbekannt sind
Was macht nPro besonders?
 Ergebnisse in wenigen Sekunden
 Vereinfacht Iterationen und Sensitivitätsanalysen
 Validierte und transparente Berechnungs-
methoden
 Maßgeschneidertes Tool für frühe
Planungsphase
 Eingabedaten orientieren sich an Annahmen aus
der Planungspraxis
nPro.energy 12
nPro.energy 12
Key Features
Einige Besonderheiten kurz erklärt
nPro.energy 13
nPro.energy 13
 nPro ist in zwei Module strukturiert:
Module
Planung der Energieversorgung
(Modul Energiezentrale)
Bedarfsprofilerstellung
(Modul Lastprofile & thermisches Netz)
Wärme-,
Kälte-,
Strombedarfe
nPro.energy 14
nPro.energy 14
 Schritt-für-Schritt-Berechnung:
 Benutzer wird in kleinen Schritten durch die Berechnung geführt und kann einzelne Berechnungsschritte
nachvollziehen und überprüfen
 Visualisierung von Zeitreihen
 Transparent in jedem Berechnungsschritt
 Erklärungstexte
 Erläuterungen für Eingabefelder und Diagramme
 Dynamische Benutzeroberfläche
 nPro zeigt nur relevante Felder und Optionen
Benutzerfreundlichkeit
nPro.energy 15
nPro.energy 15
 Ergebnisexport nach:
 Microsoft Excel™
 csv- und txt-Dateien (auch im Modelica-Format)
 Einladen von Zeitreihen:
 Bequem per Kopieren/Einfügen aus Excel
 Manuelle Definition von Zeitreihen
 Hochladen von Zeitreihen-Dateien
 Optimierte Bedienung:
 Direktvisualisierung aller eingelesenen Zeitreihen
 Unterstützung unterschiedlicher Einheiten
Datenschnittstellen
nPro.energy 16
nPro.energy 16
 Projektbearbeiter können Projekte untereinander teilen und gemeinsam bearbeiten
 Vorteil: Es existiert nur ein aktueller Projektstand, den alle gleichzeitig einsehen können
 Ideal für Projekte mit vielen Iterationen des Planungsstands
Cloud: Projekte gemeinsam bearbeiten
 Teilen eines Projektes:  Bearbeiten freigegebener Projekte:
nPro.energy 17
nPro.energy 17
Bedarfsprofile
Maßgeschneiderte und effiziente
Erstellung von Lastprofilen
nPro.energy 18
nPro.energy 18
 Erstellung von Bedarfsprofilen ist mit der wichtigste (und am häufigsten unterschätzte!)
Einflussfaktor bei der Auslegung von Energieversorgungssystemen
 Es gibt kaum geeignete Softwaretools:
 Gebäudesimulationen sind zeitaufwendig und benötigen eine Vielzahl von Eingabeparametern (die in
der frühen Planungsphase noch unbekannt sind)
 Beauftragung von externen Planern zur Simulation von Bedarfsprofilen ist zeit- und
kostenaufwendig
 Häufigste Behelfslösung: Excel
Erstellung von Bedarfsprofilen – oft zeitraubend und mühsam
nPro.energy 19
nPro.energy 19
 Inkonsistente Profile, z. B.:
 Wochentage passen nicht zueinander: In Jahresprofilen liegt der Sonntag des Wärmeprofile auf dem
Montag des Stromprofils
 Unterschiedliche Annahmen:
 Einige Profile berücksichtigten die Zeitumstellung, andere nicht
 Einige Profile berücksichtigten die Ferien und Feiertage, andere nicht
 Es mangelt an spezifischen Bedarfskennwerten:
 Wärmeverbrauch eines Schwimmbads?
 Strombedarf eines Bürogebäudes?
 Flächenspezifische Heizlast einer Schule?
 Tagesprofil einer Elektro-Ladesäule?
 Welche Heizlast und welcher jährlicher Wärmebedarf ist bei Neubauten zu erwarten, z. B.
Gebäudestandard KfW55 oder Passivhaus?
Erstellung von Bedarfsprofilen – häufige Probleme
nPro.energy 20
nPro.energy 20
 Mit nPro können konsistente Bedarfsprofile erstellt werden für
 Raumwärme und Trinkwarmwasser,
 Raumklimatisierung und Prozesskälte, sowie
 Nutzerstrom (Beleuchtung, etc.) und Elektromobilität.
 In nPro sind Bedarfskennwerte für eine Vielzahl von
Gebäudetypen hinterlegt
 Schnelle Erstellung von zueinander passenden
Jahresprofilen
 Optional: Berücksichtigung von länderspezifischen Feiertagen, Schulferien und der
Zeitumstellung
Erstellung von Bedarfsprofilen – in nPro einfach und schnell
nPro.energy 21
nPro.energy 21
Erstellung von Bedarfsprofilen: Raumwärme
① Spez. Bedarfskennwerte
② Gebäudeparameter
③ Jahresprofil
①
②
③
nPro.energy 22
nPro.energy 22
Wärmenetzberechnung
Wie können Wärmenetze berechnet
und dimensioniert werden?
nPro.energy 23
nPro.energy 23
 Transparente Berechnung unter Berücksichtigung von
 Wärmeverlusten und Wärmeeinträgen,
 Druckverlusten (vereinfacht) sowie
 Gleichzeitigkeitsfaktoren
 Bedeutender Einfluss bei der Auslegung der Energieversorgung,
da sich Spitzenlasten reduzieren
 Zum Beispiel Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,8:
Berechnung von Wärme- und Kältenetzen
Spitzenlast ist um 20 % reduziert.
Jahresenergie bleibt konstant.
nPro.energy 24
nPro.energy 24
 Netzberechnung unter Berücksichtigung von:
 Ausgleich von Wärme- und Kältelasten zwischen
Gebäuden durch das Wärmenetz
 Druckverluste (vereinfacht)
 Gleichzeitigkeitsfaktoren
 Saisonale Netztemperaturverläufe (und sich
damit verändernde COPs der dezentralen
Wärmepumpen)
Berechnung von kalten Nahwärmenetzen
Visualisierung des Ausgleichs von Wärme- und Kältebedarfen
in Gebäuden und im kalten Nahwärmenetz.
Wärme- und Kälteeinspeisung
an der Energiezentrale
nPro.energy 25
nPro.energy 25
 Halb-automatisierte
Rohrnetzdimensionierung für Wärme-
und Kältenetze sowie kalte
Nahwärmenetze
 nPro berechnet den Druckgradienten für
einzelne Rohrsegmente über den Verlauf
des Jahres und empfiehlt einen
geeigneten Durchmesser
 Durchmesserbestimmung basieren auf
Empfehlungen der Swedish District Heating
Association sowie Erfahrungswerten von
Rohrherstellern
Rohrdimensionierung
Visualisierung des Druckgefälles (Pa/m) als Hilfestellung für
die Durchmesser-Dimensionierung.
nPro schlägt einen optimalen
Rohrdurchmesser basierend auf den
Jahresverläufen der Massen- und
Volumenströme vor.
nPro.energy 26
nPro.energy 26
Auslegung
Wie können sektorübergreifende
Energiesysteme ausgelegt werden?
nPro.energy 27
nPro.energy 27
Technologieübersicht
nPro.energy 28
nPro.energy 28
 Biogas und Biomasse
 Saisonale Wärmespeicher
 Geothermiesondenfelder, Aquiferspeicher
 NT- und HT-Wärmebedarf
 Wärmequelle:
 Abwasserwärmeübertrager
 Flusswasser-Wärmepumpe
 Kältequelle:
 Flusswasser
 Anbindung externer Fernwärme/-kälte
 Wasserstoff-Einspeisung ins Erdgasnetz
 Luftwärmepumpe / Kompressionskälte
Technologieübersicht
nPro.energy 29
nPro.energy 29
Berechnungsschritte
Energiebedarfe
Vorauswahl der
Technologien
Verfügbare Ressourcen
Einsparungsziele
etc.
① Benutzereingaben
Dimensionierung
② Benutzerdefinierte
Dimensionierung
③ Auswertung und
Visualisierung
Betriebssimulation
Optional:
Anpassung der
Vordimensionierung durch
den Benutzer
Zeitreihen-Visualisierung
Wirtschaftlichkeits-
betrachtung
KPI-Analyse
Ergebnisexport (Excel)
nPro.energy 30
nPro.energy 30
Berechnungsschritte
Energiebedarfe
Vorauswahl der
Technologien
Verfügbare Ressourcen
Einsparungsziele
etc.
① Benutzereingaben
Dimensionierung
② Benutzerdefinierte
Dimensionierung
③ Auswertung und
Visualisierung
Betriebssimulation
Optional:
Anpassung der
Vordimensionierung durch
den Benutzer
Zeitreihen-Visualisierung
Wirtschaftlichkeits-
betrachtung
KPI-Analyse
Ergebnisexport (Excel)
nPro.energy 31
nPro.energy 31
① Zu deckende Energiebedarfe
② Energiebezüge
Und: Umwandlungs- und
Speichertechnologien
Benutzereingaben
①
①
②
②
②
②
nPro.energy 32
nPro.energy 32
Berechnungsschritte
Energiebedarfe
Vorauswahl der
Technologien
Verfügbare Ressourcen
Einsparungsziele
etc.
① Benutzereingaben
Dimensionierung
② Benutzerdefinierte
Dimensionierung
③ Auswertung und
Visualisierung
Betriebssimulation
Optional:
Anpassung der
Vordimensionierung durch
den Benutzer
Zeitreihen-Visualisierung
Wirtschaftlichkeits-
betrachtung
KPI-Analyse
Ergebnisexport (Excel)
nPro.energy 33
nPro.energy 33
 Berechnung mittels mathematischer Optimierungsverfahren
 Speziell für nPro entwickeltes Verfahren basiert auf gemischt-ganzzahliger linearer Optimierung1)
 Zielfunktion, die minimiert wird: Gesamtjahreskosten (CAPEX+OPEX)
 Auslegungsrechnung berücksichtigt:
 Energiepreise aller Energieimporte bzw. Einspeisevergütungen aller Energieexporte
 Investitions- sowie Betriebs- und Wartungskosten jeder Technologie
 Ein- und Ausspeicher- sowie Standby-Verluste von Speichern
 Stündlich aufgelöste Leistungszahlen bei Wärmepumpen
 Energiebilanzen für jeder Stunde im Jahr
1) Design optimization of multi-energy systems using mixed-integer linear programming: Which model complexity and level of detail is sufficient? M. Wirtz, M. Hahn, T. Schreiber, D.
Müller. Energy Conversion and Management, 240, 114249, 2021.
Dimensionierung
nPro.energy 34
nPro.energy 34
 Zentral bei der Entwicklung: Tool mit
geringen Rechenzeiten
 nPro berechnet die Dimensionierung innerhalb
von 3 bis 10 Sekunden
 Warum sind geringe Rechenzeiten
wichtig?
 Häufiges Problem bei Auslegungstools:
 1 Std. Aufbau des Modells, plus 30 Min.
Warten auf Berechnungsergebnisse
 Nach 90 Min. erhält man ein Ergebnis
mit einigen Zahlenwerten und fragt sich:
Kann ich den Ergebnissen jetzt trauen?
Dimensionierung: Der Vorteil kurzer Rechenzeiten
 Vorgehen in nPro:
 Innerhalb weniger Minuten können ein Dutzend
Berechnungen durchgeführt werden
 Vorteil: Benutzer muss keinem einzelnen Ergebnis
glauben, sondern kann viele verschiedene
Szenarien durchspielen, z. B.
 Strompreis erhöhen, Photovoltaik-Anlage rausnehmen
 Auf diese Weise erhält der Benutzer nicht nur eine
Einzellösung, sondern entwickelt ein Verständnis
für das vorliegende Auslegungsproblem und die
wichtigsten Einflussfaktoren
 Entwicklung eines belastbaren Erfahrungshorizonts für
die techno-ökonomische Problemstellung
nPro.energy 35
nPro.energy 35
Berechnungsschritte
Energiebedarfe
Vorauswahl der
Technologien
Verfügbare Ressourcen
Einsparungsziele
etc.
① Benutzereingaben
Dimensionierung
② Benutzerdefinierte
Dimensionierung
③ Auswertung und
Visualisierung
Betriebssimulation
Optional:
Anpassung der
Vordimensionierung durch
den Benutzer
Zeitreihen-Visualisierung
Wirtschaftlichkeits-
betrachtung
KPI-Analyse
Ergebnisexport (Excel)
nPro.energy 36
nPro.energy 36
Benutzerdefinierte Dimensionierung
nPro.energy 37
nPro.energy 37
Berechnungsschritte
Energiebedarfe
Vorauswahl der
Technologien
Verfügbare Ressourcen
Einsparungsziele
etc.
① Benutzereingaben
Dimensionierung
② Benutzerdefinierte
Dimensionierung
③ Auswertung und
Visualisierung
Betriebssimulation
Optional:
Anpassung der
Vordimensionierung durch
den Benutzer
Visualisierung der
Energieströme und
Zeitreihen
Wirtschaftlichkeits-
analyse
Key perfomance indicators
(KPIs)
Ergebnisexport (Excel)
nPro.energy 38
nPro.energy 38
Visualisierung der Energieströme
nPro.energy 39
nPro.energy 39
Visualisierung der Zeitreihen (hier: Photovoltaik-Erzeugung)
nPro.energy 40
nPro.energy 40
 Kapitalwertbetrachtung
 Berücksichtigung von Erlösen für gedeckte Energiebedarfe
Wirtschaftlichkeitsanalyse (Auszug)
nPro.energy 41
nPro.energy 41
 Aufstellung aller Energiebezüge
und -einspeisungen
 Detailaufstellung über
CO2-Emissionen und Primärenergie
 Vergleich mit Referenzsystem
 CO2-Emissionen
 Primärenergie
 Anteil jedes Erzeugers an der
Wärme-, Strom- und Kälteerzeugung
Key performance indicators (KPIs)
nPro.energy 42
nPro.energy 42
Ergebnisexport (Auszug)
nPro.energy 43
nPro.energy 43
Validierung des Tools
Wie wurden die Berechnungsmethoden
und -modelle verifiziert?
nPro.energy 44
nPro.energy 44
 Validierung der Bedarfsprofil-Simulation
wurde für zahlreiche Gebäude
unterschiedlichen Nutzungstyps in Aachen
und Frankfurt durchgeführt
Validierung der Berechnungsansätze (1)
 Validierte Gebäudetypen:
 Büro- und Verwaltungsgebäude,
 Schulen und Kindertagesstätten,
 Spezialgebäude: Schwimmbäder, Theater, …
Wärmebedarf eines Kindergartens in Aachen Wärmebedarf eines städtischen Verwaltungsgebäude
nPro.energy 45
nPro.energy 45
Validierung der Berechnungsansätze (2)
Wärmebedarf eines Schwimmbads in Aachen Wärmebedarf einer Schule
nPro.energy 46
nPro.energy 46
 Ertragsberechnung für Photovoltaik:
 Validierung mit Hilfe des anerkannten Tools PVWatts vom National Renewable Energy Laboratory (USA)
für eine Vielzahl von Standorten weltweit sowie unterschiedlichen Ausrichtungen und Neigungswinkeln
 Mehr Validierungsdaten auf unserer Website
Validierung der Berechnungsansätze (3)
Ausrichtung nPro PVWatts Abweichung
Horizontal 789 MWh 790 MWh 0,2 %
30° / Süden 893 MWh 900 MWh 1 %
90° / Süden 633 MWh 614 MWh 3 %
45° / Westen 672 MWh 671 MWh 0,2 %
45° / Osten 684 MWh 684 MWh 0 %
90° / Westen 457 MWh 445 MWh 3 %
90° / Osten 466 MWh 455 MWh 2 %
45° / Norden 446 MWh 431 MWh 3 %
Ausrichtung nPro PVWatts Abweichung
Berlin (Deutschland) 893 MWh 900,2 MWh 1 %
Riad (Saudi-Arabien) 1725 MWh 1740 MWh 1 %
Moskau (Russland) 906 MWh 907 MWh 0,1 %
Kiruna (Schweden) 768 MWh 771 MWh 0,4 %
Bangkok (Thailand) 1324 MWh 1334 MWh 0,7 %
Barcelona (Spanien) 1309 MWh 1341 MWh 2 %
 Validierung von Standorten weltweit:
 Beispiel: Berlin (1000 kWp)
nPro.energy 47
nPro.energy 47
 Ertragsberechnung für Solarthermie:
 Basierend auf Norm DIN EN 12975-2
 Validierung mit Hilfe des Tools ScenoCalc des SP
Technical Research Institute of Sweden (anerkannt für
die Zertifizierung von Kollektoren nach dem Solar Keymark-
Verfahren)
 Validierung für Standorte weltweit
Validierung der Berechnungsansätze (4)
Ausrichtung nPro ScenoCalc Abweichung
Horizontal 611 kWh/m² 603 kWh/m² 1 %
30° / Süden 738 kWh/m² 714 kWh/m² 3 %
90° / Osten 307 kWh/m² 296 kWh/m² 3 %
90° / Westen 320 kWh/m² 309 kWh/m² 4 %
30° / Norden 378 kWh/m² 384 kWh/m² 2 %
Standort nPro ScenoCalc Abweichung
Frankfurt
(Deutschland)
365 kWh/m² 358 kWh/m² 2 %
Stockholm
(Schweden)
285 kWh/m² 278 kWh/m² 3 %
Genf (Schweiz) 446 kWh/m² 438 kWh/m² 2 %
 Validierung von Standorten weltweit:
 Beispiel: Frankfurt (25 °C Kollektortemperatur)
Kollektor-
temperatur
nPro ScenoCalc Abweichung
25 °C 738 kWh/m² 714 kWh/m² 3 %
50 °C 484 kWh/m² 461 kWh/m² 5 %
75 °C 289 kWh/m² 272 kWh/m² 6 %
 Validierung von Standorten weltweit:
nPro.energy 48
nPro.energy 48
 Ertragsberechnung für Windkraft:
 Nutzung von vermessenen Leistungskurven von Herstellern
 Bei Windkraft lässt sich das Potential jedoch niemals exakt abschätzen (lokale Gegebenheiten haben
erheblichen Einfluss, Vor-Ort-Messungen sind erforderlich)
 Berechnung mit Hilfe des
Exponentialansatzes nach Hellmann
 sowie Leistungskurven von
Windkraftanlagen-Herstellern,
welche in nPro hinterlegt sind.
Validierung der Berechnungsansätze (5)
𝑤Nabe = 𝑤ref
ℎNabe
ℎref
𝑎
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 5 10 15 20 25 30 35
Leistung
(kW)
Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe (m/s)
Leistungskurve einer Enercon E141
nPro.energy 49
nPro.energy 49
 Viele Modelle sind intuitiv verständlich
 Zum Beispiel vereinfachtes Modell für
Blockheizkraftwerke
 Vorteil: Schnelle, transparente Parametrierung
des Modells
 Abweichungen zu genaueren Modellen (z. B.
mit Teillastwirkungsgraden) sind für erste
Konzeptstudien frühen Planungsphase in der
Regel irrelevant
 Berechnung kalter Nahwärmenetze wurde anhand mehrerer Beispielquartiere mit
akademischen Tools validiert
Validierung der Berechnungsansätze (6)
Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit!
m.wirtz@npro.energy
Marco Wirtz, M. Sc.

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nPro: Tool zur Planung von Gebäuden und Quartieren

  • 2. nPro.energy 2 nPro.energy 2 Warum nPro? Was macht nPro besonders und welchen Mehrwert bietet das Tool?
  • 3. nPro.energy 3 nPro.energy 3  nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen Warum nPro? Ideal für die frühe Planungsphase Berechnungsmethoden sind so konzipiert, dass nur ein Minimum an Eingabedaten erforderlich sind
  • 4. nPro.energy 4 nPro.energy 4  nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen Warum nPro? Webbasiert Ideal für die frühe Planungsphase Teilen von Projekten mit anderen Projektpartnern, Demo beim Kunden vor Ort, keine Softwareinstallation
  • 5. nPro.energy 5 nPro.energy 5  nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen Warum nPro? Webbasiert Ideal für die frühe Planungsphase Beschleunigte Planung Beschleunigung und Standardisierung der Angebotserstellung für Quartiersprojekte
  • 6. nPro.energy 6 nPro.energy 6  nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen Warum nPro? Webbasiert KI-gestützte Dimensionierung Ideal für die frühe Planungsphase Beschleunigte Planung Einsatz neuester Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz
  • 7. nPro.energy 7 nPro.energy 7  nPro unterstützt die frühe Planungsphase von Quartiersenergiesystemen Warum nPro? Webbasiert Benutzerfreundliche Oberfläche KI-gestützte Dimensionierung Ideal für die frühe Planungsphase Beschleunigte Planung Intuitive Bedienung erlaubt Nutzung ohne zeitintensive Einarbeitung
  • 8. nPro.energy 8 nPro.energy 8  Planung komplexer Energiesysteme oftmals in Excelsheets  Verbreitete Probleme:  Nach vielen Iterationen werden Excelsheets zunehmend unübersichtlich  Viele unterschiedliche Versionen der Excelsheets im Umlauf  Große, unhandliche Dateien, die nur schwer zu teilen sind  Für Energiesysteme mit erneuerbaren Energien müssen dynamische Jahresprofile betrachtet werden:  Statische Auslegung für einen Zeitpunkt im Jahr nicht mehr ausreichend  Vielfältige Betrachtung: Eigenstromnutzung, saisonale Schwankungen, Tageslastgänge Motivation - warum nPro?
  • 9. nPro.energy 9 nPro.energy 9 Anwendungsvielfalt von nPro Kalte Nahwärmenetze (dezentrale Wärmepumpen) Konventionelle Nahwärmenetze Kältenetze Inselsysteme (Saisonale Speicher) Microgrids (PV, Batterie, E-Mobilität) Auslegung Energiezentralen (Groß-Wärmepumpen) Wasserstoffsysteme
  • 10. nPro.energy 10 nPro.energy 10  Entwurf von Energiesystemen binnen Minuten:  Einfacher und genauer als Excel-Berechnungen  Schneller und verständlicher als komplexe Simulationssoftware  Hervorragend geeignet für Machbarkeitsstudien, z. B. im Rahmen der Bundesförderung effizienter Wärmenetze (BEW)  Kein monolithisches Tool („ganz oder gar nicht“), d. h. nPro kann je nach Projekt auch für Hilfsrechnungen innerhalb einer größeren Planung verwendet werden, z. B.:  Erstellung von Bedarfsprofilen: Wärme, Kälte, Strom  Erstellung von Erzeugungsprofilen: Photovoltaik, Solarthermie, Windkraft nPro in der Anwendung
  • 11. nPro.energy 11 nPro.energy 11  Lange Wartezeiten bei Simulationen  Mangelhaftes Vertrauen in Ergebnisse  Mangelhafte Datenschnittstellen  Falsches Tool für individuelle Problemstellung, z. B.  zu hoher Detailgrad für frühe Planungsphase  viele Eingabeparameter, die zu Projektbeginn noch unbekannt sind Was macht nPro besonders?  Ergebnisse in wenigen Sekunden  Vereinfacht Iterationen und Sensitivitätsanalysen  Validierte und transparente Berechnungs- methoden  Maßgeschneidertes Tool für frühe Planungsphase  Eingabedaten orientieren sich an Annahmen aus der Planungspraxis
  • 12. nPro.energy 12 nPro.energy 12 Key Features Einige Besonderheiten kurz erklärt
  • 13. nPro.energy 13 nPro.energy 13  nPro ist in zwei Module strukturiert: Module Planung der Energieversorgung (Modul Energiezentrale) Bedarfsprofilerstellung (Modul Lastprofile & thermisches Netz) Wärme-, Kälte-, Strombedarfe
  • 14. nPro.energy 14 nPro.energy 14  Schritt-für-Schritt-Berechnung:  Benutzer wird in kleinen Schritten durch die Berechnung geführt und kann einzelne Berechnungsschritte nachvollziehen und überprüfen  Visualisierung von Zeitreihen  Transparent in jedem Berechnungsschritt  Erklärungstexte  Erläuterungen für Eingabefelder und Diagramme  Dynamische Benutzeroberfläche  nPro zeigt nur relevante Felder und Optionen Benutzerfreundlichkeit
  • 15. nPro.energy 15 nPro.energy 15  Ergebnisexport nach:  Microsoft Excel™  csv- und txt-Dateien (auch im Modelica-Format)  Einladen von Zeitreihen:  Bequem per Kopieren/Einfügen aus Excel  Manuelle Definition von Zeitreihen  Hochladen von Zeitreihen-Dateien  Optimierte Bedienung:  Direktvisualisierung aller eingelesenen Zeitreihen  Unterstützung unterschiedlicher Einheiten Datenschnittstellen
  • 16. nPro.energy 16 nPro.energy 16  Projektbearbeiter können Projekte untereinander teilen und gemeinsam bearbeiten  Vorteil: Es existiert nur ein aktueller Projektstand, den alle gleichzeitig einsehen können  Ideal für Projekte mit vielen Iterationen des Planungsstands Cloud: Projekte gemeinsam bearbeiten  Teilen eines Projektes:  Bearbeiten freigegebener Projekte:
  • 17. nPro.energy 17 nPro.energy 17 Bedarfsprofile Maßgeschneiderte und effiziente Erstellung von Lastprofilen
  • 18. nPro.energy 18 nPro.energy 18  Erstellung von Bedarfsprofilen ist mit der wichtigste (und am häufigsten unterschätzte!) Einflussfaktor bei der Auslegung von Energieversorgungssystemen  Es gibt kaum geeignete Softwaretools:  Gebäudesimulationen sind zeitaufwendig und benötigen eine Vielzahl von Eingabeparametern (die in der frühen Planungsphase noch unbekannt sind)  Beauftragung von externen Planern zur Simulation von Bedarfsprofilen ist zeit- und kostenaufwendig  Häufigste Behelfslösung: Excel Erstellung von Bedarfsprofilen – oft zeitraubend und mühsam
  • 19. nPro.energy 19 nPro.energy 19  Inkonsistente Profile, z. B.:  Wochentage passen nicht zueinander: In Jahresprofilen liegt der Sonntag des Wärmeprofile auf dem Montag des Stromprofils  Unterschiedliche Annahmen:  Einige Profile berücksichtigten die Zeitumstellung, andere nicht  Einige Profile berücksichtigten die Ferien und Feiertage, andere nicht  Es mangelt an spezifischen Bedarfskennwerten:  Wärmeverbrauch eines Schwimmbads?  Strombedarf eines Bürogebäudes?  Flächenspezifische Heizlast einer Schule?  Tagesprofil einer Elektro-Ladesäule?  Welche Heizlast und welcher jährlicher Wärmebedarf ist bei Neubauten zu erwarten, z. B. Gebäudestandard KfW55 oder Passivhaus? Erstellung von Bedarfsprofilen – häufige Probleme
  • 20. nPro.energy 20 nPro.energy 20  Mit nPro können konsistente Bedarfsprofile erstellt werden für  Raumwärme und Trinkwarmwasser,  Raumklimatisierung und Prozesskälte, sowie  Nutzerstrom (Beleuchtung, etc.) und Elektromobilität.  In nPro sind Bedarfskennwerte für eine Vielzahl von Gebäudetypen hinterlegt  Schnelle Erstellung von zueinander passenden Jahresprofilen  Optional: Berücksichtigung von länderspezifischen Feiertagen, Schulferien und der Zeitumstellung Erstellung von Bedarfsprofilen – in nPro einfach und schnell
  • 21. nPro.energy 21 nPro.energy 21 Erstellung von Bedarfsprofilen: Raumwärme ① Spez. Bedarfskennwerte ② Gebäudeparameter ③ Jahresprofil ① ② ③
  • 22. nPro.energy 22 nPro.energy 22 Wärmenetzberechnung Wie können Wärmenetze berechnet und dimensioniert werden?
  • 23. nPro.energy 23 nPro.energy 23  Transparente Berechnung unter Berücksichtigung von  Wärmeverlusten und Wärmeeinträgen,  Druckverlusten (vereinfacht) sowie  Gleichzeitigkeitsfaktoren  Bedeutender Einfluss bei der Auslegung der Energieversorgung, da sich Spitzenlasten reduzieren  Zum Beispiel Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,8: Berechnung von Wärme- und Kältenetzen Spitzenlast ist um 20 % reduziert. Jahresenergie bleibt konstant.
  • 24. nPro.energy 24 nPro.energy 24  Netzberechnung unter Berücksichtigung von:  Ausgleich von Wärme- und Kältelasten zwischen Gebäuden durch das Wärmenetz  Druckverluste (vereinfacht)  Gleichzeitigkeitsfaktoren  Saisonale Netztemperaturverläufe (und sich damit verändernde COPs der dezentralen Wärmepumpen) Berechnung von kalten Nahwärmenetzen Visualisierung des Ausgleichs von Wärme- und Kältebedarfen in Gebäuden und im kalten Nahwärmenetz. Wärme- und Kälteeinspeisung an der Energiezentrale
  • 25. nPro.energy 25 nPro.energy 25  Halb-automatisierte Rohrnetzdimensionierung für Wärme- und Kältenetze sowie kalte Nahwärmenetze  nPro berechnet den Druckgradienten für einzelne Rohrsegmente über den Verlauf des Jahres und empfiehlt einen geeigneten Durchmesser  Durchmesserbestimmung basieren auf Empfehlungen der Swedish District Heating Association sowie Erfahrungswerten von Rohrherstellern Rohrdimensionierung Visualisierung des Druckgefälles (Pa/m) als Hilfestellung für die Durchmesser-Dimensionierung. nPro schlägt einen optimalen Rohrdurchmesser basierend auf den Jahresverläufen der Massen- und Volumenströme vor.
  • 26. nPro.energy 26 nPro.energy 26 Auslegung Wie können sektorübergreifende Energiesysteme ausgelegt werden?
  • 28. nPro.energy 28 nPro.energy 28  Biogas und Biomasse  Saisonale Wärmespeicher  Geothermiesondenfelder, Aquiferspeicher  NT- und HT-Wärmebedarf  Wärmequelle:  Abwasserwärmeübertrager  Flusswasser-Wärmepumpe  Kältequelle:  Flusswasser  Anbindung externer Fernwärme/-kälte  Wasserstoff-Einspeisung ins Erdgasnetz  Luftwärmepumpe / Kompressionskälte Technologieübersicht
  • 29. nPro.energy 29 nPro.energy 29 Berechnungsschritte Energiebedarfe Vorauswahl der Technologien Verfügbare Ressourcen Einsparungsziele etc. ① Benutzereingaben Dimensionierung ② Benutzerdefinierte Dimensionierung ③ Auswertung und Visualisierung Betriebssimulation Optional: Anpassung der Vordimensionierung durch den Benutzer Zeitreihen-Visualisierung Wirtschaftlichkeits- betrachtung KPI-Analyse Ergebnisexport (Excel)
  • 30. nPro.energy 30 nPro.energy 30 Berechnungsschritte Energiebedarfe Vorauswahl der Technologien Verfügbare Ressourcen Einsparungsziele etc. ① Benutzereingaben Dimensionierung ② Benutzerdefinierte Dimensionierung ③ Auswertung und Visualisierung Betriebssimulation Optional: Anpassung der Vordimensionierung durch den Benutzer Zeitreihen-Visualisierung Wirtschaftlichkeits- betrachtung KPI-Analyse Ergebnisexport (Excel)
  • 31. nPro.energy 31 nPro.energy 31 ① Zu deckende Energiebedarfe ② Energiebezüge Und: Umwandlungs- und Speichertechnologien Benutzereingaben ① ① ② ② ② ②
  • 32. nPro.energy 32 nPro.energy 32 Berechnungsschritte Energiebedarfe Vorauswahl der Technologien Verfügbare Ressourcen Einsparungsziele etc. ① Benutzereingaben Dimensionierung ② Benutzerdefinierte Dimensionierung ③ Auswertung und Visualisierung Betriebssimulation Optional: Anpassung der Vordimensionierung durch den Benutzer Zeitreihen-Visualisierung Wirtschaftlichkeits- betrachtung KPI-Analyse Ergebnisexport (Excel)
  • 33. nPro.energy 33 nPro.energy 33  Berechnung mittels mathematischer Optimierungsverfahren  Speziell für nPro entwickeltes Verfahren basiert auf gemischt-ganzzahliger linearer Optimierung1)  Zielfunktion, die minimiert wird: Gesamtjahreskosten (CAPEX+OPEX)  Auslegungsrechnung berücksichtigt:  Energiepreise aller Energieimporte bzw. Einspeisevergütungen aller Energieexporte  Investitions- sowie Betriebs- und Wartungskosten jeder Technologie  Ein- und Ausspeicher- sowie Standby-Verluste von Speichern  Stündlich aufgelöste Leistungszahlen bei Wärmepumpen  Energiebilanzen für jeder Stunde im Jahr 1) Design optimization of multi-energy systems using mixed-integer linear programming: Which model complexity and level of detail is sufficient? M. Wirtz, M. Hahn, T. Schreiber, D. Müller. Energy Conversion and Management, 240, 114249, 2021. Dimensionierung
  • 34. nPro.energy 34 nPro.energy 34  Zentral bei der Entwicklung: Tool mit geringen Rechenzeiten  nPro berechnet die Dimensionierung innerhalb von 3 bis 10 Sekunden  Warum sind geringe Rechenzeiten wichtig?  Häufiges Problem bei Auslegungstools:  1 Std. Aufbau des Modells, plus 30 Min. Warten auf Berechnungsergebnisse  Nach 90 Min. erhält man ein Ergebnis mit einigen Zahlenwerten und fragt sich: Kann ich den Ergebnissen jetzt trauen? Dimensionierung: Der Vorteil kurzer Rechenzeiten  Vorgehen in nPro:  Innerhalb weniger Minuten können ein Dutzend Berechnungen durchgeführt werden  Vorteil: Benutzer muss keinem einzelnen Ergebnis glauben, sondern kann viele verschiedene Szenarien durchspielen, z. B.  Strompreis erhöhen, Photovoltaik-Anlage rausnehmen  Auf diese Weise erhält der Benutzer nicht nur eine Einzellösung, sondern entwickelt ein Verständnis für das vorliegende Auslegungsproblem und die wichtigsten Einflussfaktoren  Entwicklung eines belastbaren Erfahrungshorizonts für die techno-ökonomische Problemstellung
  • 35. nPro.energy 35 nPro.energy 35 Berechnungsschritte Energiebedarfe Vorauswahl der Technologien Verfügbare Ressourcen Einsparungsziele etc. ① Benutzereingaben Dimensionierung ② Benutzerdefinierte Dimensionierung ③ Auswertung und Visualisierung Betriebssimulation Optional: Anpassung der Vordimensionierung durch den Benutzer Zeitreihen-Visualisierung Wirtschaftlichkeits- betrachtung KPI-Analyse Ergebnisexport (Excel)
  • 37. nPro.energy 37 nPro.energy 37 Berechnungsschritte Energiebedarfe Vorauswahl der Technologien Verfügbare Ressourcen Einsparungsziele etc. ① Benutzereingaben Dimensionierung ② Benutzerdefinierte Dimensionierung ③ Auswertung und Visualisierung Betriebssimulation Optional: Anpassung der Vordimensionierung durch den Benutzer Visualisierung der Energieströme und Zeitreihen Wirtschaftlichkeits- analyse Key perfomance indicators (KPIs) Ergebnisexport (Excel)
  • 39. nPro.energy 39 nPro.energy 39 Visualisierung der Zeitreihen (hier: Photovoltaik-Erzeugung)
  • 40. nPro.energy 40 nPro.energy 40  Kapitalwertbetrachtung  Berücksichtigung von Erlösen für gedeckte Energiebedarfe Wirtschaftlichkeitsanalyse (Auszug)
  • 41. nPro.energy 41 nPro.energy 41  Aufstellung aller Energiebezüge und -einspeisungen  Detailaufstellung über CO2-Emissionen und Primärenergie  Vergleich mit Referenzsystem  CO2-Emissionen  Primärenergie  Anteil jedes Erzeugers an der Wärme-, Strom- und Kälteerzeugung Key performance indicators (KPIs)
  • 43. nPro.energy 43 nPro.energy 43 Validierung des Tools Wie wurden die Berechnungsmethoden und -modelle verifiziert?
  • 44. nPro.energy 44 nPro.energy 44  Validierung der Bedarfsprofil-Simulation wurde für zahlreiche Gebäude unterschiedlichen Nutzungstyps in Aachen und Frankfurt durchgeführt Validierung der Berechnungsansätze (1)  Validierte Gebäudetypen:  Büro- und Verwaltungsgebäude,  Schulen und Kindertagesstätten,  Spezialgebäude: Schwimmbäder, Theater, … Wärmebedarf eines Kindergartens in Aachen Wärmebedarf eines städtischen Verwaltungsgebäude
  • 45. nPro.energy 45 nPro.energy 45 Validierung der Berechnungsansätze (2) Wärmebedarf eines Schwimmbads in Aachen Wärmebedarf einer Schule
  • 46. nPro.energy 46 nPro.energy 46  Ertragsberechnung für Photovoltaik:  Validierung mit Hilfe des anerkannten Tools PVWatts vom National Renewable Energy Laboratory (USA) für eine Vielzahl von Standorten weltweit sowie unterschiedlichen Ausrichtungen und Neigungswinkeln  Mehr Validierungsdaten auf unserer Website Validierung der Berechnungsansätze (3) Ausrichtung nPro PVWatts Abweichung Horizontal 789 MWh 790 MWh 0,2 % 30° / Süden 893 MWh 900 MWh 1 % 90° / Süden 633 MWh 614 MWh 3 % 45° / Westen 672 MWh 671 MWh 0,2 % 45° / Osten 684 MWh 684 MWh 0 % 90° / Westen 457 MWh 445 MWh 3 % 90° / Osten 466 MWh 455 MWh 2 % 45° / Norden 446 MWh 431 MWh 3 % Ausrichtung nPro PVWatts Abweichung Berlin (Deutschland) 893 MWh 900,2 MWh 1 % Riad (Saudi-Arabien) 1725 MWh 1740 MWh 1 % Moskau (Russland) 906 MWh 907 MWh 0,1 % Kiruna (Schweden) 768 MWh 771 MWh 0,4 % Bangkok (Thailand) 1324 MWh 1334 MWh 0,7 % Barcelona (Spanien) 1309 MWh 1341 MWh 2 %  Validierung von Standorten weltweit:  Beispiel: Berlin (1000 kWp)
  • 47. nPro.energy 47 nPro.energy 47  Ertragsberechnung für Solarthermie:  Basierend auf Norm DIN EN 12975-2  Validierung mit Hilfe des Tools ScenoCalc des SP Technical Research Institute of Sweden (anerkannt für die Zertifizierung von Kollektoren nach dem Solar Keymark- Verfahren)  Validierung für Standorte weltweit Validierung der Berechnungsansätze (4) Ausrichtung nPro ScenoCalc Abweichung Horizontal 611 kWh/m² 603 kWh/m² 1 % 30° / Süden 738 kWh/m² 714 kWh/m² 3 % 90° / Osten 307 kWh/m² 296 kWh/m² 3 % 90° / Westen 320 kWh/m² 309 kWh/m² 4 % 30° / Norden 378 kWh/m² 384 kWh/m² 2 % Standort nPro ScenoCalc Abweichung Frankfurt (Deutschland) 365 kWh/m² 358 kWh/m² 2 % Stockholm (Schweden) 285 kWh/m² 278 kWh/m² 3 % Genf (Schweiz) 446 kWh/m² 438 kWh/m² 2 %  Validierung von Standorten weltweit:  Beispiel: Frankfurt (25 °C Kollektortemperatur) Kollektor- temperatur nPro ScenoCalc Abweichung 25 °C 738 kWh/m² 714 kWh/m² 3 % 50 °C 484 kWh/m² 461 kWh/m² 5 % 75 °C 289 kWh/m² 272 kWh/m² 6 %  Validierung von Standorten weltweit:
  • 48. nPro.energy 48 nPro.energy 48  Ertragsberechnung für Windkraft:  Nutzung von vermessenen Leistungskurven von Herstellern  Bei Windkraft lässt sich das Potential jedoch niemals exakt abschätzen (lokale Gegebenheiten haben erheblichen Einfluss, Vor-Ort-Messungen sind erforderlich)  Berechnung mit Hilfe des Exponentialansatzes nach Hellmann  sowie Leistungskurven von Windkraftanlagen-Herstellern, welche in nPro hinterlegt sind. Validierung der Berechnungsansätze (5) 𝑤Nabe = 𝑤ref ℎNabe ℎref 𝑎 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 5 10 15 20 25 30 35 Leistung (kW) Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe (m/s) Leistungskurve einer Enercon E141
  • 49. nPro.energy 49 nPro.energy 49  Viele Modelle sind intuitiv verständlich  Zum Beispiel vereinfachtes Modell für Blockheizkraftwerke  Vorteil: Schnelle, transparente Parametrierung des Modells  Abweichungen zu genaueren Modellen (z. B. mit Teillastwirkungsgraden) sind für erste Konzeptstudien frühen Planungsphase in der Regel irrelevant  Berechnung kalter Nahwärmenetze wurde anhand mehrerer Beispielquartiere mit akademischen Tools validiert Validierung der Berechnungsansätze (6)
  • 50. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! m.wirtz@npro.energy Marco Wirtz, M. Sc.