HeatDecarb – Wärmetransformationstool
Das Python-basierte Stock-and-Flow-Modell HeatDecarb dient der Modellierung von Szenarien zur regionalisierten Entwicklung der Wärmeversorgung und der damit einhergehenden systemischen Effekte sowie der entstehenden Kosten für das betrachtete Gebiet. Mit den Ergebnissen des Tools können gezielte Maßnahmen abgeleitet werden, welche die Transformation hin zu einer klimaneutralen Wärmeversorgung fördern. Darüber hinaus kann durch die Variabilität des Tools der Effekt von unterschiedlichen Annahmen zu Sanierungsraten und -tiefen sowie Heizsystemwechsel auf das Gesamtgebiet sichtbar gemacht werden. Das Tool arbeitet auf Gebäude- oder Flurstücksebene und die Ergebnisse können differenziert aggregiert ausgegeben werden. Die Kernergebnisse des Modells sind u.a.
- Wärmebereitstellung je Technologie
- Endenergiebedarf
- Treibhausgasemissionen
- Fixe und variable Kosten
Aus diesen lassen sich beispielweise der Ausbau der Wärmenetze und die Verbreitung von Wärmepumpen direkt ableiten. Damit wiederum können auch Rückwirkungen auf die Stromnetzbelastung identifiziert werden.
Hintergrund
Die klimaneutrale Bereitstellung von Wärme für den Gebäudesektor spielt eine elementare Rolle zum Erreichen der deutschen Klimaziele und der gesamten Transformation des Energiesystems. Um Städten und Stadtwerken ein Planungstool an die Hand zu geben, wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „Zukunftsstrategie Fernwärme“ und weiteren Praxisprojekten das FfE-Wärmetransformationstool (heute HeatDecarb) entwickelt.
Das zum 01. Januar 2024 bundesweite in Kraft getretene Gesetz zur kommunalen Wärmeplanung (FfE-Artikel zur kommunalen Wärmeplanung) gab einen rechtlichen standardisierten Rahmen vor, um in den kommenden Jahren effiziente, nachhaltige und zukunftsorientierte Lösungen im Bereich der Wärmeversorgung zu fördern. Das 2026 diskutierte Gebäudemodernisierungsgesetz stellt die Notwendigkeit einer Überprüfung der getroffenen Planungen in den Raum. Dennoch bleibt die kommunale Wärmeplanung ein Grundpfeiler der Energiewende und somit entscheidend für das Erreichen der Klimaneutralität. Im Rahmen dieser Gesetze werden auch die Modellierung eines Zielszenarios und verschiedene Kartendarstellungen gefordert. Daten hierfür liefert das FfE-Wärmetransformationstool HeatDecarb.
Mit HeatDecarb kann geprüft werden, welche Effekte resultieren, wenn die Wärmeversorgungsarten entsprechend der festgelegten regionalisierten Priorisierung angewendet werden. Eine geeignete und projektspezifische Parametrisierung ist unabdingbar. Eine abschließende Entscheidung über die Wärmeversorgungsart und bauteilweise Sanierungsmaßnahmen zu geben, ist kein Ziel von HeatDecarb, sondern muss im Einzelfall durch eine Vor-Ort-Energieberatung erfolgen.
Beispielergebnis einer Szenarienberechnung
HeatDecarb kann die Ergebnisse in verschiedenen Aggregationsstufen und grafischen Auswertungsformen ausgeben. In Abbildung 1 sind zwei beispielhafte Szenarienpfade für die energetische Entwicklung der Wärmebereitstellung für dasselbe Gebiet gezeigt. Das Gebiet selbst besteht aus knapp 70.000 einzelnen Flurstücken, die wiederrum in 56 Cluster eingeteilt wurden. Die Graphen aus Abbildung 1 zeigen die aggregierte Wärmebereitstellung in GWh pro Technologie und Jahr. Der Vergleich des links dargestellten Zielszenarios mit dem rechts abgebildeten Trendszenario verdeutlicht, dass sich durch eine unterschiedliche Festlegung der Umsetzungsparameter im Tool (hier die Sanierungsraten und -tiefen sowie die Heizsystemwechselraten) die Entwicklung und der Endzustand deutlich unterscheiden können. Alle Ergebnisse können kartographisch visualisiert werden, wie Abbildung 2 exemplarisch zeigt.
Wie funktioniert HeatDecarb?
Abbildung 3 zeigt den schematischen Aufbau von HeatDecarb und dessen Input- und Outputdaten. Ergänzend veranschaulicht Abbildung 4 die Hauptsimulation in einer detaillierte schematischen Darstellung. Das Tool verarbeitet die Inputdaten, die aus der Bestands- und Potenzialanalyse einer kommunalen Wärmeplanung aufbereitet wurden. Dazu berücksichtigt es die projektspezifische Einteilung des Gebietes in verschiedene Cluster. Mit dem auf Flurstück- oder Gebäudeebene aufbereitetem Datensatz wird dann in der Hauptsimulation pro Jahr innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, zum Beispiel 2025 bis 2035 oder bis 2045, gerechnet. Dabei wird je Gebäude und Jahr aktualisiert, ob das derzeitige Heizsystem beibehalten, erneuert oder ausgetauscht wird. Darüber hinaus werden über Auswahllogiken diejenigen Gebäude identifiziert, die priorisiert für eine Sanierung in Frage kommen. Abschließend liegt ein umfassender Datensatz vor, bei dem für verschiedene Aggregationslevel automatisch die Entwicklung des Wärmebedarfs, der Endenergie, der Treibhausgasemissionen und Kosten ausgegeben werden.
Eine detaillierte Beschreibung der Simulationslogik und dessen Annahmen geben wir im Abschlussbericht Kommunale Wärmeplanung Stuttgart. Weitere Beschreibungen zu den Herausforderungen der Modellerstellung und dessen Lösungsansätze, einen Ausblick zur Weiterentwicklung und aus der Modellierung gewonnene Erkenntnisse für die Wärmetransformation sind in dem veröffentlichen Abschlussbericht des Forschungsprojektes „Zukunftsstrategie Fernwärme“ dargelegt.
In der praktischen Anwendung
Das Modell kam bereits für die Erstellung des ENP in Köln sowie für die kommunale Wärmeplanung der Landeshauptstadt Stuttgart zum Einsatz. Besonders im Rahmen der Modellierung für die Landeshauptstadt Stuttgart wurde das Modell erweitert und für die Berechnung unterschiedlicher Szenarien angewendet. Fokus der aktuellen Weiterentwicklungen ist die Abbildung des zu erwartenden Gebäudemodernisierungsgesetzes.
Literatur
[1] Umweltbundesamt (2024): Energieverbrauch für fossile und erneuerbare Wärme https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-fuer-fossile-erneuerbare-waerme (abgerufen am 04.01.2024)
[2] Umweltbundesamt (2023), Fachgebiet V 1.8 – Geschäftsstelle der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE- Stat): Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland – unter Verwendung von Daten der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat). Dessau-Roßlau: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
[3] Wissenschaftliche Dienste 5: Wirtschaft und Verkehr, Ernährung und Landwirtschaft (2023), Sachstand: Die Wärmewende in Deutschland – Bedeutung, Ziele und Umsetzbarkeit. WD 5 – 3000 – 010/23 Berlin. Deutscher Bundestag