Eine besondere Herausforderung im geplanten Gebäude liegt bei der variablen Nutzung und den großen Anteilen unterirdischer Räume, was zugleich großes Potential der Energieverschiebung bietet. So müssen möglicherweise unterirdische Gebäudeteile noch beheizt werden, obwohl in überirdischen Gebäudeteilen mit größeren Glasflächen bereits gekühlt werden muss. Dadurch ist es nötig, die Speicherfähigkeit des Gebäudes in mehrere Speichersysteme zu teilen und Energie variabel zu speichern und dabei interne Energieflüsse zu berücksichtigen. Hierbei helfen beispielsweise die geschickte Nutzung von oberflächennaher Geothermie in Kombination mit den internen Wärmeverteilsystemen, ebenso wie der Einsatz von Raumlufttechnik.

Modell eines perfekten Energiemanagementsystems

Die Berechnung der Emissionen für ein optimales Energiemanagement basiert darauf, dass durch vorhandene Speichermassen der gesamte Heizeinsatz gezielt innerhalb eines Tages verschoben werden kann. Dann ist ein optimales Energiemanagementsystem in der Lage die Zeiten zu nutzen, in denen die CO2 Emissionen für diesen Tag am Niedrigsten sind. Auch hier muss die Wärmepumpen-Anlage die Menge an elektrischer Energie beziehen, die notwendig ist, um den thermischen Tagesbedarf zu decken. Wenn aber dazu grundsätzlich die emissionsärmsten Stunden des Tages genutzt werden, ergibt sich eine geringe Gesamtemission von ca. 15 Tonnen CO2.

Um das Potenzial für den Einsatz eines EMS auszuloten wurden ein perfektes EMS auf Tagesbasis modelliert und auf diese angewandt. Der Unterschied zwischen normalen und optimierten Betrieb sind in der Grafik dargestellt. DAs Model zeigt sich, dass bis zu 33% der CO2-Emissionen für den Heizbetrieb durch ein EMS vermieden werden können.
Obwohl die Modellierung der Wirkung eines perfekten EMS nicht kompliziert ist, ist im Gegensatz dazu die konkrete Umsetzung aktuelles Forschungsthema.

Digitaler Zwilling

Zukünftige Arbeiten liegen in der mathematischen Modellierung der detaillierten Energieverlustmechanismen für den konkreten Museumsbau. Diese Modellierung besteht aus mehreren gekoppelten Sätzen von Differentialgleichungen, die es erlauben einen digitalen Zwilling für einzelne energetische Komponenten zu erstellen. Dadurch kann die energetische Reaktion des Gebäudes vorherberechnet werden. In Kombination mit den digitalen Zwillingen der Energieerzeugungs- und Verteilungsanlagen ergibt sich ein mathematisches Gesamtbild des Museumsgebäudes.

Algorithmen

Eine weitere Forschungsfrage ist Auswahl eines passenden Optimierungsalgorithmus. Unterschiedliche Algorithmen liefern bei verschiedenen Rechenzeiten unterschiedlich gute Ergebnisse. Die modernsten EMS nutzen oftmals eine Kombination aus klassischen Optimierungen, Algorithmen der künstlichen Intelligenz und Expertenwissen.

Netzdienlichkeit

Ebenso von aktuellen Forschungsinteresse sind Fragen der Netzdienlichkeit: Wie können Verbraucher wie das Museum rückkopplungsfrei mit dem Energieversorgungsnetz kommunizieren und welchen Einfluss auf das öffentliche Netz kann durch den Einsatz eines EMS erreicht werden.

EMS in der Bauphase

Zur Vorbereitung dieser Arbeiten sind in der Bauphase (Projektphase 2) elektrische Monitoringsysteme in die elektrische Verteilung einplant und integriert. Nur dadurch können im späteren Betrieb die entsprechenden Daten in Echtzeit aufgenommen werden und als Grundlage für ein EMS dienen.