Forschungsbasierte Optimierung

Forschungsbasierte Optimierung für komplexe Energieplanung.

Das Optimierungsmodul von Sympheny basiert auf einem Jahrzehnt Forschung von Empa und dem ETH-Bereich in der Modellierung von Multi-Energie-Systemen: MILP-Optimierung, Fernwärme-Layout, Netzrandbedingungen, Clustering und entscheidungsreifer Szenarienvergleich.

18
Forschungspublikationen
10+ Jahre
Forschungslinie Empa / ETH
10-100x
gemeldete Reduktion der Rechenzeit

Quellen umfassen Peer-reviewed-Fachzeitschriften, ETH- und Empa-Repositorien, offene Datensätze und veröffentlichte Projektanwendungen. Angaben auf dieser Seite sind, wo verfügbar, mit dem zugrundeliegenden Papier, Datensatz oder Projektnachweis verknüpft.

Die Kurzfassung

Dies ist kein statischer Rechner.

Sympheny ist keine Berichtsebene über Tabellenkalkulationen. Es ist ein Optimierungsworkflow für Multi-Energie-Systeme, aufgebaut auf veröffentlichten Methoden zur Modellierung von Netzen, Technologien, Speichern und dem stündlichen Betrieb in einem einzigen Entscheidungsprozess.

Multi-Energie-Optimierung

Sympheny basiert auf der Energie-Hub-Formulierung: Strom, Wärme, Kälte, Gas, Wasserstoff, Speicher und Umwandlungstechnologien werden gemeinsam modelliert, anstatt als getrennte Berechnungen.

Damit kann die Plattform Technologien dimensionieren, den Betrieb planen und Kosten, CO₂ und Eigenversorgung auf Basis eines einheitlichen Modells vergleichen.

Netzbasierte Planung

Die Forschung endet nicht bei der Auswahl von Anlagen. Sie umfasst das Fernwärme-Layout, thermische Netzverluste, Netzrandbedingungen und Wechselwirkungen zwischen Gebäuden.

Das ist es, was Sympheny für Quartiere, Häfen, Campusse, Versorgungsunternehmen und Multi-Eigentümer-Energiegemeinschaften geeignet macht.

Rechnerische Skalierbarkeit

Peer-reviewed Clustering- und Rolling-Horizon-Methoden reduzieren den Rechenaufwand bei der ganzjährigen, gebäudeübergreifenden Optimierung.

Planer können im gleichen Projektzeitraum weitaus mehr Szenarien auswerten, anstatt das Problem so weit zu vereinfachen, bis es in eine Tabellenkalkulation passt.

Entscheidungsreife Belege

Dieselbe Forschungslinie wurde in realen Energiekonzepten, stadtweiten Roadmaps, Industriestandorten, Campussen und politiknaher Modellierung angewendet.

Das macht aus der Wissenschaft praktische Planungsbelege: geringeres Risiko vor dem Kapitaleinsatz, klarere Zielkonflikte und mehr Sicherheit bei Investitionsentscheidungen.

Konkrete Aussagen

Was die Forschung uns erlaubt zu behaupten

Diese Aussagen sind bewusst präzise: messbar, belegt und auf die Entscheidungen ausgerichtet, die Energieteams verteidigen müssen.

Strukturiert
Designworkflow

Plattformbasiertes Design gibt komplexen Energiesystemen einen strukturierten Designworkflow — inspiriert von fortgeschrittenen Ingenieursbranchen —, um Komplexität zu beherrschen und Projektrisiken zu senken.

Sulzer et al., Applied Energy 2023
Öffentlich
Zürich-Quartierdatensatz

Das Papier zum plattformbasierten Design enthält einen öffentlichen Modelica/Sympheny-Quartierdatensatz, der technischen Prüfern eine konkrete Referenzimplementierung statt nur eines konzeptionellen Rahmens bietet.

LBNL Simulation Research Group GitHub dataset
10-100x
schnellere Berechnung

Veröffentlichte Multiskalenverfahren und Rolling-Horizon-Methoden reduzieren die Rechenzeiten so weit, dass eine detaillierte Optimierung im urbanen Massstab praktikabel wird.

Marquant et al., Applied Energy 2017; Procedia Computer Science 2015
40%
mehr Erneuerbare ohne Netzausbau

Netzbasierte Optimierung dezentraler Energiesysteme kann durch die Koordination von Systemdesign und -betrieb mit den elektrischen Randbedingungen wesentlich mehr Erneuerbare integrieren.

Morvaj et al., Applied Energy 2016
18%
Emissionsreduktion im Betrieb

Die Berücksichtigung elektrischer Netzrandbedingungen in den Betriebsplänen reduzierte die Emissionen im veröffentlichten Testfall, während Spannungs- und Stromschwankungen kontrolliert wurden.

Morvaj et al., Applied Energy 2016
23%
niedrigere Emissionen bei gleichen Kosten

Ein simultanes MILP-Modell für Technologiedimensionierung, Betrieb und Fernwärme-Layout zeigte, dass Fernwärme die Emissionen in der Fallstudie reduzieren kann, ohne die Systemkosten zu erhöhen.

Morvaj et al., Energy 2016
Open Source
Software-Herkunft

Das Ehub Modeling Tool übersetzte Quartiersrohdaten in ausführbaren Optimierungscode und legte damit das Softwaremuster zugrunde, das dem heutigen Produktworkflow entspricht.

Bollinger and Dorer, Energy Procedia 2017
5 Stufen
Sicherheitsrahmen

Versorgungssicherheit kann als Planungsziel quantifiziert werden, sodass Teams die Resilienz bewerten können, statt sie nur am Rande mitlaufen zu lassen.

Sulzer et al., iScience 2025
4 Fälle
Brücke zwischen Forschung und Praxis

Angewandte Fallstudien zeigten, dass iterative Stakeholder-Workflows, zeitliche Dekomposition, Automatisierung und klare KPI-Visualisierung entscheidend sind, um Optimierung in die reale Planungspraxis zu bringen.

Bollinger, Marquant and Sulzer, IOP Conference Series 2019
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Warum es relevant ist

Belege für technische und Investitionsentscheidungen

Technisches Vertrauen

Vertrauen Sie der Modellstruktur: Die zugrundeliegenden Methoden sind veröffentlicht und peer-reviewed, keine versteckte Tabellenkalkulationslogik.

Modellieren Sie das reale System: Technologien, Energieträger, Netze, Speicher und der stündliche Betrieb interagieren in einer einzigen Optimierung.

Erkunden Sie mehr Optionen: Clustering- und Rolling-Horizon-Methoden machen grössere Szenariosets praktikabel.

Verteidigen Sie die Empfehlung: Jedes Szenario kann nach Kosten, CO₂, Eigenversorgung und Netzauswirkung verglichen werden.

Investitionsvertrauen

Reduzieren Sie das Investitionsrisiko, bevor Sie Kapital in Infrastruktur binden, die Jahrzehnte bestehen wird.

Quantifizieren Sie Zielkonflikte, anstatt zu früh ein einziges anbietergetriebenes Konzept zu wählen.

Finden Sie Lösungen, die CO₂ und Kosten gleichzeitig verbessern, wenn das System es erlaubt.

Geben Sie internen Projektverantwortlichen Belege, die sie Budgetverantwortlichen, Gremien und öffentlichen Stakeholdern vorlegen können.

Wichtige Forschung

Die Publikationen hinter dem Optimierungsmodul

Dies sind die Publikationen, die am nützlichsten sind, um zu verstehen, warum der Modellierungsansatz von Sympheny glaubwürdig, nachvollziehbar und praktisch für reale Planungsaufgaben ist.

Platform-based design for energy systems

Matthias Sulzer, Michael Wetter, Robin Mutschler, Alberto Sangiovanni-Vincentelli | Applied Energy, 2023

strukturiertes Design Energie-Hub digitaler Workflow

Primärreferenz für das strukturierte Designargument: Energiesysteme benötigen wiederverwendbare, digitale, mehrschichtige Workflows, weil Sektorkopplung und dezentrale Ressourcen die manuelle Planung zu komplex machen. Das Papier enthält einen öffentlichen Modelica/Sympheny-Quartierdatensatz.

Optimization-based planning of local energy systems - bridging the research-practice gap

Andrew Bollinger, Julien Marquant, Matthias Sulzer | IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019

Forschungs-Praxis-Lücke Automatisierung KPI-Workflow

Grundlegendes Praxispapier zur Produktlogik von Sympheny. Es identifiziert iterative Stakeholder-Workflows, zeitliche Dekomposition, Automatisierung und KPI-Visualisierung als fehlende Verbindung zwischen reifer Optimierungsforschung und realer Planungsanwendung.

A holarchic approach for multi-scale distributed energy system optimisation

Julien Marquant, Andrew Bollinger, Ralph Evins, Jan Carmeliet | Applied Energy, 2017

MILP Clustering Multiskalen

Kernskalierungspapier für die Quartiers- und Stadtoptimierung. Es verbindet gebäudegenaue Details mit grösseren Quartiersmodellen und meldet 10-100x rechnerische Geschwindigkeitsverbesserungen bei minimalem Genauigkeitsverlust.

Reducing computation time with a rolling horizon approach

Julien Marquant, Ralph Evins, Jan Carmeliet | Procedia Computer Science, 2015

Rolling Horizon Energie-Hub Rechenzeit

Zeigt, wie die ganzjährige Betriebsstrategie-Optimierung schneller gelöst werden kann, ohne ausschliesslich auf typische Periodenabkürzungen zurückzugreifen.

Optimising urban energy systems: simultaneous system sizing, operation and district heating network layout

Boran Morvaj, Ralph Evins, Jan Carmeliet | Energy, 2016

Fernwärme Netzlayout CO₂/Kosten

Kombiniert Technologiedimensionierung, stündlichen Betrieb und Fernwärme-Netzlayout in einem Optimierungsmodell. Die Fallstudie ergab eine Emissionsreduktion von 23% bei gleichen Kosten.

Optimization framework for distributed energy systems with integrated electrical grid constraints

Boran Morvaj, Ralph Evins, Jan Carmeliet | Applied Energy, 2016

Netzrandbedingungen Erneuerbare Energien dezentrale Energie

Fügt elektrische Netzrandbedingungen zur Optimierung dezentraler Energiesysteme hinzu und zeigt, dass netzbasiertes Design und Betrieb Emissionen reduzieren und Netzausbau verschieben können.

The Ehub Modeling Tool

Andrew Bollinger, Viktor Dorer | Energy Procedia, 2017

Software Automatisierung Energie-Hub

Open-Source-Vorläufer, der zeigt, wie rohe Quartierbeschreibungen in ausführbare Optimierungsmodelle und interpretierbare Ergebnisse übersetzt werden können.

Advancing the thermal network representation for optimal design

Danhong Wang, Xiang Li, Julien Marquant, Jan Carmeliet, Kristina Orehounig | Frontiers in Energy Research, 2021

Thermische Netze Modellvalidierung MILP

Vergleicht MILP-Wärmenetz-Näherungen mit thermohydraulischer Simulation und klärt, wo vereinfachte Optimierung zuverlässig ist und wo zusätzliche Randbedingungen die Designqualität verbessern.

A call to action for building energy system modelling in the age of decarbonization

Michael Wetter, Matthias Sulzer | Journal of Building Performance Simulation, 2024

Dekarbonisierung Workflow Modellierung

Erläutert, warum dekarbonisierte, digitalisierte Energiesysteme einen Übergang zu ganzheitlicheren Modellierungs-, Simulations- und Optimierungsworkflows erfordern.

The energy supply security pyramid

Matthias Sulzer, Georgios Mavromatidis, Alejandro Nunez-Jimenez, Michael Wetter | iScience, 2025

Energiesicherheit Resilienz Politik

Macht Energieversorgungssicherheit zu einem quantitativen Planungsrahmen, nützlich für Politik, Resilienz und Infrastrukturinvestitionsentscheidungen.

Von der Forschung zum Feldnachweis

Die Wissenschaft wurde auf reale Infrastrukturentscheidungen angewendet

Die Forschung beweist, dass die Methode funktioniert; die Projekte zeigen, dass Teams sie unter realen Bedingungen einsetzen können: mehrere Eigentümer, Netze, Tarife, CO₂-Ziele, Resilienzanforderungen und Kapitalentscheidungen.

DoD ICES

Joint Base Andrews - Thermal Network, USA

Erste DoD-Anwendung des plattformbasierten Designs; Wärmenetzdesign abgeschlossen.

Feldnachweis für die Energieplanung von Militärstandorten in Verteidigungsqualität und resilienzorientiertes Wärmenetzdesign, basierend auf derselben strukturierten Design- und Energie-Hub-Logik wie bei Sulzer, Wetter, Mutschler und Sangiovanni-Vincentelli beschrieben.

Industrial ICES

Industrial Harbor Energy Community, Basel (IWB)

20-25% Energiekostenreduktion auf einem multi-stakeholder-Industrie- und Versorgungsstandort.

Engster Vergleichsfall für Multi-Eigentümer-Hafen-, Industrie- und Gemeinschaftsenergiesysteme, bei denen sich Governance- und Infrastrukturentscheidungen überschneiden.

Commercial ICES

Net-Zero Commercial Park, Gossau, Switzerland

75% CO₂-Reduktion und 20% niedrigere Lebenszykluskosten gegenüber dem Referenzszenario.

Starke Kosten-Nutzen-Referenz für emissionsarme Gewerbecampus- und Quartiersplanung.

Campus microgrid

Energy Self-Sufficient Campus, Birr, Switzerland

Vollständiges Selbstversorgungsdesign mit PV, Wasserstoff, Biogas-KWK und Batterien.

Validiert Inselbetrieb, Saisonspeicherung und Wasserstoff-Träger-Logik in einem praktischen Planungsworkflow.

Wärmenetz

Nanoverbund, Basel

Ein gemeinschaftliches Wärme-Sharing-Netz, in Betrieb seit 2023/24.

Feldnachweis für die Kopplung von Installations-Community-Wärme und gemeinsamer lokaler Energieinfrastruktur.

Industrial ICES

Zurich Industrial Site Strategic Energy Plan

65% CO₂-Reduktion bei Lebenszykluskosten-Parität.

Zeigt Multi-Energie-Planung über Abwärme, Wärmepumpen, PV, industrielle Lasten und Kostenbeschränkungen hinweg.

Industrial CCS

GEVAG Waste Incineration Plant, Trimmis (Graubünden)

54-65 CHF/Tonne CO₂ Lebenszykluskosten. Aminwäsche optimal unter Hochstrompreisszenarien.

Machbarkeitsstudie zur CO₂-Abscheidung: Modellierte Energieströme (Dampf bei 400 °C / 230 °C, Heisswasser bei 120 °C, Strom) und verglich Aminwäsche mit dem Kaliumkarbonat-Verfahren. Unterbeauftragt durch Empa. Tags: Industrie · CCS · Dekarbonisierung.

Fazit

Sympheny hilft Teams, bessere Energieinfrastrukturentscheidungen zu treffen, weil die Optimierungsmethode bereits umfassend erprobt wurde.

Die kommerzielle Aussage ist einfach: glaubwürdigere Szenarien, schnellere Iteration und klarere Investitionszielkonflikte für komplexe Energiesysteme.