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Entwicklung und Aufbau eines intelligenten Energiemanagementsystems für eine flexibilisierte und bedarfsgerechte Faulgasnutzung, Teilvorhaben: Energetische und biologische Prozesse der Kläranlage: Von der numerischen Modellierung und Simulation zum digitalen Zwilling

Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung, Teilvorhaben: I0-3_UPM

Energieoptimierte Produktion mit grünen Digitalen Zwillingen

Analyse von Bietstrategien und deren Einfluss auf den Strompreis im EU-Binnenmarkt, Teilvorhaben: Herleitung von Bietstrategien sowie Entwicklung eines strategisch Handelnden P'n'P Agenten und Evaluierung von Bietstrategien in zukünftigen Szenarios

Die Stromerzeuger bieten an der Strombörse einen Erzeugungspreis an, der die variablen Kosten des Kraftwerksbetriebs widerspiegelt. Anhand dieser Grenzkosten wird nach dem Merit-Order Prinzip schließlich der Strompreis ermittelt. Es ist jedoch zu hinterfragen, ob das Bieten nach Grenzkosten heute wie auch in einem zukünftig deutlich heterogener aufgestellten Kraftwerksportfolio, das an der Börse Handel treibt, weiterhin Bestand hat. So verändert die aktuelle Situation an den Energiemärkten durch die unvorhergesehenen starken Preisanstiege der Rohstoffe das gewohnte Handelsbild, denn bei einem gleichgebliebenen Kraftwerkspark sind die Beschaffungskosten bspw. für Gaskraftwerke überproportional gestiegen. Auch der europaweite Ausbau der erneuerbaren Energien kann Einfluss auf das Bietverhalten der Marktteilnehmer haben. Da die Grenzkosten der erneuerbaren Energien Anlagen nahezu null sind, kann deren zunehmender Handel an den Märkten zu großen Differenzen zwischen den Grenzkosten der bietenden Kraftwerke führen. Gleichzeitig können besonders die zu erwartenden Volatilitäten bei der Erzeugung aus erneuerbaren Energien zu sehr geringen Strompreisen führen und damit Refinanzierungen erschweren. Zusätzlich verbindet die europäische Marktkopplung unterschiedliche Erzeugungsparks miteinander und verändert damit ebenfalls die bestehenden Märkte und deren Handelseigenschaften. So kann es finanziell attraktiv erscheinen, einen Aufschlag auf die Grenzkosten oder eine strategisch platzierte Stromnachfrage zu nutzen. Im Rahmen des Vorhabens sollen daher die an der EPEX SPOT vorhandenen Gebotsdaten in den Preiskurven auf strategische Muster hin analysiert werden. Gefundene Strategien werden in einem zweiten Schritt in die Zukunft getestet. Dazu wird deren Einfluss auf den Strompreis und Investitionen in flexible Erzeugungstechnologien in Deutschland unter Berücksichtigung der in Zukunft stark unterschiedlichen nationalen Stromerzeugungssysteme in Europa untersucht.

Technologies, Standards and Business Models for grid-friendly Assetsharing of charging Infrastructure, Teilvorhaben: Business Models

Nachhaltige Kälte- und Wärmeversorgung urbaner Räume mittels Fernkälte- bzw. Fernwärmenetzen unter dem Einsatz energieeffizienter und HFKW-freier Techniken

Durch den Klimawandel steigt der Bedarf an Komfortklimakälte auch in Deutschland stetig an. Viele Bestandsgebäude werden mit Klimatechnik auf- oder nachgerüstet, Neubauten im Nichtwohngebäudebereich werden selten ohne maschinelle Klimatisierung errichtet. Der Bedarf wird meist gebäudeindividuell ermittelt und die entsprechende Technik installiert. Durch den Anschluss an ein Fernkältenetz entfallen wesentliche Komponenten wie Kältemaschine(n) und Rückkühlwerk, was nicht nur den Raum zur Aufstellung dieser einspart, sondern die Kunden auch von der Einhaltung der damit verbundenen Verordnungen (z.B. 42. BImSchV, F-Gas-V) befreit. Ähnliches gilt analog für Fernwärmenetze. Durch die zentrale Bereitstellung von Kaltwasser ergeben sich mehrere positive Umwelt- und Wirtschaftlichkeitseffekte: Der aggregierte Energiebedarf ist abzüglich der Leitungsverluste ca. 40-50% niedriger gegenüber der gebäudeindividuellen Lösung. Die Spitzenlast eines Fernkältenetzes ist niedriger als die der Gebäude mit eigenem System aufsummiert, dementsprechend fällt die installierte Leistung niedriger aus (Ressourcen- und Investitionskostenersparnis). Lastverschiebungen durch Eisspeicher sind in zentralen Einrichtungen mit dem nötigen Fachpersonal einfacher und effizienter zu betreiben als in den einzelnen Gebäuden. Weiterhin sind in Fernkältezentralen oftmals verschiedene Techniken zur Deckung des Kältebedarfs (Kompressionskälte, Absorptionskälte, Nutzung von natürlicher Kälte (Flüsse, Stadtbäche, Seen, Brunnenkühlung)) installiert, die je nach Situation nahe am optimalen Betriebspunkt eingesetzt werden können. Die Hürden, Kältemaschinen mit umweltfreundlichen natürlichen Kältemitteln wie z.B. Ammoniak und Kohlenwasserstoffe einzusetzen, sind in Fernkältezentralen deutlich niedriger als in den Einzelgebäuden (insbesondere im Bestand).

Entwicklung offenporiger monolithischer Perowskitstrukturen als hybride thermische Speicher, Teilvorhaben: Keramikherstellung mittels 3D-Druck und Charakterisierung

Regelbare Kraftwerke, welche Strom je nach Bedarf liefern können, indem sie ihre Leistung anpassen und kurzfristig ein- und ausgeschaltet werden können, gewinnen im Kontext der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Bei der direkten Stromgewinnung, z.B. mittels Photovoltaik oder Windkraft, muss die gewonnene elektrische Energie sofort in das Netz eingespeist werden, oder in großen Batteriespeichersystem gespeichert werden. Dafür benötigte Speichersysteme mit langfristiger Betriebszuverlässigkeit und wettbewerbsfähigen Kosten sind noch nicht kommerziell verfügbar. Wärme kann hingegen zu wesentlich geringeren Kosten als Strom gespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden. So kann aus überschüssigem Strom erzeugte Wärme in großem Umfang und über lange Zeiträume gespeichert werden, aber auch einem CSP (Concentrated Solar Power)-Kraftwerk die notwendige Flexibilität verleihen, Wärme und Strom dann zu liefern, wenn eine große Nachfrage besteht. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung für die weitere kommerzielle Nutzung von CSP. Durch leistungsfähige Wärmespeicher kann der Stromgewinnungsprozess weitestgehend von der Wärmegewinnung entkoppelt werden und so das Potential der Regelbarkeit und Flexibilität optimal genutzt werden. Kommerziell verfügbar sind im Bereich von Temperaturen über 700°C aktuell lediglich Wärmespeichersysteme, welche auf dem Prinzip der sensiblen, also nicht reaktiven, Wärmespeicherung basieren. Ein Einsatz von redoxaktiven Materialien birgt das Potential, die Speicherkapazität und Effizienz von Wärmespeichersystem bedeutend zu steigern. Bei der zyklischen Reduktion und Oxidation solcher redoxaktiver Materialien kann zusätzliche Wärme gespeichert (Reduktion) und wieder entnommen werden (Oxidation). Im Projekt Porotherm-Solar werden Speichermodule aus redoxaktivem Perowskit entwickelt und unter Realbedingungen in einem Demonstrator erprobt.

Analyse der Wasserwirtschaft in Waermekraftwerken

Die Technologien thermischer Kraftwerke zur Deckung des Strombedarfs werden nach heutigem Wissensstand in absehbarer Zukunft nicht auf die Nutzung von Wasser verzichten koennen. Die dabei entstehende thermische Belastung der Gewaesser laesst sich mit geeigneten Massnahmen verringern. Diese Reduzierung ist jedoch durch die zunehmende Anwendung der nassen Rueckkuehlung mit Verdunstungsverlusten verbunden. Ein Abflussdefizit ist die Folge. Bei geringer Wasserfuehrung des Flusses kann daher die Stromerzeugung zu Nutzungseinbussen der uebrigen Anlieger fuehren. Vor diesem Hintergrund ergab sich die Notwendigkeit, neben der Kuehlung auch die uebrigen wassernutzenden Prozesse im Kraftwerk wie Verbrennung, Dampferzeugung, Zusatzwasser-Aufbereitung fuer die verschiedenen Kreislaeufe usw. auf ihre Verdunstung hin zu untersuchen, um in Abhaengigkeit von Technologie und Energiequelle ihre Einfluesse auf den Wasserhaushalt darlegen zu koennen. Durch Vergleich dieser Verluste mit der Wasserfuehrung der Fluesse werden Moeglichkeiten der Kraftwerksplanung nach wassermengenorientierten Gesichtspunkten entwickelt.

Bedarfsgerechte Automatisierung der Freiflächen- und Tröpfchenbewässerungstechnik mittels on-site IOT-Sensorik, unterstützt durch Satellitentechnik, Teilprojekt A

Bedingt durch den Klimawandel sind landwirtschaftliche Kulturpflanzen vermehrt Wasserstress und Frostschäden ausgesetzt. Gleichzeitig prognostiziert die FAO einen Anstieg des globalen Wasserbedarfs um 55% (Landwirtschaft um 11%), bei einem Anstieg der gesamten beregneten Fläche um 6% bis 2050. Diese Problematik, kombiniert mit dem Bevölkerungsanstieg, wachsendem Energiebedarf und dem Rückgang der nutzbaren landwirtschaftlichen Fläche in den Industriestaaten, verlangt nach Lösungen. Ein bedarfsgerechter, energiesparender und effizienter Einsatz der Ressourcen Wasser und Energie ist erforderlich, um eine zukunftsfähige und nachhaltige Bewässerung zu gewährleisten und der steigenden Nutzungskonkurrenz, um die Ressource Wasser, zu begegnen. Während eine automatisierte Bewässerung im Gewächshaus bereits Stand der Technik ist, wird die Freiflächen und Tröpfchenbewässerung wie z.B. im Gemüse bzw. Obstbau überwiegend manuell auf Basis von Erfahrungswerten der Anbauer oder aufgrund fest geplanter Bewässerungsintervalle durchgeführt. Dies führt in der Regel zu hohen Bewässerungsgaben und kann weiterhin zu Nährstoffauswaschungen führen. Ziel dieses Projektes ist es daher, Daten aus den unterschiedlichsten Quellen auf einer intelligenten Service-Plattform miteinander zu verknüpfen, um dadurch über eine digitale Entscheidungsunterstützung, eine bedarfsgerechte und (teil-)automatisierte Bewässerung zu ermöglichen. Gerade die Integration lokaler Sensoren in einem multivariaten Ansatz, soll dabei auch der zunehmenden Entwicklung von teilabgedeckten Agrarflächen durch Agri-Photovoltaik-Anlagen, Folien und Netzen gerecht werden. Kern des Projekts ist dabei ein Cloud-basierter Bewässerungsplaner, der sich automatisiert an die on-Site gemessenen Klimaparameter, sowie den aktuellen phänologischen Bedingungen in Echtzeit anpasst. Der Planer wird dann mit den bestehenden Systemen der Projektpartner vernetzt, um die Ausführung der Bewässerung zu (teil)-automatisieren.

Bedarfsgerechte Automatisierung der Freiflächen- und Tröpfchenbewässerungstechnik mittels on-site IOT-Sensorik, unterstützt durch Satellitentechnik, Teilprojekt C

Bedingt durch den Klimawandel sind landwirtschaftliche Kulturpflanzen vermehrt Wasserstress und Frostschäden ausgesetzt. Gleichzeitig prognostiziert die FAO einen Anstieg des globalen Wasserbedarfs um 55% (Landwirtschaft um 11%), bei einem Anstieg der gesamten beregneten Fläche um 6% bis 2050. Diese Problematik, kombiniert mit dem Bevölkerungsanstieg, wachsendem Energiebedarf und dem Rückgang der nutzbaren landwirtschaftlichen Fläche in den Industriestaaten, verlangt nach Lösungen. Ein bedarfsgerechter, energiesparender und effizienter Einsatz der Ressourcen Wasser und Energie ist erforderlich, um eine zukunftsfähige und nachhaltige Bewässerung zu gewährleisten und der steigenden Nutzungskonkurrenz, um die Ressource Wasser, zu begegnen. Während eine automatisierte Bewässerung im Gewächshaus bereits Stand der Technik ist, wird die Freiflächen und Tröpfchenbewässerung wie z.B. im Gemüse bzw. Obstbau überwiegend manuell auf Basis von Erfahrungswerten der Anbauer oder aufgrund fest geplanter Bewässerungsintervalle durchgeführt. Dies führt in der Regel zu hohen Bewässerungsgaben und kann weiterhin zu Nährstoffauswaschungen führen. Ziel dieses Projektes ist es daher, Daten aus den unterschiedlichsten Quellen auf einer intelligenten Service-Plattform miteinander zu verknüpfen, um dadurch über eine digitale Entscheidungsunterstützung, eine bedarfsgerechte und (teil-)automatisierte Bewässerung zu ermöglichen. Gerade die Integration lokaler Sensoren in einem multivariaten Ansatz, soll dabei auch der zunehmenden Entwicklung von teilabgedeckten Agrarflächen durch Agri-Photovoltaik-Anlagen, Folien und Netzen gerecht werden. Kern des Projekts ist dabei ein Cloud-basierter Bewässerungsplaner, der sich automatisiert an die on-Site gemessenen Klimaparameter, sowie den aktuellen phänologischen Bedingungen in Echtzeit anpasst. Der Planer wird dann mit den bestehenden Systemen der Projektpartner vernetzt, um die Ausführung der Bewässerung zu (teil)-automatisieren.

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