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Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung, SynErgie3: Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung

Notwendige Nachrüstung von dezentralen Erzeugungsanlagen - Entwicklung einer Nachrüststrategie für dezentrale Erzeugungsanlagen zum Erhalt der Systemsicherheit bei Über- und Unterfrequenz

Ecofys und Partner entwickelten für das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie eine Nachrüststrategie für Stromerzeugungsanlagen zum Erhalt der Systemsicherheit bei Über- und Unterfrequenz. Konkret wurde untersucht, welche Anlagentypen (Wind-, Biomasse-, KWK- und Wasserkraftanlagen) nach welchen Verordnungen an das Stromnetz angeschlossen sind, und wie groß das Gefährdungspotential ist. Darauf aufbauend wurde abgeschätzt, wie hoch der Aufwand zur Anpassung der Anlagen an aktuelle Erfordernisse ist, um die Stabilität des Stromnetzes auch bei Störfällen zu gewährleisten. Als Ergebnis erarbeitete das Konsortium konkrete Handlungsempfehlungen für das Ministerium. Dabei wurden auch juristische Vorschläge für eine neue Verordnung entwickelt.

Regionaler zellularer Verbund von Versorgungseinheiten mit Netzregelaufgaben

Für einen stabilen Netzbetrieb muss das Angebot an elektrischer Leistung stets dem Verbrauch entsprechen. Dazu halten die Übertragungsnetzbetreiber Regelleistung zur Primär- und Sekundärregelung sowie Minutenreserve vor. Mit der Zunahme der Leistungseinheiten mit volatiler Netzeinspeisung aus erneuerbaren Energien, wie Windkraft und Photovoltaik, erhöht sich permanent der Bedarf an Regelleistung. Gleichzeitig wird die eingespeiste Leistung aus konventionellen Großkraftwerken und damit die zur Verfügung stehende Regelleistung abnehmen. Aktuelle Studien zeigen zudem, dass in der Primärregelung künftig signifikant kürzere Reaktionszeiten und höhere Leistungsänderungsgeschwindigkeiten erforderlich sind. Die so entstehende Bedarfslücke kann künftig durch regionale zellulare Verbünde von Versorgungseinheiten abgedeckt werden. Sie sind gekennzeichnet durch eigene dezentrale Versorger-, Verbraucher- und Speicherkapazitäten , insbesondere Industriebetriebe mit eigenen Heizkraftwerken auf Basis von Gas, Biomasse oder Kohle mit Priorität der Wärmeversorgung, Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen sowie elektrische Batteriesysteme und thermische Speicher. Sie stellen nach außen einen Verbund mit positiver und negativer Regelreserve dar. Der Netzbetreiber kann die einzelnen Verbünde gestuft einsetzen und abrufen. Hierdurch entstehen zusätzliche Redundanzen, welche die Gesamtsystemstabilität erhöhen. Ziel des Vorhabens ist es zunächst, Lösungsansätze zu entwickeln, so dass regionale zellulare Verbünde von Versorgungseinheiten auch hochdynamische Netzregelaufgaben erfüllen können. Das komplexe Zusammenwirken von Energiebereitstellungs-, Nutzungs- und Speichereinheiten unterschiedlicher Energieformen stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Die Übernahme von Netzregelaufgaben muss ohne Abstriche bei Prozess- und Versorgungsstabilität, Betriebszuverlässigkeit und Anlagenlebensdauer erfolgen. Nur durch die Integration geeigneter Speicher, einer intelligenten Nutzung systeminhärenter Speicherkapazitäten sowie einer übergeordneten Steuerung und Überwachung des komplexen dezentralen Systems können die Anforderungen erfüllt werden. Als Entwicklungsplattform und Demonstrator soll das Technikum des Zentrum für Energietechnik (ZET) der TUD dienen. Es repräsentiert einen derartigen Verbund dezentraler Erzeuger- und Verbrauchereinheiten von Elektroenergie und Wärme mit Kopplung zum Strom- und Wärmenetz des lokalen Energieversorgers im Universitätscampus.

BHKW-Wärmespeicher mit makrogekapselter PCM-Schüttung

Blockheizkraftwerke (BHKW) eignen sich besonders für dezentrale Strom- und Wärmekonzepte und bilden eine effiziente Regelenergiequelle für virtuelle Kraftwerke. Es ist daher notwendig, die Erzeugung von Strom und Wärme durch geeignete Speichersysteme im Tageslastgang weitestgehend zu entkoppeln. Latentwärmespeicher (LWS) ermöglichen im Vergleich zu Wasserspeicher höhere Speicherdichten, kommen aber aufgrund hoher Kosten bislang kaum zum Einsatz. Für kompakte Systemlösungen aus Klein-BHKW und Speicher wären jedoch höhere Speicherdichten jedoch wünschenswert. Zielstellung des Projektes ist daher die Untersuchung von Makroverkapselungen für Latentspeichermedien (PCM) auf der Basis von Beutelverpackungen, mit denen die Speicherkosten reduziert werden können. Durch eine modulare Bauweise des Speichers wird zudem eine Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle ermöglicht.

Entwicklung und Aufbau eines intelligenten Energiemanagementsystems für eine flexibilisierte und bedarfsgerechte Faulgasnutzung, Teilvorhaben: Entwicklung einer offenen Software-Architektur zur Integration verschiedener Funktionsmodule

Das Vorhabenziel ist die Entwicklung, Implementierung und Optimierung eines intelligenten Energiemanagementsystems und eine Validierung an der Kläranlage Bad Wörishofen. Dabei wird eine generische Systemarchitektur geschaffen, die Entscheidungsunterstützung durch Simulationen und mathematische Optimierung bietet, welche sich leicht auf andere Kläranlagen übertragen lassen soll. Hierzu werden die Systemmodule definiert und der Datenfluss festgelegt, um Kläranlagenbetreiber bei Entscheidungen im Anlagen- und Energiemanagement zu unterstützen. Technische und regulatorische Anforderungen werden berücksichtigt, ebenso wie Aspekte der Cyber-Sicherheit. Für die Integration in die Betriebsprozesse werden Datenformate und Schnittstellen definiert und die Anbindung an das Prozessleitsystem vorbereitet. Ein benutzerfreundliches Bedienkonzept erhöht die Akzeptanz. Im Rahmen der technischen Umsetzung wird ein Optimierungsverfahren für intelligentes Lastmanagement entwickelt, das den Energieverbrauch durch zeitliche Glättung von Spitzenlasten optimiert. Hierbei werden prognostizierter Verbrauch, Energieerzeugung und variable Stromtarife einbezogen, um die Eigenenergieerzeugung zu maximieren und Stromkosten zu reduzieren. Flexible Prozesse wie der Betrieb von Zentrifugen werden integriert, um die Energieeffizienz weiter zu steigern. Externe Datenquellen, etwa Wetter-, Prozess- und Kanalnetz-Daten, werden über einheitliche Schnittstellen angebunden und für Prognosen nutzbar gemacht. Im Testbetrieb wird das iEEMS an die spezifischen Bedingungen der Kläranlage angepasst und unter realen Betriebsbedingungen evaluiert. Handlungsempfehlungen werden durch Fachkräfte geprüft und umgesetzt. Die Mensch-Technik-Interaktion sowie die in vorherigen Arbeitspaketen definierten Leistungskennzahlen (KPIs) werden bewertet, um das System weiter zu optimieren. Der ganzheitliche Ansatz ermöglicht eine nachhaltige Steigerung der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit der Kläranlage

Beitrag dezentraler Erzeugungsanlagen zur Versorgungssicherheit - Untersuchungen zur Notwendigkeit einer weitergehenden Systemsteuerung zur Einhaltung der Systembilanz

Diese Studie zur Systembilanz des deutschen Energiesystems erstellten Ecofys und Consentec im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Es wurde untersucht, ob in Anbetracht des starken Zubaus dezentraler und teilweise nicht steuerbarer Erzeugungsanlagen kurz- bis mittelfristig Schwierigkeiten bezüglich der Einhaltung der Systembilanz zu erwarten sind. Die abgeleiteten Erkenntnisse erlauben eine Optimierung und wirtschaftliche Bewertung von Maßnahmen. Zudem enthält die Studie explizite Schlussfolgerungen für regulatorischen Handlungsbedarf.

Digitalisierte Wärmespeicher für die Energiewende, Teilvorhaben: Optimierung Sensorhaut zur großflächigen Temperaturerfassung an Wärmespeichern

In dem Projekt DARING soll die Energieeffizienz von Wärmespeichern (z.B. Puffer- und Trinkwasserspeicher) im Bereich der Gebäudeenergieversorgung signifikant gesteigert werden. Dafür wird eine innovative Sensortechnologie (Sensorhaut) für die großflächige Erfassung des Temperaturprofils an den Speichern optimiert. Mit den generierten Daten lässt sich der exakte Beladungszustand bestimmen und die Energiezufuhr gezielter steuern. Durch eine bessere Steuerung von Wärmepumpensystemen kann eine Effizienzsteigerung um bis zu 10% erreicht werden. Für Solarthermie-Anlagen im Gebäudebereich sowie Fernwärme-Hausstationen werden äquivalente Werte prognostiziert. Bei der vorgelagerten Gebäudeversorgung über Wärmenetze besteht bei einer Integration in das übergeordnete Lastmanagement das Potenzial, vom kontinuierlichen in den Pulsbetrieb überzugehen, womit Trinkwasserspeicher gezielt beladen werden können. Die Technologie der Sensorhaut basiert auf druckbarer organischer Dünnschicht-Elektronik und erlaubt die zuverlässige Messung verschiedener Parameter (z.B. Temperatur) über große Flächen hinweg in Echtzeit. Durch den speziellen Herstellungsprozess (Flüssigprozessierung) sind die Sensorfolien in Form und Funktion nahezu beliebig konfigurierbar. Dabei entsteht nur ein minimaler Material- und Energieverbrauch, woraus sich im Vergleich zu herkömmlicher Sensorik Kostenvorteile sowie eine bessere CO2 Bilanz ergeben. DARING ist als Verbundprojekt konzipiert, in dem Experten aus Forschung und Praxis zusammenarbeiten. Dadurch wird gewährleistet, so nah an den realen Gegebenheiten und Bedürfnissen zu entwickeln wie möglich. Neben dem Institut für Angewandte Physik der TU Dresden sind die Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung, die Firma Viessmann Climate Solutions SE sowie die Cupasol GmbH als direkte Projektpartner an der Umsetzung und Erprobung beteiligt. Darüber hinaus ist die Vonovia SE als Drittmittelgeber Teil des Konsortiums.

Abschätzung der Bedeutung des Einspeisemanagements nach Paragraph 11 EEG und Paragraph 13 Abs. 2 EnWG

Diese im Auftrag des Bundesverbands WindEnergie e.V. erstellte Studie erläutert die Auswirkungen des Einspeisemanagements auf die Windenergieerzeugung in den Jahren 2010 und 2011. Ecofys analysierte das Einspeisemanagement, welches Verteilnetzbetreiber (VNB) anwenden, um die Netzsicherheit zu gewährleisten. Während des EinspeiseManagement-Vorgangs regelt der Verteilnetzbetreiber temporär die Erneuerbaren Energien (EE) Anlagen in der betroffenen Netzregion ab, um eine Überlastung des Netzes zu vermeiden. Wir führten eine Bestandsaufnahme zum Einspeisemanagement der deutschen Verteilnetzbetreiber durch und entwickelten eine Methode zur Abschätzung der dadurch abgeregelten Energiemenge. Die Ergebnisse der Ausfallarbeit eines Jahres vergleichen wir regelmäßig mit den Ergebnissen der vorangegangenen Jahre, um daraus den sich ergebenden Trend abzuleiten. Bislang veröffentlichen Netzbetreiber die durch Einspeisemanagement verloren gegangene Energie nicht. Darüber hinaus untersuchte Ecofys, ob in Engpasssituationen Einspeisemanagement nach Paragraph 11 EEG durchgeführt wurde und Entschädigungen nach Paragraph 12 EEG gezahlt wurden oder ob Maßnahmen nach Paragraph 13 Abs. 2 EnWG, ohne die Möglichkeit zur Entschädigung der Anlagenbetreiber, durchgeführt wurden.

Forschungsinitiative Zukunft Bau - Forschungscluster 'Energieeffizientes und klimagerechtes Bauen', Praxistest der Auswirkungen von Einzelraumregelung für Heizung, Lüftung und Beleuchtung auf Energieeinsparung bzw. Senkung der Betriebskosten

Das Forschungsvorhaben untersucht die Praxistauglichkeit von Einzelraumregelsystemen für die Heizung, Lüftung und Beleuchtung bei ausgewählten Bundesbaumaßnahmen. Dabei sind Fragen hinsichtlich der Energieeffizienz, der Wirtschaftlichkeit und der Nutzerzufriedenheit zu beantworten. Im Ergebnis sind Empfehlungen für den praktischen Einsatz der Einzelraumregelung zu erwarten. Das Zusammenwirken zunehmend innovativer und komplexer Anlagen zur Heizung, Kühlung, Klimatisierung und Beleuchtung insbesondere von Nichtwohngebäuden unter Berücksichtigung eines von Betreibern und Nutzern gleichermaßen formulierten und ständig steigenden Anspruchs an den energieeffizienten Betrieb der Anlagen und des Gebäudes ist ohne den Einsatz von Raum- und Gebäudeautomationssystemen immer schwieriger zu leisten. Ein übergeordnetes Energie- und Lastmanagement zur Betriebsoptimierung unter den jeweils gegebenen spezifischen Nutzungsbedingungen erfordert darüber hinaus den Einsatz eines Energiemanagementsystems. Die Hersteller und Anbieter entsprechender Systeme propagieren signifikante Energieeinsparungen, die sich aber erfahrungsgemäß nicht in jedem Fall realisieren lassen. Darüber hinaus sind höhere Investitionskosten und ein Mehraufwand bei Inbetriebnahme und Unterhaltung zu berücksichtigen. Insgesamt gesehen bestehen uneinheitliche und bisweilen widersprüchliche Aussagen zum Energieeinsparpotenzial von Einzelraumregelsystemen. Aus Sicht des Investors ist dies ein höchst unbefriedigendes Ergebnis, müssen doch die zum Teil erheblich höheren Investitionskosten vorrangig (d. h. ungeachtet des Komfortgewinns) durch die energetischen Einsparungen gegenfinanziert werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher eine weitestgehend produkt- und technikneutrale Bewertung von Einzelraumregelsystemen in ausgewählten Bundesbauten erfolgen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es deshalb, - am Beispiel von typischen Anwendungen in Verwaltungsgebäuden praktische Erfahrungen aus dem Betrieb zu erheben, - den mit dem jeweiligen System erzielten Energieverbrauch im Hinblick auf mögliche weitere Einsparungen hin zu untersuchen, - Daten zur Betreiber- und Nutzerzufriedenheit zu erheben und zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Praxistauglichkeit mit modernen innovativen Lösungen zu vergleichen, - eine Empfehlung für den Einsatz von Systemen der Raumautomation in Verwaltungsgebäuden zu erarbeiten, - Erkenntnisse über diese Systeme aus der Praxis zu erhalten.

Betriebsoptimierung des Wärmenetzes einschließlich der Nutzung von Strom aus EE und Abwärme aus der Wasserstoffproduktion in Bosbüll

Der Fokus des avisierten Forschungsvorhabens liegt auf der Umsetzung von optimierten Betriebsstrategien mit Hilfe der prädiktiven Regelung mit KI unter Berücksichtigung von technischen, wirtschaftlichen und regulatorisch-rechtlichen Aspekten. Die grundlegenden technischen Aspekte beinhalten dabei die simulationsgestützte Entwicklung einer KI- und prognosebasierten Betriebsführung für das Wärmenetz zur maximalen Nutzung des eigenen lokal erzeugten Stroms aus PV- und Windkraftanlagen und der erlösoptimierten Vermarktung der Residualmengen im Strommarkt. Darüber hinaus sollen die Einbindung von Abwärme aus der Wasserstoffproduktion ins Wärmenetz und die Nutzung von thermischen Speichern (zentral und dezentral) im Lastmanagement mitberücksichtigt werden. Damit soll eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads der Wasserstoffproduktion durch die Einbindung der Abwärme ins Wärmenetz ermöglicht werden.

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