Das Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft verfügt seit dem Jahr 2010 über eine 'Kleintechnische Vergärungsversuchsanlage' (KTVA) zur Durchführung langfristiger, anaerober Vergärungsversuche im kontinuierlichen Vergärungsverfahren. Hauptbestandteil ist ein Edelstahlreaktor (Vol. = 1.100 l), welcher beheizbar, durchmischbar und kontinuierlich beschickbar ist. Zusätzlich verfügt die KTVA über einen Vorlage- bzw. Hydrolysebehälter und einen Nachgärbehälter. Derzeit befindet sich die KTVA im Probebetrieb und wird zeitnah für orientierende Versuche genutzt. Mit Hilfe kontinuierlicher Messungen der Zusammensetzung des produzierten Biogases können die Vergärungsprozesse überwacht und optimiert werden.
Das Gesamtziel der Forschergruppe ist die Entwicklung von optimierungsbasierten Regelungen für Niedertemperatur-Verbrennungsmotoren. Die untersuchte Anwendung stellt einen schnellen, zyklischen und stark nichtlinearen Prozess dar. In TP2 werden für schnelle nichtlineare zyklische Prozesse die grundlegenden Methoden erarbeitet, die es erlauben, die auftretenden Optimalsteuerungsprobleme effizient zu formulieren und in Echtzeit, was für schnelle Prozesse innerhalb weniger Millisekunden bedeutet, auf eingebetteter Regelungshardware numerisch zu lösen. Als Basisregelstrategie soll die Methode der iterativ lernenden Regelung (ILC) mit der Methode der nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (NMPC) kombiniert werden. Das Ergebnis soll ein Echtzeititerationsschema für iterativ lernende NMPC (IL-NMPC) sein, das als Zustands- und Parameterschätzer einen Moving Horizon Beobachter (MHE) nutzt. Um die Herausforderung der Echtzeitfähigkeit zu lösen, sollen die in den IL-NMPC-Optimierungsproblemen vorkommenden Strukturen gezielt in der Numerik genutzt werden. Dies betrifft unter anderem die Ausnutzung der Periodizität in der linearen Algebra der MHE- und NMPC-Probleme und die Entwicklung neuer impliziter Integrationsmethoden, die sich durch eine Verzahnung der Ableitungsgenerierung und den IL-NMPC-Optimierungsiterationen auszeichnen. Zunächst soll die IL-NMPC auf Zyklus-zu-Zyklus Basis arbeiten, also mit einer Abtastzeit von 10-60 ms, die der Zyklusdauer entspricht. Hierbei ist entscheidend, dass die Verzögerung des Stelleingriffs wesentlich kürzer als ein Zyklus sein muss, was durch ein Echtzeititerationsschema mit Aufteilen der Rechenzeit in Vorbereitungs- und Feedbackphase ermöglicht wird. In einem zweiten Schritt soll die IL-NMPC um die Fähigkeit des Stelleingriffs auf verschiedenen Zeitskalen erweitert werden. Dies bedeutet, dass nun auch innerhalb des Zyklus Stelleingriffe durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sollen Konzepte unterschiedlicher Komplexität erarbeitet werden. Diese reichen bis hin zu der Entwicklung von maßgeschneiderten Multi-Level-Echtzeititerationsschemata, die eine optimierungsbasierte Regelung im kHz-Bereich ermöglichen sollen. Die in dem Teilprojekt entstehenden numerischen Methoden werden für die Anwendung in Verbrennungsmotoren optimiert, sind aber auch applikationsübergreifend für andere zyklische Prozesse einsetzbar. Daher sollen sie im Rahmen eines Tools zur automatischen Codegenerierung der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt werden.
Im Rahmen der Umsetzung der Wasserrahmenrichtline (WRRL) haben sich bereits im Bewirtschaftungsplan 2009 Saprobiedefzite in einer Reihe von Wasserkörpern in der Oberrheinebene gezeigt. Trotz umgesetzter Maßnahmen wie der Betriebsstabilisierung und - optimierung bei Kläranlagen und z.T. auch bei der Mischwasserbehandlung konnten die Defizite nicht behoben werden.
Das Projekt zielt daher auf ein umfassendes Monitoring in den relevanten Wasserkörpern im Oberrheingraben. Hier stehen die Auswirkungen der Mischwasserentlastungen, von Sedimentqualität, diffusen Einträgen und weiteren aquatischen Güteparametern im Vordergrund. Die gesamtheitliche Auswertung der erhobenen Daten soll Aufschlussüber die Faktoren, welche zu dem Verfehlen der UQN der WRRL führen, geben.
Ziel des Vorhabens der TBM Technologieplattform Bioenergie und Methan GmbH & Co. KG ist es, die wirtschaftliche und nachhaltige Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme aus Biomasse mit Hilfe der neu entwickelten AER (Absorption Enhanced Reforming)-Vergasungstechnologie in einer Anlagengröße von 10 MW Brennstoffwärmeleistung zu demonstrieren. Das neue Verfahren wurde vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) entwickelt. Im Vergleich zu bereits existierenden Biomasseanlagen kommen ein neuartiges Bettmaterial und eine veränderte Betriebsweise zur Anwendung, bei der ein wasserstoffreiches Gas erzeugt wird. Das als Bettmaterial eingesetzte Kalziumoxid bewirkt, dass das entstehende Produktgas weniger unerwünschtes CO2 und Teer enthält. Geringere Vergasungstemperaturen erlauben außerdem den Einsatz von holzartigen Biomassereststoffen aus der Landschaftspflege. Dies trägt den hohen Anforderungen an den Standort in der Nähe des Biosphärenreservats Schwäbische Alb Rechnung. Das Produktgas soll in einem Gasmotor in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Prozessabwärme soll zum einen in einem ORC-Prozess zur zusätzlichen Erzeugung elektrischer Energie dienen und zum anderen als Fernwärme abgegeben werden. Bei optimalem Betrieb und gleichzeitiger Wärmenutzung können insgesamt rund 26.000 Tonnen CO2 pro Jahr und Anlage eingespart werden.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens:
Ziel des Gesamtvorhabens ist die Konzeptionierung, Planung und Ausgestaltung einer integrierten Betreibergesellschaft (iB) sowie eines integrierten Quartierbetriebssystems ? Plattform (DOS) für das Bauvorhaben SolWo Königspark - Bauabschnitt 1. Übergeordnet wird aus den Inhalten und Ergebnissen im Verlauf des Projekts ein Bildungs- und Kommunikationskonzept erarbeitet. Die relevanten Inhalte und erarbeiteten Ergebnisse werden über eine halböffentliche Informations- und Kommunikationsplattform (iB-DOS-Wiki) veröffentlicht. Dies soll die Akzeptanz der geplanten Konzepte unterstützen und somit langfristig auch die Multiplikationsfähigkeit sicherstellen.
Fazit:
Das Projektkonsortium hat in der Phase 1 mit einer vollumfänglichen Machbarkeitsstudie dargestellt und nachgewiesen, dass sich die thermische und elektrische Vernetzung von Wohn- und Gewerbegebäuden auf Quartiersebene ökologisch und ökonomisch lohnt. Dafür ist eine integrierte Betreibergesellschaft notwendig, die gesamten energetischen Betrieb unter Zuhilfenahme eines digitalisierten Werk-zeugs (DOS) im Quartier übernimmt. Im Projektverlauf wurde dieser Ansatz entwickelt und in der Machbarkeitsstudie und diesem Abschlussbericht anhand eines Beispielobjektes dargestellt.
Der neu entwickelte Ansatz zur frühen Integration einer integrierten Betreiber:in in ein Bauprojekt schafft bezahlbare grüne Energie früh im Projekt sicherzustellen. Dafür ist ein dritter Akteur (Berater) notwendig, der zwischen Eigentümer:in, Betreiber:in und späterer Mieter:in (diese Rolle wird auch vom Berater eingenommen) vermittelt und verhandelt.
Die aktuelle Plattformarchitektur und Konzeption kann für diverse Projekte als Basis für den Aufbau einer Plattform genutzt werden.
Aufgrund der modularen Konzeption ist es zudem möglich auch nur wenige Anwendungsfälle anfangs umzusetzen und die Plattform sukzessive auszubauen. Besonders wichtig wäre hierfür die Open Source Community. Wenn Unternehmen (wie bspw. eZeit, Frachtwerk, ?) den Quelle-Code einer künftigen Entwicklung offenlegen und auf bspw. Github veröffentlichen würden, können die Codes weiterbearbeitet und erweitert werden.
An dieser Stelle bedankt sich das Projektteam bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für das entgegengebrachte Vertrauen und die Möglichkeit relevante Ergebnisse zu erarbeiten, die einen großen Beitrag für die Energiewende auf Quartiersebene gebracht haben.