Forschungsgruppe Energiesystemanalyse

Die Forschungsgruppe Energiesystemanalyse wurde im Jahr 2015 gegründet. Die Professoren und Mitarbeiter erarbeiten im Kontext der Energiewende Lösungen zur nachhaltigen Energieversorgung an der Schnittstelle von Forschung und Praxis.  Dies umfasst die energetische, ökologische und ökonomische Optimierung des Betriebs und Designs dezentraler Energieversorgungssysteme.

Hierzu werden Software und Methoden zur rechnergestützten Analyse und Optimierung von Energiesystemen entwickelt. Die Methoden werden regelmäßig in anerkannten Fachzeitschriften veröffentlicht und die zugehörigen Tools als Open Source Software der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.

In der Strukturoptimierung werden mittels mathematischer Modellierung, Simulation und Optimierung Varianten bewertet und hinsichtlich ihrer techno-ökonomischen Effizienz verglichen. Darüber hinaus werden konkrete Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in Industrieunternehmen identifiziert und bis zur Umsetzung begleitet.

In der Betriebsoptimierung werden Strategien und Regelungskonzepte entwickelt, die es ermöglichen auf externe, nicht beinflussbare Faktoren zu reagieren, um so einen möglichst effizienten Betrieb des Gesamtsystems zu realisieren.

Eine Anwendung der Betriebsoptimierung findet sich in der Produktionsplanung. Hierbei entwickelt die Forschungsgruppe mathematische Modelle zur Produktionsplanung welche die Teilnahme an Strommärkten und die Erbringung von Systemdienstleistungen berücksichtigt.

In vielen Fällen besteht keine Möglichkeit auf die Produktionsplanung zur Lastflexibilisierung einzuwirken. In diesen Fällen, kann jedoch die Flexibilität im vorgelagerten Energieversorgungssystem genutzt werden um auf die fluktuierende Erzeugung erneuerbarer Energien zu reagieren, Lastspitzen zu glätten und schwankende Preise zu nutzen.

Die Forschungsgruppe entwickelt in diesem Kontext einen Controller, welche durch eine einfache Kommunikation mit der lokalen SPS einen strompreisgeführten Betrieb der dezentralen Energieversorgungsstruktur ermöglicht. Der Controller wird im Feldtest in realen Unternehmen zum Einsatz gebracht und erprobt.

 

 

 

Projekt: Wärmwende in der Industrie

Das Projekt WIN4climate hat zum Ziel, Verfahren und Lösungen für die Dekarbonisierung und Flexibilisierung der Wärmeversorgung in der Industrie in einem realen Unternehmensumfeld zu erarbeiten, darzustellen und der Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen.

Dazu wird die Energieversorgung von 10 unterschiedlichen Industriekomplexen systematisch untersucht, Effizienzpotenziale identifiziert, Konzepte zur sektorenübergreifenden, systemdienlichen Energieversorgung entwickelt und förderpolitischer Handlungsbedarf identifiziert.

Mit Hilfe mathematischer Modellbildung und Optimierung werden Betriebsstrategien und Erzeugungsstrukturen berechnet, welche sowohl die Treibhausgasemissionen reduzieren, als auch, durch eine Vermarktung der Flexibilität, auf Preissignale der Strommärkte reagieren und so einen Beitrag zur Stabilisierung des Gesamtsystems leisten.

Aufgrund der niedrigen Grenzkosten der erneuerbaren Energien korrelieren Strompreise und CO2-Emissionsfaktor des jeweiligen Zeitpunktes stark.

Durch eine Verschiebung der Last in Zeiten niedriger Kosten wird erneuerbare Energie bevorzugt genutzt und CO2-Emissionen vermieden. Die Kopplung der Sektoren über Kraft-Wärme-Kopplung und Power-to-Heat findet hierbei genauso Anwendung wie die Effizienzsteigerung durch die Nutzung von (Niedertemperatur-)Abwärme.

Am Ende des Projektes sind mehrere smarte Konzepte zur nachhaltigen Wärme- und Kälteversorgung auf dem Weg in die Umsetzung. Über die 10 Best-Practice-Beispiele sollen jährlich über 3.000 Tonnen CO2-Emissionen eingespart werden. Durch die Verteilung der Ergebnisse und Erkenntnisse sollen diese direkten Einsparungen multipliziert werden.

WIN4Climate

Projekt: ACA-MODS - Advanced control algorithms for the management of decentralised energy systems

Projekt: OPT-NES – Software und Methoden zur optimierungsbasierten Regelung nachhaltiger Energiesysteme

Optimierungsbasierte Regelungsverfahren bieten große Optimierungspotenziale sowohl für den Betrieb von Klimatisierungssystemen als auch für den Betrieb von Anlagen zur regenerativen Energieerzeugung. Das im Oktober 2016 in Betrieb genommene solare Klimatisierungssystem der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften ermöglicht die Untersuchung dieser Verfahren an einer kombinierten Anwendung aus beiden Themenfeldern. Die Entwicklung von Methoden und Software hierzu erfolgt im Rahmen des OPT-NES Projekts.

Projekt: Integrale Energieeffizienzpotenzialanalyse zur Senkung des Primärenergiebedarfs und Lastflexibilisierung in bestehenden Gewerbegebieten

Im Rahmen der nationalen Klimaschutzinitiative fördert das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) Projekte, die einen Beitrag zur Senkung der Treibhausgase leisten. Das Projekt INTERFLEX ist eines dieser Projekte. INTERFLEX hat zum Ziel, die Potenziale und Vorteile eines Energieverbunds, z.B. überbetriebliche Nutzung der Prozessabwärme, von benachbarten Unternehmen in bereits bestehenden Gewerbegebieten aufzuzeigen. Ebenfalls wird das Lastflexibilisierungspotenzial (DSM-Potenzial; demand side management) der Unternehmen, im Einzelnen sowie im Verbund, analysiert. Durch den immer weiter steigenden Anteil an erneuerbaren Energien im Stromnetz ist eine stärkere Dezentralisierung der Energienutzung ein wichtiger Bestandteil der deutschen Klimapolitik. Die Lastflexibilisierung in den Unternehmen bietet eine Möglichkeit die Überkapazität bzw. Unterdeckung aus fluktuierender regenerativer Stromerzeugung durch flexiblen Anlagenbetrieb besser ausgleichen zu können. Dadurch wird der Nutzungsgrad des regenerativ erzeugten Stroms erhöht und somit inländische Nutzung, anstelle von wirtschaftlich ungünstigem Export, ermöglicht.

Interflex4Climate

Leifaden "Überbetriebliche Nutzung industrieller Abwärme"

Reallabor - Solare Klimatisierung

Im Oktober 2016 wurde die solare Klimatisierung Anlage, welcher von der Forschungsgruppe geplant und ausgelegt wurde, in Betrieb genommen. Die Kernkomponente des Systems bildet eine Adsorptionskältemaschine, die zur Kälteerzeugung mit solarthermisch gewonnener Wärme versorgt wird. Die produzierte Kälteleistung wird zur Kühlung des Atriums des Fakultätsgebäudes eingesetzt, welches ganzjährig von Studierenden als Lern- und Arbeitsraum, sowie als Veranstaltungsraum genutzt wird, und sich bislang über den Sommer stark aufheizte. Im Winter nutzt die Fakultät die solare Wärme direkt zur Heizungsunterstützung. In beiden Fällen wird der Wärmeaustausch mit der Raumluft über vier Gebläsekonvektoren im Atrium erreicht. Durch den Einsatz unterschiedlicher Kollektortypen (Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren) ist ein Betrieb des Systems auch bei verschiedenen Sonneneinstrahlungsverhältnissen möglich. Versorgungsengpässe im System können durch den Einsatz von Wärme- und Kältespeichern kurzzeitig überbrückt werden.

Das System wird genutzt um neue Regelungskonzepte und Software unter realen Bedingungen zu erproben. Hierbei kommen sowohl klassische Regelungskonzepte, welche sich auf handelsüblichen speicherprogrammierbare Steuerung implementieren lassen, als auch optimierungsbasierten Regelung zum Einsatz.

Software

pycombina - Solving binary approximation problems in Python

Pycombina ist ein Python Modul um kombinatorische Approximationsprobleme zu lösen. Diese Probleme treten häufig in Verbindung mit ganzzahligen Optimierungsproblemen der Energiesystemoptimierung auf.

pycombina

draf - Demand response analysis framework

draf ist ein modularer Framework welcher die ökonomische und ökologische Bewertung von industrieller Lastflexibilisierung ermöglicht.

draf

casiopeia - Casadi Interface for Optimum experimental design and Parameter Estimation and Identification Applications

casiopeia enthält eine benutzerfreundliche Umgebung für anwednungen der optimale Versuchsplanung und Parameterschätzung und -identifikation

casiopeia

Publikationen

  • A.Bürger, M. Bohlayer, S. Hoffmann, A. Altmann-Dieses, M. Braun, M. Diel. A whole-year simulation study on nonlinear mixed-integer model predictive control for a thermal energy supply system with multi-use component. In: Applied Energy. Accepted for publication

  • Markus Bohlayer, Markus Fleschutz, Marco Braun, Gregor Zöttl,Energy-intense production-inventory planning with participation in sequential energy markets, Applied Energy, Volume 258, 2020, 113954, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113954.
  • Adrian Bürger, Clemens Zeile, Angelika Altmann-Dieses, Sebastian Sager, Moritz Diehl, Design, implementation and simulation of an MPC algorithm for switched nonlinear systems under combinatorial constraints, Journal of Process Control, Volume 81, 2019, Pages 15-30, ISSN 0959-1524, https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2019.05.016
  • M. Braun, M. Bohlayer, M. Fleschutz, J. Steinbach, N. Ashley-Belbin. Integrale Energieeffizienzpotenzialanalyse zur Senkung des Primärenergiebedarfs und Lastflexibilisierung in bestehenden Gewerbegebieten. In: Final report on behalf of the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety

  • M. Braun, M. Bohlayer, M. Fleschutz, J. Steinbach. Überbetriebliche Nutzung industrieller Abwärme – Leitfaden für Kommunen. In: Guidebook on behalf of the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety, Download

  • M. Bohlayer, M. Fleschutz, M. Braun and G. Zöttl, "Demand Side Management and the Participation in Consecutive Energy Markets - A Multistage Stochastic Optimization Approach," 2018 15th International Conference on the European Energy Market (EEM), Lodz, 2018, pp. 1-5. https://doi:10.1109/EEM.2018.8469912

  • Markus Bohlayer, Gregor Zöttl, Low-grade waste heat integration in distributed energy generation systems - An economic optimization approach, Energy, Volume 159, 2018, Pages 327-343, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.06.095.

  • M. Fleschutz, M. Bohlayer, A. Bürger, M. Braun. Electricity Cost Reduction Potential of Industrial Processes using Real Time Pricing in a Production Planning Problem. CERC 2017 – Collaborative European Research Conference. ISSN: 2220 - 4164, https://www.cerc-conference.eu/wp-content/uploads/2018/06/CERC-2017-proceedings.pdf

  • A. Bürger, P. Sawant, M. Bohlayer, A. Altmann-Dieses, M. Braun, M. Diehl. Efficient operation scheduling for adsorption chillers using predictive optimization-based control methods. ICMER 2017 – International Conference on Mechanical Engineering Research, https://doi.org/10.1088%2F1757-899x%2F257%2F1%2F012007

  • M. Braun, M. Bohlayer, P. Fischer, P. Hussinger, D. Rumpel, A. Bühler. Energieeffiziente vernetzte Gewerbegebiete – eine Methodik zur Entwicklung von unternehmensübergreifenden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz. ISSN 1613-4958 Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft. Forschung aktuell 2016, p. 10-13

Kontakt

Prof. Dr. rer. nat. Angelika Altmann-Dieses

Tel. +49 721 925 2934
Mail:Angelika.Altmann-Dieses[at]hs-karlsruhe.de

Prof. Dr.-Ing. Marco Braun

Tel. +49 721 925 1959
Mail: Marco.Braun[at]hs-karlsruhe.de
 

 

Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik

Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe