Projekt: WIN4Climate (2019–2022) – 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.

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Projekt: ACA-MODES (2019–2022) – Advanced control algorithms for the management of decentralised energy systems

Die Energiewende führt zu einem erhöhten Anteil an erneuerbaren Energien und dezentralen Erzeugungskapazitäten. Die sich ergebende größere Vielfalt und Komplexität, die umfassende Partizipation und die höhere volatile Erzeugung erfordern dabei einen tiefgreifenden Umbau der Infrastruktur zur Verteilung und Speicherung von Energie. Um eine sowohl sichere wie auch günstige Versorgung gewährleisten zu können, werden in der Literatur unter anderem Lösungsansätze auf Prosumer-Ebene mit Sektorenkopplung diskutiert. Durch eine intelligente Vernetzung und Regelung dieser Systeme kann die gewonnene Flexibilität zur Unterstützung der Netzstabilität eingesetzt werden. Dazu werden im Rahmen des Projekts ACA-MODES entwickelt:

  • systemübergreifende, netzdienliche Regelungsalgorithmen und Betriebsführungsstrategien
  • für sektorgekoppelte, hybride Energiesysteme, die die Nutzenergien Wärme/Kälte und Elektrizität mit verschiedenen (insbesondere regenerativen) Endenergien bereitstellen,
  • für Energieprosumer in Quartieren und Stadtvierteln mit einer elektrischen Nennleistung von ca. 1 MW.

Mit der technischen Verknüpfung und gemeinsamen Systemoptimierung von fünf überregional verteilten Energieinseln sieht das Projekt auch eine konkrete Umsetzung vor.

Das Projekt wird gefördert von INTERREG V Oberrhein 3.15 und von der Wissenschaftsoffensive 2018.

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Projekt: OPT-NES (2016–2019) – 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: Interflex4Climate (2016–2019) – 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.

Projekt: Kalte Nahwärme (2016–2018) – Technoökonomische Untersuchung eines kalten Nahwärmenetzes mit Eisspeicher zur Energieversorgung eines Wohnquartiers

Null-gradiges Wasser enhält große Mengen Wärmeenergie. So wird beim Schmelzen von null-gradigem Eis zu null-gradigem Wasser die gleiche Energiemenge frei, wie benötigt wird, um das null-gradige Wasser auf etwa 80°C aufzuheizen. Im kalten Nahwärmenetz des Planungsbüros innovativSCHMID wird dieser Sachverhalt mithilfe eines Eisspeichers genutzt, um Wohnungen zu beheizen. Konkret wurde im Rahmen dieses Projektes das Wärmeversorgungssystem im Fischerbachviertel im Kinzigtal bestehend aus einem kalten Nahwärmenetz und einem Eisspeicher nach techno-ökonomischen Kriterien untersucht und weiterentwickelt. Weitere Infos finden Sie hier.

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.