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Modelbasierte Zustandsschätzung elektrischer Betriebsmittel der Mittel- und Niederspannungsebenen
(2022)
Im Projekt MOBCOM wird ein neues Verfahren zur Zustandsüberwachung von elektrischen Betriebsmitteln in Niederspannungsnetzen und Anlagen entwickelt. Mittels PLC (power line communication) Technologie werden hochfrequente transiente Vorgänge auf dem Stromkanal und dessen Übertragungseigenschaften erfasst und bewertet.
In dem Abschlussbericht wird ein Prototyp für Powerline-Kommunikation zur Netzüberwachung beschrieben. Der Prototyp basiert auf einem PLC-Empfänger, welcher den Kanal misst, um so Informationen über den PLC-Kanal und den aktuellen Zustand des Stromnetzes zu erhaltet. Der PLC-Empfänger verwendet das Kommunikationssignal, um eine genaue Schätzung des Stromkanals zu erhalten und liefert Informationen zur Erkennung von Teilentladungen und anderen Anomalien im Netz. Diese Überwachung des Stromnetzes macht sich die bestehende PLC-Infrastruktur zunutze und verwendet die ohnehin übertragenen Datensignale, um eine Echtzeitmessung der Kanalübertragungsfunktion und des empfangenen Rauschsignals zu erhalten. Da dieses Signal im Vergleich zu einfacheren Messsensoren mit einer hohen Abtastrate abgetastet wird, enthält es wertvolle Informationen über mögliche Beeinträchtigungen im Netz, die behoben werden müssen. Während die Kanalmessungen auf einem empfangenen PLC-Signal beruhen, können Informationen über Teilentladungen oder andere Störquellen allein durch einen PLC-Empfänger gesammelt werden, d. h. ohne eine PLC-Übertragung. Es wurde ein Prototyp auf Basis von Software Defined Radio entwickelt, der die gleichzeitige Kommunikation und Erfassung für ein Stromnetz implementiert.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens GeoSpeicher.bw wurden mehrere Demostandorte in Baden-Württemberg intensiv durch die Projektpartner untersucht bzw. begleitet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass bestehende Geothermieanlagen gut funktionieren und durch den Betrieb auch klimaschädliche Gasemissionen eingespart werden können. Leider konnte im Rahmen des Vorhabens kein Demoprojekt für einen Aquiferspeicher am städtischen Klinikum Karlsruhe oder auch am Campus Nord des Karlsruhe Instituts für Technologie (KIT) trotz des Nachweises der effektiven Kostenersparnisse und CO2-Einsparungen verwirklicht werden.
Sollte sich die Aquiferspeichertechnologie in Baden-Württemberg etablieren, müsste unbedingt ein Demoprojekt für einen flachen Niedrigtemperatur-Aquiferspeicher entwickelt und gefördert werden. Die Rahmenbedingungen für solch einen Aquiferspeicher wären am Campus Nord grundsätzlich gegeben. Dieser Nachweis wurde durch zahlreiche Untersuchungen im Rahmen von GeoSpeicher.bw eindeutig erbracht.
Der verstärkte Einsatz von Wärmepumpen bei der Realisierung einer klimaneutralen Wärmeversorgung führt zu einer signifikanten Zunahme und Änderung der elektrischen Lasten in den Verteilnetzen. Daher gilt es, Wärmepumpen so zu steuern, dass sie Verteilnetze wenig belasten oder sogar unterstützen.
Inhalt des Projekts „PV²WP - PV Vorhersage für die netzdienliche Steuerung von Wärmepumpen“ (Projektlaufzeit 1.07.2018 – 30.06.2021) war die Demonstration eines neuen Ansatzes zur Steuerung von Heizungssystemen, die auf Wärmepumpen und thermischen Speichern basieren und in Kombination mit einer Photovoltaikanlage betrieben werden. Das übergeordnete Ziel war dabei die Verbesserung der Netzintegration und Smart-Grid-Tauglichkeit entsprechender Heizungssysteme durch eine kostengünstige Technologie bei gleichzeitiger Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.
Dabei wurden drei zukunftsweisende Technologien in Kombination genutzt und demonstriert: wolkenkamerabasierte Kurzfristprognosen, prädiktive Steuerung und Regelung sowie machinelearning-basierte Systemmodellierung als Basis für die Optimierung. Als Demonstrationsumgebung diente mit dem Projekthaus Ulm ein real bewohntes Einfamilienhaus.Umweltforschung
Die Forschungseinrichtungen in Baden-Württemberg haben im Verbundvorhabens geothermisch relevante Daten bearbeitet, um die komplex gekoppelten Prozesse im Untergrund transdisziplinär zu untersuchen, als Grundlage für die mit der effektiven und sicheren Nutzung der Geothermie verbundenen Fragestellungen. Das Vorhaben war in Arbeitspakete mit folgenden Zielen gegliedert:
− Prognosetool für geothermale Fluide in Aquiferen des Rheingrabes und seiner Randgebiete. Dieser Forschungsteil zielt darauf ab, zuverlässige Prognosen der zu erwartenden Wasserchemie vor dem Abteufen der ersten Bohrung eines Geothermievorhabens zu gewinnen und das Potential für Scaling und Korrosion der Tiefenwässer zu prognostizieren.
− Definition eines wissenschaftlichen Begleitprogramms mit seismischem Monitoring für die Geothermiebohrung Pfullendorf.Das Monitoring hätte beitragen sollen zur Minimierung der seismischen Gefährdung, Optimierung der Doublettenauslegung und Verbesserung in der Erfassung der Reservoireigenschaften. Dieser Projektteil ist bereits abgeschlossen.
− Erstellung einer Detektionsschwelle kritischer Seismizität aus der Analyse der natürlichen Magnituden-Häufigkeitsbeziehung für Baden-Württemberg. Im Vorhaben wird die Erfassungsschwelle der seismischen Netze für Baden-Württemberg detailliert untersucht, um das Auftreten von induzierten seismischen Ereignissen in der Nähe von geothermischen Kraftwerken von natürlicher Seismizität zu diskriminieren.
− Untersuchung der Bedeutung sulfathaltiger Gesteine für Schadensfälle in Baden Württemberg und Planung von Demonstrationsprojekten. Ziel ist die qualitative und quantitative Untersuchung bestehender Schadensfälle durch Erdwärmesonden in Baden-Württemberg basierend auf der 2011 vom Umweltministerium vorgelegten Studie zu Schadensfällen.
− Forschungsdatenbank für geothermische Basisdaten in Baden-Württemberg. In dem Pilotprojekt soll die geeignete Datenstruktur für multivariate Daten entwickelt und in ein Informationssystem implementiert werden, um übergreifende Vernetzungen der vielfältigen geowissenschaftlichen Daten geothermischer Projekte in Baden-Württemberg zu ermöglichen.
− Energetisch und exergetisch verbesserte Nutzung von Wärme aus Tiefer Geothermie in Baden-Württemberg. Tiefe geothermische Energie liegt zunächst als Wärme auf einem mittelhohen Temperaturniveau von i. d. R. weniger als 200 °C vor. Dies ist nur dann wirtschaftlich nutzbar, wenn eine genügend hohe Wärmeabnahme nahe genug am Standort der geothermischen Anlage möglich ist. In diesem Arbeitspaket sollen die Möglichkeiten der Effizienzsteigerung systemanalytisch untersucht und als Datenbasis zur Verfügung gestellt werden.
− 3D Geomechanikmodell zur Nutzung des Untergrunds. Auf der Basis eines numerischen 3D-Geomechanikmodells sollen plausible Spannungs- und Deformationswerte zwischen den Lokationen tatsächlicher Messungen des Spannungsfelds in BW als Grundlage für Forschungsarbeiten und Gutachten bereitgestellt werden.
Ein über die Einzelvorhaben hinausgehendes Ziel war, dass die Forschung im Verbundvorhaben die unterschiedlichen Einrichtungen des Landes Baden-Württemberg besser vernetzt, die Forschung regional gestärkt und auf die Themen, die für Baden-Württemberg entscheidend sind, fokussiert wird, um damit wissenschaftlich fundierte Grundlagen für umweltpolitische Entscheidungen geschaffen.
Die Einbindung von Mini- und Mikro-BHKW in ein virtuelles Kleinkraftwerk (VKK) bietet vielfältige wirtschaftliche, Smart-Grids- und Klimaschutzpotentiale zur Unterstützung der "Wärmewende". Eine Einbindung solcher Anlagen ist bisher jedoch mit zumeist hohen Kosten verbunden, weshalb i.d.R. nur Anlagen in höheren Leistungsklassen (> 500 kWel) umgesetzt werden. Im Rahmen des Projekts mikroVKK wurde deshalb das Ziel verfolgt zu demonstriert und nachzuweisen, dass auch BHKW-Anlagen unter 100 kWel in ein virtuelles Kleinkraftwerk (VKK) wirtschaftlich einzubinden sind.
GridSystronic Energy (GSE) hat hierfür ein spezielles VKK-System (gs.system) entwickelt, welches im Rahmen des Projekts unter realen Bedingungen erprobt, weiterentwickelt und möglichst zur Marktreife gebracht wurde. Durch die Konfiguration des Systems - d.h. einfache Steuerboxen (gs.box) werden als Gateway für die Kommunikation vor Ort zur Anlagen- und Zähleranbindung verbaut, wohingegen die Berechnungen, Simulationen und Optimierung der Steuersignale auf dem zentralen gs.server erfolgt - lässt sich eine kostengünstige und skalierbare Lösung darstellen.
Zusammen mit zehn Stadtwerken als Praxispartner wurden unterschiedliche BHKW- Standorte identifiziert und auf deren technische Eignung und die Umsetzbarkeit neuer Geschäftsmodelle auf Basis einer intelligenten Steuerung analysiert. Für ausgewählte Objekte, wie z.B. Schulen, Wärmenetze, Mehrfamiliengebäude, wurde durch GSE eine Anbindung der für die Regelung notwendigen Geräte und Zähler realisiert. Regelwerke, wie z.B. "Lastprofil folgen", als Basis für neue Geschäftsmodelle wurden mit den Praxispartnern abgestimmt und entwickelt. Anhand der Erkenntnisse zu den Effekten der intelligenten Steuerung (z.B. Nutzung von möglichen Flexibilitäten, Stabilität des Systems, Verschiebung der Betriebszeiten, Änderung der Lieferquoten etc.) wurden neue Geschäftsmodelle detailliert analysiert und mit den Praxispartnern prototypisch umgesetzt. Die Evaluation zu den Smart-Grids-Potenzialen (Flexibilität, netzdienliche Einspeisung etc.) sowie die Potenziale zur Unterstützung des Klimaschutzes (CO2-Minderung) erfolgte anhand von gemessenen und simulierten Werten.
Während der Projektlaufzeit konnte die technische Anbindbarkeit von BHKW-Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis 100 kWel demonstriert werden. Die Vorarbeiten für die Erarbeitung einer standardisierten und kostengünstigen Anbindungslösung war jedoch sehr viel zeitintensiver als ursprünglich geplant, weshalb die Anlagen verspätet oder z.T. gar nicht angebunden werden konnten. Wegen der geringen Datenbasis konnten die grundsätzlichen wirtschaftlichen Potenziale einer VKK Steuerung deshalb nur auf theoretischer Basis nachgewiesen werden. Die Anbindungs- und Integrationskosten hängen stark von den örtlichen Gegebenheiten ab, weshalb es hierfür keine pauschale Aussage getroffen werden kann. Durch die gewonnenen Erfahrungen und Lernprozesse konnte jedoch im Laufe des Projektes bereits eine erhebliche Kostenreduktion erzielt werden. Auch bei Neuanlagen, bei denen die Anbindung bereits vorab eingeplant werden kann, können die Kosten der Anbindung stark reduziert werden. Die Smart-Grid-Potenziale und die Klimaschutzpotenziale eines VKK-Einsatzes wurden von der Hochschule Offenburg ebenfalls auf einer theoretischen Basis ermittelt. In einem nächsten Schritt wäre es deshalb notwendig zu analysieren, ob sich die ermittelten Effekte auch unter realen Bedingungen einstellen.
Das Projekt beinhaltet verschiedene wissenschaftliche Voruntersuchungen für das im Schwarzwald geplante Untergrundlabor GeoLab. Von vier Universitäten / Forschungsinstitutionen wurden vorbereitende geophysikalische, geochemische, geomechanische und geologische Untersuchungen durchgeführt. Zudem wurde eine Projekt-Management Plattform eingerichtet.
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichtes ist das Projekt erwartungsgemäß nahezu abgeschlossen (offizielles Ende: 31. Dezember 2015). Die Geländearbeiten (AP1, AP4) sowie die Laborversuche (AP2, AP3) wurden nahezu vollständig durchgeführt, wobei geringe Restarbeiten in den kommenden Tagen fertig gestellt werden. An den angefallenen Untersuchungsergebnissen erfolgten erste Vorauswertungen; die Interpretation steht jedoch bis auf ein paar wenige Details an der finalen Interpretation. Die reinen theoretischen Ausarbeitungen und Modellierarbeiten sind nahezu fertig gestellt (AP4, AP5). Die Projekt-Management Plattform ist erstellt und läuft (AP6) und wird die Beendigung des Projektes unterstützen.
Mit dem Klimaschutzgesetz 2021 wurden von der Bundesregierung die Klimaschutzvorgaben verschärft und die Treibhausgasneutralität bis 2045 als Ziel verankert. Zur Erreichung dieses ambitionierten Ziels ist es notwendig, im Bereich der Mobilität weitgehend von Verbrennungsmotoren mit fossilen Kraftstoffen auf Elektromobilität mit regenerativ erzeugtem Strom umzusteigen. Dabei ist die zügige Bereitstellung einer ausreichenden Ladeinfrastruktur für die Elektrofahrzeuge eine große Herausforderung. Neben der Installation einer ausreichend großen Zahl von Ladepunkten selbst besteht die Herausforderung darin, diese in das bestehende Verteilungsnetz zu integrieren bzw. das Verteilungsnetz so auszubauen, dass weiter ein sicherer Netzbetrieb gewährleistet werden kann. Dabei sind insbesondere Lösungen gefragt, bei denen der Ausbau der Ladeinfrastruktur und der Netzbetriebsmittel durch intelligentes Management des Ladens so gering wie möglich gehalten wird, indem vorhandene oder neu zu installierender Hardware möglichst effizient genutzt wird.
Hier setzte das Projekt „Intelligente Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge auf dem Parkplatz der Hochschule Offenburg (INTLOG)“ (Projektlaufzeit 15.11.2020 – 30.09.2022) an. Inhalt des Projekts war es, einen Ladepark für den Parkplatz der Hochschule Offenburg mit 20 Ladepunkten à 11 kW und somit einer Gesamtladeleistung von 220 kW an einen vorhandenen Ortsnetztransformator mit 200 kW Nennleistung anzuschließen, der aber bereits von anderen Verbrauchern genutzt wurde. Das übergeordnete Ziel war es also, eine Ladeinfrastruktur von maßgeblichem Umfang in die bestehende Netzinfrastruktur ohne zusätzlichen Ausbau zu integrieren.
Dabei wurden zukunftsweisende Technologien genutzt und weiterentwickelt sowie teilweise in Praxis, im Labor und in der Computersimulation demonstriert.
Das Fraunhofer ISE hat im Rahmen dieses Projektes die hauseigene Wasserstoff-Tankstelle um einen zweiten Hochdruckspeicher, einen zweiten Mitteldruckverdichter, zwei Mengenmesser und eine Elektrolyse-Leistungssteuerung erweitert und die Lüftung im Betriebsmittelraum verändert. Zudem wurde die im Projekt vom Partner Sick entwickelte Gasanalytik in die Tankstelle und die vom Partner Sick entwickelte Mengenmessung in einen 200kW Elektrolyse-Teststand integriert.
Damit wurde die Betankungskapazität pro Fahrzeug und insgesamt verbessert, die Zuverlässigkeit der Tankstelle erhöht und die Infrastruktur geschaffen, um Langzeituntersuchungen von Gasverunreinigungen, Elektrolyse-Degradation und Wasserstoff-Verlusten an der Tankstelle durchzuführen, sowie einen Feldtest für die entwickelten Komponenten des Partners Sick durchzuführen. Alle Nachrüstungen waren erfolgreich - die Lüftungsanpassung zur Verbesserung der Vorkühlungszuverlässigkeit und Lebensdauer erfüllte jedoch bis zum Projektende nicht die Erwartungen. Bei Messungen mit und für die Hochschule Offenburg wurden zudem mit sehr geringem Mehraufwand Messdaten bezüglich Genauigkeit des vorhanden Coriolismesser erhoben und verwertet.
Ein bisher ungelöstes Problem für die kommerzielle Nutzung von Wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen ist die eichfähige Mengenmessung bei der Betankung. Bisher auf dem Markt befindliche Durchflussmesser für Wasserstofftankstellen arbeiten nach dem Coriolis-Prinzip und erreichen nicht die geforderten Messunsicherheiten.
Ziel des Arbeitspakets der Hochschule Offenburg ist die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur eichfähigen Mengenmessung. Notwendige Bedingung für die Eichfähigkeit ist zum einen eine ausreichende Messrichtigkeit, zum anderen muss Messbeständigkeit sichergestellt werden. Hierzu gehören beispielsweise Manipulationssicherheit, Elektromagnetische Verträglichkeit und Sensorbeständigkeit. Aufgrund der geforderten Manipulationssicherheit kommen Messmethoden wie bspw. das Wiegen der Fahrzeuge oder Tanksysteme nicht infrage, da diese vom Verbraucher beeinflusst werden können. Deshalb soll ein Durchflussmesser basierend auf dem Düsenmessverfahren entwickelt werden.
Im Rahmen des Projektes wurden zunächst die Rahmenbedingungen bei Wasserstoffbetankungsvorgängen nach der Norm SAE J2601 erarbeitet. Basierend darauf wurde ein dynamisches Simulationsmodell entwickelt, welches die Berechnung der zeitlich veränderlichen Massen- und Volumenströme während der Betankung ermöglicht. Diese dienen als Grundlage für die Auslegung der Düsengeometrie sowie der benötigten Temperatur- und Druckmesstechnik. Parallel zu dem Durchflussmessgerät wurde ein gravimetrischer Teststand entwickelt, welcher es ermöglicht, die Messgenauigkeit der Düse zu untersuchen. Der Teststand ist mit einem Wasserstofftank ausgestattet, welcher während Betankungsversuchen befüllt werden kann um realistische Strömungsbedingungen zu erreichen.
Während den anschließenden Versuchen an der Wasserstofftankstelle des Fraunhofer ISE in Freiburg konnte gezeigt werden, dass die Messdüse sowie der Teststand funktionieren und das Düsenmessverfahren ein geeignetes Verfahren für Durchflussmessungen an Wasserstofftankstellen darstellt. Es konnten Messunsicherheiten im Bereich der Eichfähigkeit (um 1 %) erreicht werden.
Die SICK AG beteiligt sich im Projekt Wasserstoffinfrastruktur Freiburg mit der eigen entwickelten Gasanalytik und Durchflussmesstechnik. Die Grundlagenuntersuchungen im Laufe des Projektes dienten dazu die industrielle Eignung der eingesetzten Messtechnik festzustellen sowie Erkenntnisse für eine spätere Weiterentwicklung von eichfähigen Ultraschall- H2 Gaszählern zu ermitteln.
Für Verkehrsunternehmen stellt die Erprobung neuer Technologien eine große Herausforderung dar.
Sowohl Wasserstoff-Busse als auch Batterie-Busse können ihren Beitrag zur Umstellung des ÖPNV auf emissionsfreie Mobilität leisten. Je nach Anwendungsmuster können sich beide Technologien gut ergänzen und zu einem volkswirtschaftlichen Optimum führen. Es gilt, die Technologien im realen Umfeld zu erproben, um praxisnahe Erfahrung zu sammeln und dabei Mitarbeiter auszubilden, ohne die Qualität des Betriebes zu gefährden. Bei der aktuellen Kostenlage sehen beide Technologien ihre Einführung in den Betrieb mit Mehrkosten im Vergleich zu der aktuellen Diesel-Lösung verbunden.
Bei einer Batterie-basierten Lösung mit Pantograph-Schnellladung sind kürzere Linien gute Kandidaten für eine elektrische Umstellung ohne Auswirkungen auf die Größe der Busflotte. Auch Liniensysteme beliebiger Länge mit Knotenpunkten in regelmäßigen Abständen ermöglichen eine gemeinsame Nutzung der Ladeinfrastruktur und stellen somit reduzierte Aufbaukosten der Ladeinfrastruktur in Aussicht. In diesem Fall sind aber auch Fahrplanmanagement-Aspekte hinsichtlich der Ladezeit am Pantograph mit zu berücksichtigen, die nicht Bestandteil dieser Studie gewesen sind. Allgemein lassen die Kosten-Prognosen für Batterie und Batterie-elektrische Fahrzeuge eine signifikante Kostenreduzierung bis 2030 erkennen, die in manchen Konfigurationen zur Kostenparität und sogar geringeren Kosten als mit der Diesel-Variante führen würde.
Anders als für Batterie-Busse stellt die Linien-Konfiguration keinen wirtschaftlichen Einflussfaktor auf den Betrieb von Wasserstoff-Bussen dar. Die derzeitige Reichweite der H2-Busse reicht aus, um die zu erwartende tägliche Fahrleistung zu decken. Bei der Wasserstoffmobilität sind aber die Versorgungsinfrastruktur und die damit verbundenen Kraftstoffkosten von entscheidender Bedeutung. Ihr Aufbau ist mit hohen Investitionskosten und gesetzlichen Verpflichtungen verbunden (BImSchG, BetrSichV), die für eine erste Erprobung der Technologie im kleinen Maßstab eine Hürde für Verkehrsunternehmen darstellen könnte. Die H2 Mobility Deutschland bietet die Möglichkeit an, 700 bar Tankstellen mit einem 350 bar Modul zu erweitern, das die tägliche Versorgung von ca. 6 Bussen ermöglicht. Mit begrenzten Risiken für die Verkehrsunternehmen bietet es sich daher an, die H2 Mobilität auf eine limitierte Busflotte zu erproben. Da der Aufbau des H2-Mobility Deutschland Tankstellennetzes eine Lücke in Offenburg und Umgebung aufweist, wäre es vorstellbar, an der Errichtung einer solchen Tankstelle zu arbeiten, die die Betankung und Erprobung von Wasserstoff-Bussen ermöglicht. Auf längerer Sicht ist die Sicherstellung einer gut platzierten zuverlässigen und nachhaltigen Wasserstoffquelle von entscheidender Bedeutung. Derzeit liegen vorhandene Wasserstoffquellen in mehr als 100 km Entfernung. Eine Nutzung der Wasserkraft des naheliegenden Rheins erscheint durchaus sinnvoll, sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umwelttechnischen Gründen (erneuerbarer Strom, Stromkostenreduzierung durch Eigenversorgung, kürzere Transportwege, möglicher Nutzen für die Eurometropole Straßburg).
Es lässt sich festhalten, dass für die Region Offenburg zunächst die Erprobung beider Technologien, der Elektromobilität als auch der Wasserstoffmobilität, empfohlen wird. Es sollte zeitnah in den Erfahrungsaufbau in beide Technologien investiert werden. Zudem sollte bei der Elektromobilität das Flottenmanagement untersucht und evaluiert werden und bei der Wasserstoffmobilität die Möglichkeiten der Kooperation für den Aufbau der Wasserstofftankstelle. Im Rahmen der nächsten Ausschreibungsrunde für den öffentlichen Nahverkehr in Offenburg wird empfohlen, diesen emissionsfrei auszuschreiben. Es ist absehbar, dass aus Kostengründen (Kostenparität der Elektromobilität mit der Dieselvariante) als auch aus Gründen der Anforderung bzgl. der Emissionsgrenzwerte der ÖPNV emissionsfrei umgesetzt werden sollte.