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Encapsulant-free N.I.C.E. modules have strong ecological advantages compared to conventional laminated modules but suffer generally from lower electrical performance. Via long-term outdoor monitoring of fullsize industrial modules of both types with identical solar cells, we investigated if the performance difference remains constant over time and which parameters influence its value. After assessing about a full year’s data, two obvious levers for N.I.C.E. optimization are identified: The usage of textured glass and transparent adhesives on the module rear side. Also, the performance loss could be alleviated using tracking systems due to lower AOI values. Our measurements show additionally that N.I.C.E. module surfaces are in average about 2.5°C cooler compared to laminated modules. With these findings, we lay out a roadmap to reduce today’s LIV gap of about 5%rel by different optimizations.
In this paper we report on further success of our work to develop a multi-method energy optimization which works with a digital twin concept. The twin concept serves to replicate production processes of different kinds of production companies, including complex energy systems and test market interactions to then use them for model predictive optimizing. The presented work finally reports about the performed flexibility assessment leading to a flexibility audit with a list of measures and the impact of energy optimizations made related to interactions with the local power grid i.e., the exchange node of the low voltage distribution grid. The analysis and continuous exploration of flexibilities as well as the exchange with energy markets require a “guide” leading to continuous optimization with a further tool like the Flexibility Survey and Control Panel helping decision-making processes on the day-ahead horizon for real production plants or the investment planning to improve machinery, staff schedules and production
infrastructure.
One of the major challenges impeding the energy transition is the intermittency of solar and wind electricity generation due to their dependency on weather changes. The demand-side energy flexibility contributes considerably to mitigate the energy supply/demand imbalances resulting from external influences such as the weather. As one of the largest electricity consumers, the industrial enterprises present a high demand-side flexibility potential from their production processes and on-site energy assets. In this direction, methods are needed with a focus on enabling the energy flexibility and ensure an active participation of such enterprises in the electricity markets especially with variable prices of electricity. This paper presents a generic model library for an industrial enterprise implemented with optimal control for energy flexibility purposes. The components in the model library represent the typical technical units of an industrial enterprise on material, media, and energy flow levels with their operative constraints. A case study of a plastic manufacturing plant using the generic model library is also presented, in which the results of two simulation with different electricity prices are compared and the behavior of the model can be assessed. The results show that the model provides an optimal scheduling of the manufacturing system according to the variations in the electricity prices, and ensures an optimal control for utilities and energy systems needed for the production.
In vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein zeigte sich seit Beginn dieses Jahrhunderts eine verstärkte Überhitzungstendenz. Besonders bei energetisch sanierten Schulen und durch die Umstellung des Schulbetriebs auf den Ganztagsunterricht zeigt sich eine stärkere Wärmebelastung durch die sommerlichen Temperaturen. Die Stadt Offenburg sah hier einen wichtigen Handlungsbedarf, um Klassenräume ohne den Einsatz energieintensiver Kältemaschinen thermisch zu entlasten. Durch einen deutlichen Anstieg beim Energieeinsatz für Kühlmaßnahmen würden die starken Einspareffekte bei den Heizkosten im Sommer neutralisiert. Interessant waren deshalb nachhaltige Lösungen die bei niedrigem Primärenergieeinsatz ein hohes Reduktionspotenzial bei der Kühllast bewirken. Verfahren der natürlichen Gebäudeklimatisierung führten in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe nachhaltige Energietechnik der Hochschule Offenburg zu unterschiedlichen Nachtlüftungsstrategien zusammen mit ergänzenden Wärmeschutzmaßnahmen.
Der vorliegende Leitfaden „Natürliche Gebäudeklimatisierung in Klassenzimmern“ greift einen nachhaltigen Ansatz zur deutlichen Reduzierung der sommerlichen Wärmebelastung in Klassenzimmern auf. Insbesondere die ersten sechs Jahre des 21. Jahrhunderts zeigten verstärkt Überhitzungstendenzen in sehr vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein. In Verbindung mit der Umstellung des Schulbetriebs auf die Ganztagsschule und der deutlichen Verstärkung der Überhitzungstendenz in sanierten Gebäuden, die mit einem modernisierten Wärmeschutz versehen sind, zeigte sich für die Stadt Offenburg ein wichtiger Handlungsbedarf auf.
Aus der Kooperation der Stadt Offenburg mit der Hochschule Offenburg entwickelten sich mehrere Maßnahmenpakete bestehend aus einer Kombination bekannter physikalischer Sachverhalte und Verfahren, die mit den Möglichkeiten einer Gebäudeautomation gekoppelt werden und durch Einbindung der Nutzer in das Betriebskonzept zu einem thermisch verbesserten Arbeits- und Lernklima führen.
Das Projektvorhaben "Energienetzmanagement dezentraler KWK‐Anlagen mit diversen Verbraucherstrukturen", das vom Innovationsfonds der badenova AG & Co KG von Mai 2012 bis Juli 2016 unter der Fördernummer 2012‐09 gefördert wurde kann aus Sicht des Projektnehmers Hochschule Offenburg und seiner Partner Stadt Offenburg und G. und M. Zapf Energie GbR mbH als sehr erfolgreich umgesetztes Fördervorhaben bezeichnet werden. Während der ca. vier Jahre Projektlaufzeit konnten mehrere Reallabore geschaffen werden, die an die Eigenschaften eines Subnetzes in einem Smart Grid sehr nah herangeführt wurden. Alle Objekte bzw. Netzstrukturen verfügen über typische Komponenten eines Microgrids mit Energiequellen, Speichern und Senken. Auch wurde die Trigeneration als Netzvariante mit Strom‐ Wärme und Kältebereitstellung aufgegriffen und für Verteilnetzmodelle der Niederspannungsebene beschrieben. Ausgehend von einem Mikronetzmodell für jede Energieart kann hinter jeder Trafostation eine beliebig komplexe Energieversorgungsstruktur aufgespannt werden.
Die Digitalisierung kann der Türöffner sein, um effizient die mittelständische Industrie und den Energiemarkt zu verbinden. Das Projekt GaIN hat das Ziel, mit hochaufgelösten Produktions- und Messdaten von zehn mittelständischen Industriebetrieben neuartige Tarife und angepasste Marktplattformen zu entwickeln, die Prognosegüte für Energiebedarf, Nachfrage und Flexibilitätsverfügbarkeit zu erhöhen, die Interaktion vieler flexibler Unternehmen im Verteilnetz und in dem Bilanzkreis zu bewerten und die Auswirkung einer Nutzung der Daten auf die Energiewende anhand einer Systemanalyse zu beurteilen.
The twin concept is increasingly used for optimization tasks in the context of Industry 4.0 and digitization. The twin concept can also help small and medium-sized enterprises (SME) to exploit their energy flexibility potential and to achieve added value by appropriate energy marketing. At the same time, this use of flexibility helps to realize a climate-neutral energy supply with high shares of renewable energies. The digital twin reflects real production, power flows and market influences as a computer model, which makes it possible to simulate and optimize on-site interventions and interactions with the energy market without disturbing the real production processes. This paper describes the development of a generic model library that maps flexibility-relevant components and processes of SME, thus simplifying the creation of a digital twin. The paper also includes the development of an experimental twin consisting of SME hardware components and a PLC-based SCADA system. The experimental twin provides a laboratory environment in which the digital twin can be tested, further developed and demonstrated on a laboratory scale. Concrete implementations of such a digital twin and experimental twin are described as examples.
PHOTOPUR hat die Entwicklung eines photokatalytischen Prozesses zur Beseitigung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) aus dem Reinigungswasser von Spritzgeräten zum Ziel. Am INES wurde eine Energieversorgung für die photokatalytische Reinigung in zwei Bachelorarbeiten entwickelt und als Demosystem aufgebaut. Das Gesamtsystem ist nun als mobile Einheit verfügbar und wurde zuletzt um das Reaktormodul für den photokatalytischen Prozeß erweitert und den Partnern für intensive Tests übergeben.
The PHOTOPUR project aims to develop a photocatalytic process as a type of AOPs (Advanced Oxidation Processes) for the elimination of plant protection products (PPP) of the cleaning water used to wash sprayers. At INES a PV based energy supply for the photocatalytic cleaning system was developed within the framework of two bachelor theses and assembled as a demonstration unit. Then the system was step by step extended with further process automation features and pushed to a remote operating device. The final system is now available as a mobile unit mounted on a lab table. The latest step was the photocatalytic reactor module which completed the first PHOTOPUR prototype. The system is actually undergoing an intensive testing phase with performance checks at the consortium partners. First results give an overview about the successful operation.
Photovoltaics Energy Prediction Under Complex Conditions for a Predictive Energy Management System
(2015)
An energy oriented design concept was developed within the research project PHOTOPUR which has the development of a PV powered water cleaning system as main focus. During a wine season Plant Protection Products (PPP) are several times sprayed on plants to protect them of undesired insects and herbs or avoid hazardous fungus
types. A work package of the project partner INES in Offenburg led to a design introducing energy profiling already in the early beginning of a product design. The concept is based on three pillars respecting first the
requirements of the core process making up filtering and cleaning and secondary aspects which run, support, maintain and monitor the system to secure availability and product reliability.
The presented paper shows that the results of the design tools guided the developers to assemble a functional model of the water decontamination unit which was manually tested with its concatenated steps of the water cleaning process.
Sustainable Aspects force a building manager to continuous observation of actual states and developments concerning building use, energy and media flows.In the presented approach a communication structure was built up to use different software applications and tools in order to optimize the operation of the building.
Intelligent und nachhaltig
(2013)
Die starke Nachfrage für wirtschaftliche und technische Lösungen zur Umsetzung der Energiewende wirkt sich auch auf Projektinitiativen der Forschungsgruppen am Institut für Energiesystemtechnik (INES) der Hochschule Offenburg aus. Am Campus Nord entsteht seit 2012 ein intelligentes Energienetz als Reallabor, das als Teil eines Smart Grid betrieben werden kann.
Three real-lab trigeneration microgrids are investigated in non-residential environments (educational, office/administrational, companies/production) with a special focus on domain-specific load characteristics. For accurate load forecasting on such a local level, à priori information on scheduled events have been combined with statistical insight from historical load data (capturing information on not explicitly-known consumer behavior). The load forecasts are then used as data input for (predictive) energy management systems that are implemented in the trigeneration microgrids. In real-world applications, these energy management systems must especially be able to carry out a number of safety and maintenance operations on components such as the battery (e.g. gassing) or CHP unit (e.g. regular test runs). Therefore, energy management systems should combine heuristics with advanced predictive optimization methods. Reducing the effort in IT infrastructure the main and safety relevant management process steps are done on site using a Smart & Local Energy Controller (SLEC) assisted by locally measured signals or operator given information as default and external inputs for any advanced optimization. Heuristic aspects for local fine adjustment of energy flows are presented.
A former remote area power supply was converted to a smart cogeneration subnet with combined heat and power to develop and validate a forecast based energy management at the University of Applied Sciences in Offenburg/Germany. Locally processed weather forecasts and forecasted demand profiles are integrated to allow a precise reaction to changes of fluctuating power sources, changes in scheduled demand profiles and to improve the energy efficiency of the supply. The management of the electrical and thermal storages is influenced by the forecasted energy contributions and the forecasted demand. Further approaches should improve the accuracy of forecasting algorithms and integrate parameter models gained of a detailed monitoring to realize predictive controllers.
Meeting the requirements of smart grids local, decentralized subnets will offer additional potentials to stabilize and compensate the utility grid mainly on the low voltage level. In a quite complex configuration these decentralized energy systems are combined power, heat and cooling power distributions. According to the regional and local availability of renewable energy sources advanced energy management concepts should consider climatic conditions as well as the state of the interacting utility grid and consumption profiles. The approach uses demonstrational setups to develop a forecast based energy management for trigeneration subnets by taking into account the running conditions of local electrical and thermal energy conversion units. This should lead to the best coverage of the demand and supporting/stabilizing the utility grid at the same time. For the first of three demonstrational projects the priorities of the subnet are given with the maximization of the CHP operation to substitute a major part of the heating and cooling power delivered by electric heaters or compression chillers.
Beim vorliegenden EnBau-Forschungsvorhaben sollte im Rahmen des ENOB-Förderprogramm ein Langzeitmonitoring des Neubauvorhabens Solar Info Center Freiburg (SIC) mit folgenden Untersuchungsschwerpunkten durchgeführt werden:
• Natürliche Klimatisierung mit Nachtlüftung und Einzelanbindung der Büroflächen
• Erdsondenkühlung für Seminarraum und Foyer
• Zonenweise Abschaltung und Optimierung des Heizbetriebs
• Optimierung Lüftungsbetrieb
• Sonnenschutzanlagen
• Analyse Stromverbrauch / Gesamtenergiebilanz
• Bedarfsanalyse der Nutzer
• Erstellung einer „Betriebsanleitung“ für das Gebäude
• Kurzzeitmessungen
• Gebäudeautomation
Die gesamte Projektlaufzeit wurde auf drei Jahre angesetzt die Datenerfassung für das Monitoring sollte dabei mindestens 2 Jahre betragen.
In this paper, a new method is demonstrated for online remote simulation of photovoltaic systems. The required communication technology for the data exchange is introduced and the methods of PV generator parameter extraction for the simulation models are analysed. The method shown for parameter extraction from the manufacturer data is especially useful for the commissioning procedure, where the measured installed power is transferred to standard test conditions using the simulation model and can then be easily compared with the design power. At a simulation accuracy of 2% using the software environment INSEL ® any problems with the PV generator can reliably be detected. Online simulation of a grid connected PV generator is then carried out during the operation of the photovoltaic plant. The visualisation includes both the monitored and the simulated online data sets, so that a very efficient fault detection scheme is available. The method is implemented and validated on several grid connected photovoltaic power plants in Germany. It is excellently suited to provide automatic and real time fault detection and significantly improve the commissioning procedure for photovoltaic plants of all sizes.
In vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein - besonders bei solchen, die energetisch saniert wurden und wo der Schulbetrieb auf Ganztagsunterricht umgestellt wurde - zeigt sich seit Beginn dieses Jahrhunderts eine verstärkte Über-hitzungstendenz im Sommer. Im Rahmen der Initiative Forschungskooperation Hochschule/Stadt für mehr Energieeffizienz beim Betrieb öffentlicher Gebäude und Liegenschaften beauftragte die Stadt Offenburg die Forschungsgruppe nachhaltige Energietechnik (Forschungsgruppe net) der Hochschule Offenburg mit der Ausarbeitung eines Konzeptes für die natürliche Gebäudeklimatisierung in Klassenzimmern. Besonderes Augenmerk galt dabei neben bautechnischen Maßnahmen der Ge-bäudeautomation. Da ein vollautomatisierter Betrieb technisch und finanziell für viele kommunalen Betreiber unrealistisch ist, ist zudem die Einbindung der Nutzer und Mitarbeiter vor Ort unerlässlich. Die Ergebnisse aus dem Projekt stehen einer breiten Öffentlichkeit in Form eines Leitfadens zur Verfügung.
Schulgebäude im Liegenschaftsbestand vieler Kommunen treten in den vergangenen Jahren immer stärker ins Interesse der Öffentlichkeit. Viele der Gebäude stammen aus den 70-er oder 80-er Jahren und stehen im Rahmen der Bestandserhaltung für Modernisierungsmaßnahmen an. Insbesondere die hohen Betriebskosten für die Heizung hatten bisher Maßnahmen für den winterlichen Wärmeschutz in den Vordergrund gestellt. Die verstärkt auftretenden sommerlichen Extremtemperaturen an Unterrichtstagen der vergangenen Jahre zeigen zudem einen Handlungsbedarf im Bereich des sommerlichen Wärmeschutzes auf. Für die Aufgaben des Gebäudemanagements und zur Umsetzung eines energieeffizienten Gebäudebetriebs zeigen sich immer stärker die Vorteile einer vielseitig einsetzbaren Gebäudeautomation, die über zentrale Stellen des FM (z.B. Technisches Rathaus) zugänglich ist.
Mit dem Anliegen, der sommerlichen Überhitzungssituation in Klassenzimmern wirksam entgegenzuwirken, ist die Stadt Offenburg an die Forschungsgruppe net der Hochschule Offenburg herangetreten. Im Sinn der Nachhaltigkeit sollten Maßnahmen ausgearbeitet und umgesetzt werden, die ohne aktive Kühlsysteme auskommen.
Getragen vom großen Erfolg der Veranstaltungen in den USA in 2008, weitete die Forschungsgruppe nachhaltige Energietechnik (net) seine Aktivitäten in den USA, aber auch in Kanada, Brasilien und in Ländern Osteuropas aus. Trotz anhaltender Wirtschaftskrise in 2009 herrscht in den USA, aber auch weltweit eine erfreulich optimistische Grundstimmung, wenn es um die Nutzung alternativer, erneuerbarer Energien und Fragen der effizienten Energieversorgung geht.
Eine Besonderheit des Ende Januar 2008 abgeschlossenen Langzeitmonitoring des Solar Info Center Freiburg (Förderkennzeichen BMWi 0335007U) ist die Erweiterung des Lüftungsbetriebs mit dem gelungenen Einsatz des an der Hochschule entwickelten Konzepts einer intelligenten dynamischen Betriebsführung (idB) unter Nutzung von Expertenwissen, Simulationsrechnungen und Prognosen. Im ersten Testbetrieb im Sommer 2006 konnte in einem Teilbereich des Solar-Info-Center-Gebäudes der Energiebedarf für die Dachventilatoren um 38 % gesenkt werden. Nach Auswertungen des Testbetriebs wurde das System im Jahr 2007 für den Betrieb im gesamten Gebäude angepasst. Die Mehrkosten des Betreibers für die Nutzung dieser Optimierung belaufen sich hauptsächlich auf den Bezug von Wetterdaten eines Wetterdienstes.