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Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
Das Konzept der Thermoaktiven Bauteilsysteme (TABS) zur Heizung und Kühlung von Gebäuden gewinnt aufgrund seiner Kompatibilität mit erneuerbaren Energiequellen an Popularität. Die Steuerung von TABS und somit auch die Gewährleistung eines behaglichen Raumklimas erweist sich allerdings aufgrund der hohen Systemträgheit als komplex. Kurzfristige Witterungsänderungen sorgen für unerwünschte Raumtemperaturänderungen, die nur langsam korrigiert werden können. Bei Nichtwohngebäuden wie dem Regionalen Innovationszentrum für Energie (RIZ Energie) in Offenburg wird dieser Umstand durch die unregelmäßige Gebäudenutzung zusätzlich erschwert, da innere Wärmelasten stark variieren und nicht vorhersehbar sind.
Konventionelle TABS-Steuerungen können Störgrößen im TABS-Betrieb nur bedingt und zeitverzögert berücksichtigen, weswegen eine dauerhafte Gewährleistung des thermischen Komforts im Gebäude oft nicht erreichbar ist – dies ist auch am RIZ Energie der Fall. Als Lösung dient der Einsatz prädiktiver Steuerungsalgorithmen, die Störgrößen prognostizieren und den TABS-Betrieb dementsprechend anpassen können.
Diese Arbeit überprüft das Potenzial von intelligenten TABS-Steuerungsalgorithmen für den Einsatz am RIZ Energie anhand der Umsetzung mit einem digitalen Zwilling des Gebäudes. Dabei konnte unter Verwendung der Algorithmen und Berücksichtigung von inneren und äußeren Störgrößen im TABS-Betrieb ein verbessertes Raumklima simuliert werden. Infolgedessen konnte zudem der digitale Zwilling optimiert werden.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines smarten Energiekonzepts für ein Bestandsquartier in Karlsruhe
(2023)
Die Transformation der Energieversorgung in Bestandsgebäuden ist für die Erreichung der Klimaziele im Gebäudesektor entscheidend. In einem modellhaften Quartiersprojekt in Karlsruhe-Durlach wird ein ‚smartes Energiekonzept‘, bestehend aus Wärmepumpen, Blockheizkraftwerk und PV-Anlagen mit lokalem Strom- und Wärmenetz umgesetzt und messtechnisch begleitet. Ziel ist dabei eine CO2-effiziente und wirtschaftliche Bereitstellung von Wärme und Strom.
In dem Artikel wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für das Wärme- und Stromcontracting auf Basis der realen Investitionskosten sowie der gemessenen und berechneten Energieflüsse durchgeführt. Die Wärmegestehungskosten hängen neben den Investitionskosten von den energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Mit ansteigender CO2-Steuer werden mittelfristig Wärmegestehungskosten erreicht, die unter denen konventioneller Energiesysteme liegen. Dadurch bietet das integrierte Energiekonzept ein breites Anwendungspotenzial für städtische Bestandsquartiere außerhalb von Fernwärme-Gebieten.
In der Studie "Technisch-wissenschaftliche Analyse zur Energieeffizienz unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme im Vergleich" im Auftrag der Viega GmbH & Co. KG werden verschiedene Trinkwasser-Erwärmungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz in Wärmepumpensystemen vergleichend untersucht. Neben Aufbau und Parametrierung eines Simulationsmodells sowie Integration von Lastreihen nach Norm umfasst die Studie eine detaillierte Abbildung aller untersuchten Systeme. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Einordnung des Energieeinsparpotenzials durch eine Warmwassertemperaturreduktion mit dem Viega AVS Trinkwasser Management System. Die untersuchten Varianten sind: Referenzsystem 1: Durchflusstrinkwassererwärmer DTE (1 stufig) mit Rücklaufeinschichtung. System 2: Viega DTE (2 stufig). System 3: Viega AVS Trinkwasser Management System mit DTE (2 stufig) und Ultrafiltrationsmodul im Zirkulationsrücklauf UFC. System 4: Wohnungsstation, 4-Leiter-System. System 5: Wohnungsstation, 2-Leiter-System. System 6: Elektrischer Durchlauferhitzer. Die Studie ergab, dass sich bei Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe mit maximaler Vorlauftemperatur von 58 °C das Viega AVS System mit DTE und UFC, dezentrale elektrische Durchlauferhitzer sowie das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 45°C im Vergleich als energetisch am besten erweisen. Bei einer Wärmepumpe mit einer höheren maximalen Vorlauftemperatur von 64 °C kann auch das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 50°C sinnvoll eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass je höher die durch die Wärmepumpe bereitgestellte Temperatur (maximale Vorlauftemperatur), desto besser lassen sich auch die anderen Systeme einsetzen, da sich dadurch der Einsatz des Backup-Systems minimieren lässt. Das Viega Aqua VIP System mit Temperaturabsenkung schneidet im Vergleich sehr gut hinsichtlich des Einsatzes der Endenergie und der zu erreichenden Jahresarbeitszahl ab. Der Einsatz dieses Systems in Kombination mit einer Wärmepumpe bietet Potenzial für den Einsatz erneuerbarer Energien.
LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden ("LowEx-Bestand Analyse")
(2023)
Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten drei Forschungsinstitute mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben. LowEx-Systeme arbeiten durch geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Nutzwärmebesonders effizient. Wärmepumpen haben dabei erhebliches Potenzial zur Absenkung der spezifischen CO2-Emissionen bei der Wärmebereitstellung. Für die energetische Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden ist der Einsatz solcher Systeme mit besonderen Herausforderungen und Anforderungen an die Übergabe der Raumwärme, die Warmwasserbereitung und die Nutzung von Umweltwärme verbunden. Diese Herausforderungen werden in LowEx-Bestand adressiert.
Elektrische Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Gebäude. In Mehrfamilienhäusern ist ihr Einsatz noch eine Herausforderung und entsprechend wenig verbreitet. Im Rahmen des Verbundprojekts "HEAVEN" haben Forschende nun ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem entwickelt, das an die Anforderungen größerer Wohngebäude angepasst ist. Getestet wurde es im Rahmen des Verbundprojekts "Smartes Quartier Durlach" in einem Karlsruher Gebäude. Daten zum ersten Betriebsjahr liegen nun vor.
Diese Metadaten wurden zur Verfügung gestellt von der Literaturdatenbank RSWB®plus
Der vorliegende Leitfaden entstand im Rahmen der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten die drei Forschungsinstitute Fraunhofer ISE, KIT und Universität Freiburg (INATECH) mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben.
Der prozentuale Energieaufwand für die Warmwasserbereitung ist umso höher, je geringer der Bedarf an Raumwärme – erreicht durch besser gedämmte Gebäudehüllen – ist. Gleichzeitig kann dieser Aufwand für Warmwasser aufgrund der normativ geforderten Systemtemperaturen von 60/55 °C bei zentraler Warmwasserbereitung über Wärmepumpen nur vergleichsweise energieaufwendig abgedeckt werden. Eine Studie des Fraunhofer ISE zeigt, wie groß dieser Temperatur-Effekt im Vergleich unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme ist.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende. Durch die Nutzbarmachung von Umweltwärme und den Antrieb mit Elektrizität, die zunehmend aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, kann die CO2-Intensität der Wärmeversorgung gesenkt werden. Eine Herausforderung besteht in der Anwendung in größeren Mehrfamilienbestandsgebäuden. Lösungsansätze und beispielhafte Umsetzungen werden hierzu vorgestellt.
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.
Die fluktuierende Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen stellt eine Herausforderung bei der Planung und Auslegung regenerativer Gebäudeenergiesysteme dar. Die in einem System benötigten Speicherkapazitäten hängen dabei sowohl von der eingesetzten Regelungsstrategie als auch von den temperaturabhängigen Wirkungsgraden der Anlagenkomponenten ab. Genauere Einblicke in das Betriebsverhalten eines Gesamtsystems können dynamische Simulationen liefern, die eine Analyse der Systemtemperaturen und von Teilenergiekennwerten ermöglichen.
Auswirkung eines Importstopps russischer Energieträger auf die Klimaschutzziele in Deutschland
(2022)
Ein Importstopp russischer Energieträger nach Deutschland wird derzeit vermehrt diskutiert. Wir wollen die Diskussion unterstützen, indem wir einen Weg zeigen, wie das Elektrizitätssystem in Deutschland kurzfristig mit geringen Energieimporten auskommt und welche Maßnahmen notwendig sind, um die Klimaschutzziele trotzdem einzuhalten. Die Ergebnisse eines solchen Energiewendeszenarios mit reduzierter Importabhängigkeit werden mit dem Energiesystemmodell MyPyPSA-Ger berechnet. Die wichtigsten Erkenntnisse sind, dass ein zügiger Ausbau Erneuerbarer Energien und von Speichertechnologien • die Abhängigkeit des deutschen Elektrizitätssystems von Energieimporten deutlich reduziert. • auch langfristig keine wesentlichen Importe der Energieträger Erdgas, Steinkohle und Mineralöl nach sich zieht. • über die Klimaziele der Bundesregierung hinaus das 1,5-Grad-Ziel im Elektrizitätssystem erreicht wird.
Dort, wo Modelle der operativen Energiesystemanalyse untereinander Überschneidungen aufweisen, stellt sich zunächst die Frage, ob sie bei gleichgearteten Fragestellungen auch die gleichen Antworten liefern. Dies zu beantworten war erstes Ziel des hier beschriebenen Vorhabens. Das zweite Ziel war, im Falle von Differenzen zu ermitteln, worin diese begründet liegen. Es waren nicht nur die Modelle selbst, sondern auch das methodische Vorgehen zur Modellerstellung und Simulation in Betracht zu ziehen. Die darauf aufbauende Identifikation von individuellen Optimierungspotenzialen war das dritte Ziel. Da die operative Energiesystemanalyse noch ein recht junger Forschungsbereich ist, existiert darüber hinaus Klärungsbedarf, welches Modell sich für welche Untersuchungen besonders eignet und welches methodische Vorgehen sich empfiehlt. Die Beantwortung dieser Fragen stellte das vierte Ziel des Vorhabens dar.
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.
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
Bifaziale Photovoltaikmodule werden durch ihre höhere Leistung, bezogen auf den Flächenbedarf immer attraktiver. Die meisten der bislang hergestellten Photovoltaik Module sind Monofazial ausgeführtund schöpfen damit nicht ihr vollständiges Potential aus. Weiterhin bestehen die konventionell hergestelltenPhotovoltaik(PV) Module aus einem Verbund aus Glas und Kunststoff sowie verschiedenen Metallen, was die Entsorgung oder ein Recycling kostenaufwendig und kompliziert gestaltet. Die Firma Apollon greift diese Punkte auf und versucht, beides in dem NICE-Modul(Siehe Anhang 12.1)zu vereinen,nämlich ein bifaziales Modul, bei dem die PV-Zellen zwischen zwei Glasplatten, anstelle von zwei Kunststoffen eingespannt werden. Die Hochschule Offenburg ist F&E-Partner der Firma Apollon und betreibt ein kleines Labor zur Herstellung von NICE-Modulen. Zu Testzwecken werden diese der Witterung ausgesetzt und so der Energieertrag,sowie deren Lebensdauer unter geltenden Witterungsbedingungen ermittelt. In der Masterarbeit von Benjamin Smith[1]stellte sich heraus, dass sich bei den Modulen nach weniger als zwei Wochen im Freien die Klebefläche zwischen den Glasplatten löste. Somit fielen die Module beim Witterungstest unter realen Bedingungen durch.Im Anschluss an die Arbeit von Benjamin Smith besteht diese Arbeit darin,einen Außenteststand zu konzipieren und aufzubauen, um das in Zwischenzeit neu entworfene Klebe-konzept, welches einem TC 50 Test standhielt, auf die Lebensdauer im Freien und das PV Modul selbst auf den elektrischen Ertrag zu untersuchen. Für den elektrischen Ertrag werden Strom-und Spannungsverlauf aufgezeichnet. Außerdem musste für eine Charakterisierung der Module die Bestrahlungsstärke,der Temperaturverlauf, sowie die Inho-mogenität der Bestrahlungsstärke auf der Rückseite und die Windgeschwindigkeit ermittelt werden. Um eine Alterung des Modulwechselrichters auszuschließen, werden speziell dafür die Wechselspannung und Leistung auf der Ausgangsseite des Modulwechselrichters aufgezeichnet. Sämtliche modulrelevanten Messwerte werden im 3-5 s Intervall abgespeichert und sind auf einem Webserver sowie für eine spätere Datenanalyse als .csv Datei abrufbar. Somit eignet sich die Messeinrichtung lediglich für eine Bilanzierung,nicht aber für eine Leistungsmessung.
Für den Außenteststand musste eine Unterkonstruktion, geeignet für bifaziale Module entworfen und aufgebaut werden. Die Konstruktion ist vollständig aufgebaut. Das Messsystem wurde auf deren Funktion erfolgreich geprüft und steht bis auf die Strahlungsinhomogenitätsmessung im Technikum am Campus Nord der Hochschule Offenburg bereit zur Inbetriebnahme.