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Entwicklung einer intelligenten technologieübergreifenden Digitalisierungslösung für die Sektorkopplung (THERESAnext)

Allgemeine Informationen

Projektnummer 61007316
Projekttitel laut Förderbescheid Entwicklung einer intelligenten technologieübergreifenden Digitalisierungslösung für die Sektorkopplung
Akronym THERESA_next
Projektlaufzeit 01.07.2019 - 30.06.2021
Forschungsschwerpunkt Energie und Umwelt
Projektkategorie Forschung
Zuordnung
Kompetenzfeld Energie und Umwelt
Themengebiet Sektorenkopplung; thermische Energiespeicherung;
Grundeinheit Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik

Inhaltliche Projektbeschreibung

Motivation und Ziele

Mit dem Klimaschutzplan 2050 sowie dem Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 hat sich Deutschland auf nationaler Ebene ambitionierte Ziele zur Reduktion der Treibhausemissionen und damit zur Umsetzung des Pariser Abkommens gesetzt. Bis 2020 sollen die Treibhausgasemissionen im Durchschnitt um mindestens 40 % gegenüber 1990 gemindert werden, bis 2030 im Durchschnitt um mindestens 55 % und bis 2040 im Durchschnitt um mindestens 80 %. Im Jahr 2050 soll Deutschland weitestgehend klimaneutral sein. Die deutsche Wirtschaft soll die erforderlichen Voraussetzungen besitzen, um in einer dekarbonisierten Welt wettbewerbsfähig zu bleiben.

Deutschland befindet sich derzeit auf einem guten Weg, kann aber das anvisierte Ziel zur Treibhausgasminderung von 40 % (750 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent) bis 2020 nicht mehr erreichen. Von zentraler Bedeutung ist der Umbau des Sektors Energiewirtschaft. Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien und den Rückgang der fossilen Energieversorgung aus Kohle, Öl sowie Gas sollen bis 2030 die Treibhausgasemissionen in diesem Sektor von ursprünglich 466 Millionen Tonnen (Basisjahr 1990) auf mindestens 183 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent reduziert werden. Damit Deutschland seine langfristigen Klimaschutzziele erreichen kann, wurden im Klimaschutzplan 2050 entsprechende Maßnahmen erarbeitet. Eine der wichtigsten Maßnahmen nimmt hierbei die Sektorkopplung mit Hilfe von Power to X“-Technologien (PtX-Technologien) ein. Die Sektorkopplung ermöglicht durch direkte oder indirekte Verwendung von regenerativem Strom eine treibhausgasneutrale Versorgung aller Anwendungsbereiche (Sektoren) bzw. die Substitution fossiler Energieträger und Rohstoffe.

Insbesondere die Kopplung des Wärmebereichs mit dem Stromsystem und die direkte Kopplung des Stromsystems mit dem Verkehrssektor stehen im Fokus. PtX-Technologien können zusätzliche Flexibilität für das Stromsystem bereitstellen und so die weitere Integration erneuerbarer Energien unterstützen.

Power to X-Technologien können wie folgt unterschieden werden:

-   Power to Heat (Wärmepumpen, Heizstab)

-   Power to Gas (Wasserstoff, Methan, usw.)

-   Power to Liquid (synthetische Kraftstoffe)

-   Power to Chemicals (nicht energetische Nutzung z.B. Düngemittel)

Um die Minderungsziele zu erreichen und dabei die Versorgungssicherheit und die hohe Qualität der Energieversorgung aufrecht zu erhalten, müssen insbesondere in einer dekarbonisierten Wirtschaft innovative sektorenkoppelnde PtX-Technologien zur Verfügung stehen. Mit dem Rückgang der regelfähigen fossilen Energieversorgungseinrichtungen und dem Ausbau von volatilen erneuerbaren Energien steigt ebenfalls der Bedarf an netzdienlichen Speicherkapazitäten im Stromsystem. Netzdienlich bedeutet, dass diese Technologien die Systemdienstleistungen (Momentanreserve, Primär- und Sekundärregelleistung, Spannungs- und Frequenzhaltung, Blindleistungsbereitstellung) örtlich und zeitlich bereitstellen müssen, die durch den Rückgang der regelfähigen fossilen Energieversorgungseinrichtungen und den Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Energien erforderlich sind. Da konventionelle Kraftwerke, insbesondere Kohlekraftwerke, in naher Zeit kontinuierlich vom Netz genommen werden, ist es erforderlich, Reservekapazitäten von bis zu 100 Gigawatt bereitzustellen. Daher werden intelligente regelbare Energiespeichersysteme mit flexiblen Reservekapazitäten zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit eine wesentliche Rolle im zukünftigen Energiesystem einnehmen. Insbesondere thermische Energiespeicher bieten eine hohe Flexibilität, um Dunkelflauten im Stunden- oder Tagesbereich auszugleichen. Sie bilden eine zentrale Schnittstelle zwischen den Sektoren Strom und Wärme.

Eine weitere wichtige Maßnahme im Klimaschutzplan 2050 ist die Digitalisierung aller Stufen der energiewirtschaftlichen Wertschöpfungskette. So werden beispielsweise mit Methoden der Digitalisierung die immer größeren Datenmengen analysiert und als Ergebnis Effizienzpotenziale aufgezeigt. Mit der Digitalisierung unter Verwendung moderner Technologien werden beispielsweise auch Erzeuger und Verbraucher zur Reduzierung von neuen Netzen zukünftig intelligent miteinander verknüpft. Die Bundesregierung hat mit dem Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende u.a. die Grundvoraussetzung für die digitale Transformation der Energiewirtschaft geliefert. Somit wird u.a. den intelligenten Netzen und intelligenten Messsystemen eine zentrale Rolle zugesprochen.

Für eine vollständige Vernetzung der Akteure sind intelligente Netze notwendig. Damit eine vollständige intelligente Vernetzung umgesetzt wird, muss die Digitalisierung als zentrale Voraussetzung weiter ausgebaut und neue Methoden entwickelt werden. Nur mit der Digitalisierung der Prozesse wird Strom aus dezentralen und heterogenen volatilen Energiequellen optimal in die verschiedenen Verbrauchssektoren:

-   Haushalte,

-   Gewerbe/Handel/Dienstleistungen (GHD)

-   Industrie und Verkehr transferiert.

Durch die Entwicklung und Umsetzung neuer Methoden der Digitalisierung und Automatisierung wird der dezentrale Energiemarkt flexibel. Zur Erreichung der Steuerbarkeit ist eine echtzeitfähige und sichere Kommunikation zwischen Erzeugern, Verteilern (intelligente Stromnetze), Energiespeichersystemen und Verbrauchern notwendig. Durch den Anstieg an Kommunikationsteilnehmern besteht die Herausforderung, dass die Netzsicherheit und der Datenschutz komplexer werden, daher ist eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Systemsicherheit (Cybersicherheit) notwendig.

Zielstellung:

Aus den bisherigen Arbeiten des Antragstellers ist abzuleiten, dass neben der maschinentechnischen Integration von TES in Energieumwandlungsanlagen bzw. in das Energiesystem, insbesondere der leitechnischen Intergration eine besondere Bedeutung zukommt. Nur durch eine intelligente Vernetzung der Sektoren und der zugehörigen Technologien werden die Ziele der Dekarbonisierung der Wirtschaftskreisläufe erreicht und der Umbau des Energieversorgungssystems in Deutschland erfolgreich sein.

Daraus abgeleitet erfolgt die Formulierung der Zielstellung für das Projekt:

Ziel ist die Entwicklung und experimentelle Erprobung einer intelligenten technologieübergreifenden Digitalisierungslösung für sektorenkoppelnde Energiespeichersysteme. Hierfür soll eine universelle Gateway-Lösung entwickelt werden, welche automatisierungs- und energietechnisches Know-how verbindet. Es wird eine intelligente und vernetzbare Automatisierungskomponente für Energiespeichersysteme bereitgestellt, welche eine effiziente und technologieneutrale Sektorenkopplung ermöglicht. Neue Methoden der Digitalisierung und Automatisierung werden untersucht sowie umgesetzt. Die Umsetzung der Methoden hat das Ziel, einen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz und Versorgungsicherheit zu leisten.

Kern der Arbeiten sind Analysen sowie die Entwicklung, Umsetzung und Erprobung der intelligenten Digitalisierungslösung mit den folgenden Schwerpunkten:

  • Analyse und Auswahl vielversprechender CO2-armer und sektorkoppelnder Energiespeichersysteme
  • Modellierung eines generischen Energiesystems (Erzeuger, Netze, Verbraucher) mit ausgewählten Energiespeichertechnologien
  • Recherche und Analyse zur Digitalisierung, Automatisierung und Regelung von Energiespeichersystemen
  • Entwicklung und Umsetzung ausgewählter Methoden der Digitalisierung für die Vernetzung des Energiesystems zur Steigerung der Energieeffizienz und der Versorgungsicherheit
  • Entwicklung und Umsetzung einer Industrie 4.0-konformen Technologie-Lösung zur digitalen und automatisierten Integration von Energiespeichersystemen
  • Entwicklung und Umsetzung von intelligenten Regelungsmethoden für Energiespeichersysteme
  • Experimentelle Untersuchungen intelligenter Regelungssysteme
  • Wissenstransfer in die sächsische Wirtschaft und Gesellschaft.

 

 

Einzelzielsetzung 1 – Modellierung eines repräsentativen Energiesystems und Kopplung mit der VA THERESA

Einzelzielsetzung 2 – Entwicklung einer intelligenten Gateway-Lösung für die Sektorenkopplung

Einzelzielsetzung 3 – Experimentelle Validierung und Demonstration der entwickelten Gatewaylösung

Einzelzielsetzung 4 – Dokumentation und Wissenstransfer

Aktuelle Ergebnisse

Aus den bisherigen Arbeiten des Antragstellers ist abzuleiten, dass neben der maschinentechnischen Integration von TES in Energieumwandlungsanlagen bzw. in das Energiesystem, insbesondere der leitechnischen Integration eine besondere Bedeutung zukommt. Nur durch eine intelligente Vernetzung der Sektoren und der zugehörigen Technologien werden die Ziele der Dekarbonisierung der Wirtschaftskreisläufe erreicht und der Umbau des Energieversorgungssystems in Deutschland erfolgreich sein.

Daraus abgeleitet erfolgt die Formulierung der Zielstellung für das anvisierte Projekt:

Ziel ist die Entwicklung und experimentelle Erprobung einer intelligenten technologieübergreifenden Digitalisierungslösung für sektorenkoppelnde Energiespeichersysteme. Hierfür soll eine universelle Gateway-Lösung entwickelt werden, welche automatisierungs- und energietechnisches Know-how verbindet. Es wird eine intelligente und vernetzbare Automatisierungskomponente für Energiespeichersysteme bereitgestellt, welche eine effiziente und technologieneutrale Sektorenkopplung ermöglicht. Neue Methoden der Digitalisierung und Automatisierung werden untersucht sowie umgesetzt. Die Umsetzung der Methoden hat das Ziel, einen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz und Versorgungsicherheit zu leisten.

Kern der Arbeiten sind Analysen sowie die Entwicklung, Umsetzung und Erprobung der intelligenten Digitalisierungslösung mit den folgenden Schwerpunkten:

  • Analyse und Auswahl vielversprechender CO2-armer und sektorkoppelnder Energiespeichersysteme
  • Modellierung eines generischen Energiesystems (Erzeuger, Netze, Verbraucher) mit ausgewählten Energiespeichertechnologien
  • Recherche und Analyse zur Digitalisierung, Automatisierung und Regelung von Energiespeichersystemen
  • Entwicklung und Umsetzung ausgewählter Methoden der Digitalisierung für die Vernetzung des Energiesystems zur Steigerung der Energieeffizienz und der Versorgungsicherheit
  • Entwicklung und Umsetzung einer Industrie 4.0-konformen Technologie-Lösung zur digitalen und automatisierten Integration von Energiespeichersystemen
  • Entwicklung und Umsetzung von intelligenten Regelungsmethoden für Energiespeichersysteme
  • Experimentelle Untersuchungen intelligenter Regelungssysteme
  • Wissenstransfer in die sächsische Wirtschaft und Gesellschaft.

Die Analyse vorhandener Energiesystemstudien mit den dazugehörigen Recherchen und Bewertungen ist abgeschlossen. Daraus sind Anforderungen an zukünftige Energiesysteme (beispielsweise Versorgungssicherheit und Sektorkopplung) sowie Anforderungen an eine energietechnische Vernetzung der Sektoren abgeleitet worden.

Es wurde damit begonnen ein generisches Energiesystemmodell aufzubauen. Dieses dient zum einen der Untersuchung der Auswirkungen von Regelungs- und Steuerungsalgorithmen, die einen Teil der Funktionalität der intelligenten Gateway-Lösung darstellen. Zum anderen wird die über OPC UA ermöglichte Kommunikation des Gateways mit der Versuchsanlage dem ‚Hardware in the Loop‘-Ansatz folgend durch Kopplung mit dem Energiesystemmodell getestet werden. Ziel ist jeweils die Interaktion zwischen der Anlage und dem umgebenden Netz nachzustellen und zu untersuchen.

Bei der Modellierung wurde sich für einen objektorientierten Ansatz entschieden, der die einfache Handhabbarkeit und Erweiterung Modells zulässt. Um trotzdem hohe Simulationsgeschwindigkeiten auch bei mehreren tausend Gebäuden mit entsprechenden Anlagen zu erreichen, wurden Performance-kritische Teile in Rust programmiert. Um Anwenderfreundlichkeit sicherzustellen wird für das Aufsetzen und Durchführen von Simulationsläufen die weit verbreitete und einfach zu erlernende Sprache Python genutzt. Unter Nutzung skalierter Standardlastprofile wurden verschiedene Verbraucherklassen modelliert, welche in Verbindung mit Gebäuden verschiedener Klassen und deren jeweiligen Wärmebedarfen die Abbildung ganzer Stadtteile ermöglichen. Um das generische Modell repräsentativ zu gestalten, wurden für die installierten Erzeugungstechnologien gesamtdeutsche Statistiken recherchiert und die Verteilung der Anlagen danach gestaltet.

Für Simulation des Übertragungsverhaltens sektorkoppelnder Technologien wurde die hauseigene Simulationssoftware „DynStar[1] ausgewählt. Die modulare Erweiterbarkeit der Software „DynStar“ des IPM ist ideal für die Integration neuer Funktionen. Des Weiteren sind verschiedene Möglichkeiten der standardisierten Kopplung zwischen Hard- und Software betrachtet worden.

 

 

Abb. 1: Gateway mit Anschlussbuchsen (links) und im Betrieb in der Leitwarte der VA THERESA (rechts)

Als standardisierte Kommunikationstechnologie zur Kopplung wurde OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), ein sicherer Standard für den Datenaustausch, der eine plattformunabhängige, service-orientierte Architektur bereitstellt, ausgewählt. Die Implementierung des OPC UA-Standards in „DynStar“ sowie eine Verifizierung und Validierung, anhand eines Testaufbaus, der Funktion ist erfolgt. In den nächsten Schritten wird die Leittechnik der VA THERESA für einen Kommunikationsaustausch vorbereitet und anschließend mit der Simulationssoftware „DynStar“ gekoppelt. Zu diesem Zweck wurde auf Basis der im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelten CODESYS-Bibliothek ein Gateway realisiert. Über das Gateway wird eine sichere Kommunikation des Anlagenzustands in das interne Netzwerk der Hochschule ermöglicht. Abb. 1 veranschaulicht das Gateway in der Rückansicht sowie im Einsatz im Leitstand der VA THERESA.

Es wurde ebenfalls mit der Implementierung von Regelungsstrategien für das Gateway begonnen. Diese dienen der Einbindung verschiedenartiger Speicher ins Netz. Je nach Automatisierungskonzept werden sowohl egoistische (Maximalnutzen für den Speicherbetreiber) als auch kooperative Algorithmen erstellt. Bei Letzteren übernehmen der betrachtete Speicher und eventuelle weitere angeschlossene Anlagen netzdienliche Aufgaben.

 


[1] DynStar, entwickelt am IPM, siehe https://ipm.hszg.de/institut/software

 

Weitere Daten

  • Ansprechpartner

    • Herr Prof. Alexander Kratzsch (Projektleitung)
    • Herr Horus Marcelo Cardona Hernandez
    • Herr Paul Ebert
    • Herr Thomas Gubsch
    • Herr Steffen Härtelt
    • Herr Martin Herling
    • Herr Dr. Stefan Kittan
    • Herr Torsten Klette
    • Frau Doreen Kratzsch
    • Herr Jens Maiwald
    • Herr Dipl.-Ing. Thomas Schäfer
    • Herr Christian Vogel
  • Fördermittelgeber

    • 100379069 - EFRE/SMWA/SAB

      • EFRE
      • SMWA
  • Finanzierung

    • 243.357,00 €
  • Dokumente

  • Schlagworte

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