Dezentrales, intelligentes Energiesystem Aufbruch in die industrielle Energiewende - Intelligente Nutzung von Energie in KMUs Dr. Richard Öchsner Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie Schottkystraße 10, 91058 Erlangen IISB-Jahrestagung 11. Oktober 2018 Gefördert durch: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie 1
Agenda Warum dezentrale und intelligente Energiesysteme? Forschungs- und Demonstrationsplattform für dezentrale, intelligente Energiesysteme im industriellen Maßstab Energie-Monitoring als Voraussetzung Übersicht der Teilsysteme und Technologien am IISB Beispiel für ein effizienzoptimiertes Teilsystem: Kältesystem Herausforderung der Energieflusssteuerung und Betriebsoptimierung Konzept der Lastspitzenreduzierung am IISB Zusammenfassung 2
Energiesysteme Warum dezentral und intelligent - Auswirkungen? Dezentral Erreichen einer gewissen Unabhängigkeit und Entlastung der Netze Erhöhung der Energieeffizienz und Flexibilität Dezentrale Energieerzeugung, -speicherung, -verteilung und -verbrauch Dezentrale Integration von Erneuerbaren Energien und von versch. Speichern Speicher stellen zusätzliche Freiheitsgrade bereit Intelligent Effiziente Kopplung von Teilsystemen und Sektoren Entwicklung von energieeffizienten und kostenoptimierten Betriebsstrategien, z.b. Lastspitzenreduzierung Flexible Anpassung der Energieinfrastruktur an die Produktionsbedingungen Prognose-basiert und Weiterentwicklung zu selbstlernenden Systemen 3
Forschungs- und Demonstrationsplattform Schwerpunktthemen Intelligentes inselfähiges Subnetz (DC) Elektrische Speicher im Netz Mittelspannungsprüffeld und Versorgungsnetzsimulator Gas-/Stromkopplung Thermische Systeme mit Speicher Energieeffizienz und monitoring Intelligente Energieflusssteuerung 4
Forschungs- und Demonstrationsplattform Forschungsaktivitäten und -ziele Institutsgebäude und Infrastruktur des IISB als Forschungs- und Demonstrationsplattform Energieerzeugung, -speicherung und -versorgung für dezentrale Energiesysteme in der Größenordnung von Industrieanlagen Ziel höchste Effizienz und Wirtschaftlichkeit bei größtmöglicher Versorgungssicherheit und Stabilität Zusammenführung der Einzeltechnologien zu einem optimierten Gesamtenergiesystem im Industriemaßstab Betriebsstrategieoptimierung auf Basis von Simulationsmodellen und Prognosen hinsichtlich Kosten und Effizienz Intelligentes (selbstlernendes) Energieflusssteuerungssystem 5
Forschungs- und Demonstrationsplattform Struktur des Energiesystems am IISB Kälte DC Wärme H2 6
Energiemonitoring-System Schematischer Aufbau Energieverbrauch Verteilung Wärme Sub-distributions Janitza UMG 103 Input Building A Janitza UMG 96S Sub-distribution 2. OG Janitza UMG 604 Gateway Heating Solvismus M-Bus Gateway Boiler room SENSUS M-Bus Boiler room Fernwärme Weitere Energieerzeugung Compressed air & vacuum SIEMENS PAC 3200 Solar power 1 Main building SMA Sunny Web Box SENTRON Powermanager Kälte Energieeinspeisung Input rough and fine power supply SIEMENS PAC 4200 OPC GLT Cooling 6/12 and 12/17 SIEMENS PAC 3200 Device cooling Cooling 12/17 Endress & Hauser RH33 7
Energiemonitoring-System Lastprofil am Netzanschlusspunkt (20 kv-netz) Vergleich von Monatslastgängen (Februar und Juli 2018) 1000 800 Leistungsaufnahme in kw 600 400 200 0 1000 Feb 06 Feb 08 Feb 10 Feb 12 Feb 14 Feb 16 Feb 18 Feb 20 Feb 22 Feb 24 Feb 26 Feb 28 Mar 02 Mar 04 Mar 06 Mar 08 Mar 10 Datum Leistungsaufnahme in kw 800 600 400 200 0 Jul 03 Jul 05 Jul 07 Jul 09 Jul 11 Jul 13 Jul 15 Jul 17 Jul 19 Jul 21 Jul 23 Jul 25 Jul 27 Jul 29 Jul 31 Aug 02 Aug 04 Datum 8
Teilsysteme und Technologien Kältespeicher elektr. Speicher Chem. Speicher Erzeuger Wärmespeicher EE- Erzeuger 9
Teilsysteme und Technologien PV-Forschungsanlage Einsatzzweck: Untersuchung von Einspeise- spitzen auf den Lastgang eines dezentralen Energiesystems sowie Eigenerzeugung Technische Daten: Einspeisung ins interne AC-Netz sowie Einspeisung in das lokale DC-Netz vollständiger Eigenverbrauch ohne EEG O-W-Ausrichtung mit 175 kwp insgesamt 200 kwp Ertragsprognose von 145 MWh/a erreicht 10
Teilsysteme und Technologien Blockheizkraftwerk Einsatzzweck: Erhöhung des Anteils der Eigenerzeugung (Wärme, Strom) Nutzung für Spitzenlastreduktion mit eigenen Algorithmen und eigener Steuerung (Vorhaltung von Reservekapazitäten mit den Wärmespeichern) Technische Daten: Nennleistung: o o 150 kw el 186 (228) kw th (NT-Betrieb) Turbolader Modulierbar bis 50 % der Nennleistung 11
Teilsysteme und Technologien Wärmespeicher Einsatzzweck: Puffer für das BHKW Vorhaltung von Reservekapazitäten für die Spitzenlastreduktion mit dem BHKW (v.a. im Sommer bei niedrigem Wärmebedarf) Technische Daten: Zwei Tanks à 11 m³ Volumen Unterschiedliche Ladesysteme zur Untersuchung der Schichtungsqualitäten 400 bis 800 kwh Gesamtkapazität (abhängig von T) Einzel-, Parallel- und Serienbetrieb der Tanks möglich 12
Teilsysteme und Technologien Kältespeicher Einsatzzweck: Lastverschiebung Effizienzoptimierung Höhere Ausnutzung der freien Kühlung Technische Daten Weltweit erster, großer Kältespeicher (80 m³) mit Vakuumisolation 200 mm Vakuumisolierung 460 kwh bei Nennspreizung (12/17 C) Schichtungsglocken für laminare Einströmung 13
Teilsysteme und Technologien Gas-Strom-Kopplung: Wasserstoffsysteme mit LOHC Chemische Speicherung von H 2 unter Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) durch Verbindung mit flüssigem Trägerstoff (LOHC) Hohe volumetrische Energiedichte realisierbar (Langzeitspeicher) 14
Teilsysteme und Technologien Wasserstoffsysteme mit LOHC-Demonstrationssystem Neuartiger Energiespeicher auf Basis der LOHC-Technologie Äußerst kompakter Systemaufbau (20-Fuß- Container) mit Ausgangsleistung 25 kw; Speicherkapazität: 600 kwh Wasserstoff Neuartiges Reaktorkonzept für Hydrierung und Dehydrierung Anbindung an DC-Netz Kooperation zwischen Fraunhofer und FAU Forschung und Entwicklung Systemauslegung und Systemaufbau Dynamische Steuerungstechnik und Systemintegration LOHC Container am Fraunhofer IISB in Erlangen Bilder: Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB 15
Teilsysteme und Technologien Stationäres elektrisches Batteriesystem Modulares Batteriemanagementsystem (foxbms) Fraunhofer IISB Universale Batterie-Junction-Box Fraunhofer IISB Systemtopologie LTO-Chemie 20 Ah prismatische Zellen 14 daisy-chained Module Elektrische Spezifikationen 20 kwh Energieinhalt 100 kw maximale kontinuierliche Leistung 320 A kontinuierlicher Lade- und Entladestrom 315 567 V Spannungsbereich 1,2 mv-genaues Spannungsmonitoring auf Zellenebene Hohe elektrische Zuverlässigkeit durch redundantes Design für 24/7-Anwendung Luftgekühltes System Fraunhofer IISB Modulares Batteriesystem 16
Teilsysteme und Technologien Elektr. Netzinfrastruktur: DC-Netz und Ladesäulen AC-Ladesäulen 9 x á 22kW Mittelspannungstrafo Strom Elektrolyseur und Brennstoffzelle AC/DC-Wandler DC Stationäre Batterie Photovoltaikanlage 20 kw 50 kw 150 kw Integration von AC- und DC-Ladesäulen in das lokale Energiesystem Energiemanagement und Lastverschiebung Effiziente DC-Ladesäulen an DC-Netz zusammen mit Batteriespeicher und PV-Anlage 17
Optimierung des Kältesystems Monitoring Steuerung A ++ A + A B C D A ++ A + A B C D Betriebsparameter Kältespeicher 18
Optimierung des Kältesystems Motivation für freie Kühlung Daumenregel : Trockenkühlung ist wirtschaftlich, wenn die Temperaturdifferenz von Umgebung zur Anwendung 6 bis 8 C beträgt Unterschreitungsdauer in 10³ h 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Temperaturdauerlinien von 2011 bis 2016 Referenztemperatur im Kältesystem 12/17 C: 2.000 bis 3.000 h/a 0-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperatur in C 2011 2012 2013 2014 2015 2016 19
Optimierung des Kältesystems Potentialanalyse freie Kühlung Niedrige Temperaturen korrelieren häufig mit Niedriglast-Zeiträumen 17 Betriebsstunden mit freier Kühlung (Februar) Zeitraum < 5 C Umgebungstemperatur Kältelast 240 12 200 Umgebungstemperatur in C 7 2-3 160 120 80 Kältelast in kw -8 40 0 1 2 3 4 5 6 7 Wochentag 20
Optimierung des Kältesystems Systemtopologie nach Umbau Freie Kühlung Integration der Komponenten Rückkühler Rückkühler 6/12 Freie Kühlung Kältespeicher Erw.-Bau B P3 P4 Kältemaschinen Kältespeicher Erw.- Bau A Prozess- Kühlung Labore Umluft Umkleiden Wasser- Aufb. Pumpengruppe P1 P2 Verteiler Kältezentrale Verteiler Reinraum 21
Optimierung des Kältesystems Feldergebnisse der freien Kühlung Ergebnisse mit freier Kühlung am IISB (Energieeinsparung ca. 50%) Kälteleistung in kw, elektrische Leistungsaufnahme in kw 350 300 250 200 150 100 50 Freie Kühlung am 11.03.2017 Zeitraum freie Kühlung Kälteleistung Leistungsaufnahme reguläre Kälteanlage Leistungsaufnahme freie Kühlung 03/10 18:00 03/10 20:00 03/10 22:00 03/11 00:00 03/11 02:00 03/11 04:00 03/11 06:00 03/11 08:00 Datum und Uhrzeit 22
Optimierung des Kältesystems Einsparpotenzial am IISB Maßnahmen im Kältesystem (eingespart ca. 135 MWh/a) 23
Energieflusssteuerung und -optimierung 24
Energieflusssteuerung und -optimierung für effiziente und wirtschaftliche Systeme Konzept Umsetzung/ Optimierung Systemoptimierung Effizienz & Wirtschaftlichkeit Analyse Monitoring Analyse Datenanalyse Kennzahlen Entwicklung von Systemkonzepten und Betriebsstrategien Simulationen Konzept Optimierung von Anlagenparametern Umsetzung/ Optimierung Implementierung von Betriebsstrategien Investition in neue Anlagen Parametrierung Monitoring Messungen Datenaufbereitung Vergleich mit Simulation 25
Energieflusssteuerung und -optimierung Einsatz von Simulation Entwicklung von Betriebsstrategien mit Optimierungsalgorithmen Betriebsstrategie Verwendung eigener Komponentenmodelle Komponenten Simulation Prognose des Kältebedarfs Kaeltebedarf Prognose Kaeltebedarf Thu 12:00 Fri 00:00 Fri 12:00 Sat 00:00 Sat 12:00 Sun 00:00 Sun 12:00 Mon 00:00 Systeme Abbildung der Interaktion von Einzelkomponenten auf Systemebene Prognose Optimierung durch Last- und Wetterprognosen Ergebnis: Einsparpotenziale, Steuerungsalgorithmen, Dimensionierungen, Technologieauswahl 26
Energieflusssteuerung und -optimierung Schematische Darstellung für IISB Simulation von Betriebsstrategien auf Basis gemessener Lastgänge Berücksichtigung verschiedener Preismodelle Betriebsstrategie übergibt den lokalen Anlagensteuerungen entsprechende Parameter (z. B. Entladezeitpunkt eines Speichers) 27
Energieflusssteuerung und -optimierung Effizienzoptimierung oder Spitzenlastreduktion Konzept der Energieflusssteuerung Leistungsbedarf Lastspitzenreduktion Speicherbeladung Thermische Speicher Elektrische Speicher (Batterie, Elektroautos) Effiziente Bedarfsdeckung Betriebspunkt- und Laufzeitoptimierung von Erzeugungsanlagen durch Speicher Speicherentladung Abschaltung von Verbrauchern BHKW-Betrieb 28
Energieflusssteuerung und -optimierung Nutzung der Flexibilität durch Kältespeicher Q K Verbraucher p Pumpen COP Kältemaschine P el Rückkühler Steuerung t V Q K Q RK H Speicher Strom el. Netz SOC Q loss Freie Kühlung WRG T Kältenetz Wärmenetz Effizienzoptimierte Betriebsstrategie (Kältesystem) Lastmanagement (Gesamtsystem) 29
Beispiel Lastspitzenreduktion Motivation und Grundlagen Leistungspreis ist maßgeblich für elektrische Energiekosten Einsparungen durch Glättung des Lastprofils ( peak shaving ) Zeitbasis für Mittelwert meist 15 min Übliche Vorgehensweise Abschaltung von Verbrauchern Zuschaltung von Erzeugern Beeinflussung der Produktionsabläufe Verwendung eines Batteriesystems (Mehrfachnutzung) Beladung bei geringem Leistungsbezug Entladung bei (drohender) Lastspitze keine Beeinflussung der Produktion Schematische Darstellung der Lastspitzenreduktion 30
Beispiel Lastspitzenreduktion Nutzung von Sektorenkopplung Beteiligte Komponenten der Demonstrationsplattform des IISB Kälte Kältespeicher Wärmepumpe Strom BHKW Wärme Batterie Ladesäulen Mobilität 31
Beispiel Lastspitzenreduktion Kombination multipler Anlagen und Sektoren Schema für die am Fraunhofer IISB geplante und bereits teilweise umgesetzte Sektorenkopplung Kälte Kältespeicher Wärmepumpe Strom BHKW Wärme Batterie Ladesäulen Mobilität 32
Beispiel Lastspitzenreduktion Kopplung Strom und Kälte Lastgang ohne Peak-shaving Kälte 900 800 Kältespeicher 700 600 Strom Wärmepumpe BHKW Batterie Wärme elektrische Leistung in kw 500 400 300 200 15min-Mittel Kältesystem Batterie 100 Ladesäulen 0 Mobilität -100 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 Jul 26, 2017 33
Beispiel Lastspitzenreduktion Kopplung Strom und Kälte Peak-Shaving mit Kältespeicher und Batterie Kälte 900 800 Kältespeicher 700 600 Strom Wärmepumpe BHKW Batterie Wärme elektrische Leistung in kw 500 400 300 200 max. zul. Mittel 15min-Mittel Kältesystem Batterie 100 Ladesäulen 0 Mobilität -100 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 Jul 26, 2017 34
Beispiel Lastspitzenreduktion Kopplung Strom, Wärme und Kälte Peak-Shaving mit Kältespeicher, BHKW und Batterie Kälte 900 800 Kältespeicher 700 600 Strom Wärmepumpe BHKW Batterie Wärme elektrische Leistung in kw 500 400 300 200 max. zul. Mittel 15min-Mittel BHKW Kältesystem Batterie 100 Ladesäulen 0 Mobilität -100 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 Jul 26, 2017 35
Beispiel Lastspitzenreduktion Kopplung Strom und Mobilität Lastgang der Ladesäulen ohne Scheduling Kälte Kältespeicher Wärmepumpe Strom BHKW Wärme Batterie Ladesäulen Mobilität 36
Beispiel Lastspitzenreduktion Kopplung Strom und Mobilität Lastgang der Ladesäulen mit Scheduling Kälte Kältespeicher Wärmepumpe Strom BHKW Wärme Batterie Ladesäulen Mobilität 37
Beispiel Lastspitzenreduktion Kopplung Strom und Mobilität Lastgang der Ladesäulen mit PV-Beladung Kälte Kältespeicher Wärmepumpe Strom BHKW Wärme Batterie Ladesäulen Mobilität 38
Zusammenfassung Aufbau eines dezentralen intelligenten Energiesystems am IISB Monitoring als Basis für Energieeffizienzmaßnahmen und Energieflusssteuerung Speichertechnologien bieten Freiheitsgrade zur Systemoptimierung Kältesystem als Beispiel für Energieeffizienz Herausforderung Energieflusssteuerung und Betriebsstrategieoptimierung sowie Nutzung der Sektorenkopplung Beispiel Spitzenlastreduzierung ohne Beeinflussung der Produktion Ausblick für weitere Entwicklung: selbstlernende Systeme 39
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Danksagung Diese Arbeiten wurden gefördert durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie im Rahmen der Projekte SEEDs und LZE. Der Autor dankt allen Kolleginnen und Kollegen, die an diesen Projekten mitgearbeitet haben. Kontakt Dr. Richard Öchsner Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB Leiter Bereich Energietechnik Schottkystraße 10, 91058 Erlangen, Germany Tel.: +49 (0) 9131 761-116 richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de www.iisb.fraunhofer.de Weitere Informationen zum Projekt SEEDs https://www.energy-seeds.org/ und LZE http://www.lze.bayern/ 40