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Kurztitel: iHEM
Förderkennzeichen: 03ET1205A, 03ET1205B, 03ET1205C, 03ET1205D, 03ET1205E, 03ET1205F, 03ET1205G, 03ET1205H, 03ET1205K, 03ET1205L
Status: Laufend
Laufzeit: 07/2014 bis 12/2017
Themen: Heizen, Lüften, Kühlen, Gebäudebetrieb & Gebäudeautomation, Energiespeicherung, Betriebsführung & Energiemanagement, Lastmanagement, Solare Wärme, Solarstrom
Standort: Spicherer Straße 48, 86157 Augsburg
Innovation: Ein Energiemanagementsystem koordiniert die solare Strom- und Wärmeerzeugung mit Strom- und Wärmespeichern sowie das Mikro-BHKW. Es wird mit dynamischen Wetterdaten, Leistungsprognosen und Daten zum Verbraucherverhalten kontinuierlich optimiert.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Für Wohnungsneubauten und den Gebäudebestand soll eine integrierte Energieversorgung entwickelt werden
  • Ziel sind netzdienliche Gebäude unter Nutzung von solarer Energie und Synergien zwischen Strom- und Wärmetechnologien
  • Das Energiemanagementsystem basiert maßgeblich auf dynamisch prognostizierten Erzeugungs- und Bedarfsprofilen
  • Aktuell wird ein Demonstrator für Test- und Evaluierungszwecke aufgebaut

In dem Forschungsprojekt „iHEM“ wird für den Wohnungsbau eine integrierte Energieversorgung unter Nutzung von Solarenergie entwickelt. Ein eigens entwickeltes Energiemanagement koordiniert die Systeme zur Solarstrom- und Solarwärmeerzeugung mit Strom- und Wärmespeichern sowie mit einem Mikro-BHKW. Das zugrundeliegende Managementkonzept basiert auf dynamisch erzeugten Prognosen für die Erzeugungs- und Bedarfsprofile.

Projektkontext

Bei der Versorgung von einzelnen Gebäuden mit solarer Energie kommt es aufgrund wechselnder Wetterlagen und dem Tag-Nacht-Zyklus immer wieder zu Versorgungslücken, sofern keine weiteren Maßnahmen wie Energiespeicherung oder Energiemanagement ergriffen werden. Auch mit der Integration einzelner Gebäude in Strom- und Wärmenetze, die künftig einen höheren regenerativen Anteil aufnehmen sollen, kommt den Netzen ein solches Management und eine erzeugungs- und bedarfsabhängige Betriebsweise der Anlagen zugute.

Bei sinkenden Einspeisevergütungen, wegen Netzüberlastung zeitweise erzwungener Abregelung von kleinen, netzgekoppelten PV-Anlagen und bei tendenziell steigenden Strompreisen wird der direkte Verbrauch oder die Speicherung von Solarstrom am Ort der Erzeugung wirtschaftlich immer attraktiver. Hierfür sind effektive und kostengünstige Energiespeichertechnologien sowie ein intelligentes Erzeugungs- und Lastmanagement gefragt.

Forschungsfokus

Ziel des Verbundvorhabens ist die Erforschung, Entwicklung und Evaluation eines modularen Energiemanagementsystems, das sowohl in Neubauten als auch im Gebäudebestand einsetzbar ist. Dafür wird das komplexe System zunächst komponentenweise und anschließend in seiner Gesamtheit simuliert. Im Labor soll ein vollständiges System zu Testzwecken aufgebaut werden. Anschließend soll ein „echtes“ Gebäude zu Demonstrationszwecken mit dem neuen Energiemanagementsystem ausgerüstet werden.

Besonderes Merkmal des Konzepts ist die Verknüpfung von elektrischer und thermischer Energieversorgung. Synergieeffekte sollen optimal genutzt werden, um eine weitgehend dezentrale Energieversorgung zu ermöglichen. Dafür soll das System unter Einbeziehung von dynamischen Wetterdaten, Leistungsprognosen und Verbraucherverhalten kontinuierlich optimiert werden.

Die Schwerpunkte liegen hierbei auf der Simulation des gesamten Systems, auf der Hardware-Entwicklung für die Steuereinheit einschließlich aller Kommunikationsschnittstellen, auf der Erstellung von Algorithmen für dynamische Prognosen des Erzeugungs- und Verbrauchsverhaltens, auf der Verknüpfung einzelner Gebäude zu virtuellen Quartieren, auf dem optimierten Betrieb der Lithium-Ionen-Akkus als elektrische Energiespeicher und des Warmwasserspeichers für die verschiedenen thermischen Systeme und Kreisläufe. Auch sollen geeignete Geschäfts- und Betreibermodelle analysiert werden, die einen wirtschaftlichen Betrieb der Systeme gewährleisten können.

Insgesamt neun Partner aus Wirtschaft und Forschung arbeiten daran, Solarstrom und Solarwärme zur nachhaltigen Energiegewinnung für einzelne Gebäude zielgerichteter zu nutzen. Eine Kombination von elektrischen und thermischen Energiespeichern soll eine energieeffiziente und netzdienliche Energieversorgung unterstützen. Eine mit Erdgas betriebene Brennstoffzelle soll in den besonders sonnenarmen Zeiten für Strom und Wärme sorgen.

Das im Forschungsprojekt iHEM entwickelte Energiemanagementsystem basiert maßgeblich auf dynamisch prognostizierten Erzeugungs- und Bedarfsprofilen.

© meteocontrol GmbH

Schematischer Aufbau der Systemsimulation – unterschieden in elektrische (blau) und thermische (orange) Komponenten sowie in steuerbare (grün umrandet) und nicht-steuerbare Komponenten

© OFFIS e.V.

Erfolge

Die Auslegung des Gesamtsystems ist erfolgt. Dafür wurden bestehende Energiepotenziale und die System- und Anlagentechnik untersucht. Als Grundlage für die Gesamtsystemsimulation wurden alle Komponenten modelliert. Die Modellierungen wurden für verschiedene Gebäudetypen wie Alt- und Neubau sowie Ein- und Mehrfamilienhaus, für die Brennstoffzelle, den Batteriespeicher, Solarthermie- und Photovoltaikanlagen und den thermischen Speicher angepasst und bereitgestellt. Die Hardware-Entwicklung der Steuereinheit konnte einschließlich der notwendigen Kommunikationstechnik und eines Entwurfs zur Komponentenansteuerung abgeschlossen werden.

Zudem wurden die dazugehörige Software und das User-Interface definiert. Die Kopplung von verschiedenen Datenquellen mit intelligenten, statistischen Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsvorhersage wurde erfolgreich umgesetzt. Im Prüflabor wurden alle Komponenten als Prototypen aufgebaut. Aktuell wird an der Einbindung der Leistungselektronik, des Batteriespeichers und der Managementkomponente gearbeitet. Während der Testphase werden Brennstoffzelle, Solarthermie- sowie Photovoltaikmodule simuliert.

Aktuell wird ein Demonstrator-System bei der Firma Sailer in Ehingen aufgebaut, getestet und wissenschaftlich evaluiert.

Teststand mit dem Warmwasserspeicher (Schichtenspeicher): Diverse Zu- und Abläufe ermöglichen das Entnehmen bzw. die Rückführung aus bestimmten Temperaturniveaus

© EWE Forschungszentrum für Energietechnologie e.V.

Hochvolt-Batteriespeichersystem in Front- und Rückansicht. Von unten nach oben: Sieben seriell verschaltete Batteriemodule, Controller, Kommunikationseinheit, Sicherheitseinrichtungen.

© Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik, TU München

Die offene Rückansicht zeigt von unten nach oben: Sieben seriell verschaltete Batteriemodule, Controller der Batterie zum Anschluss der Leistungselektronik, Kommunikationseinheit zum Anschluss an verschiedene Datenschnittstellen und verschiedene Sicherheitseinrichtungen wie Systemerdung, Isolationsüberwachung, zweifache mechanische Trennbarkeit des Systems durch Schütze und Überlastschutz durch Schmelzsicherungen.

© Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik, TU München

Dashboard als Benutzerschnittstelle: Mögliche Darstellung auf PC, Tablet oder Smartphone. Es ist individuell anpassbar und erhält Live-Werte vom System, hier vom elektrischen Anlagensystem.

© meteocontrol GmbH

Anwendung

Einzelne Komponenten von iHEM sind bereits marktverfügbar:

BlueGEN ist ein Brennstoffzellen-Heizgerät zur Versorgung von Wohngebäuden und kleinen Gewerbeeinheiten mit Strom und Wärme. Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) des Herstellers SOLIDpower GmbH hat eine elektrische Leistung von nominal 1,5 kW bei einem sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60%. Deshalb wird das Aggregat stromgeführt betrieben. Die thermische Leistung liegt bei 0,6 kW. Derzeit wird die Brennstoffzelle mit Erdgas betrieben. Mit Einführung von Power-to-Gas-Technologien (P2G) kann die Brennstoffzelle zukünftig mit erneuerbaren Energien betrieben werden.

Lithium-Ionen-Batteriespeicher: Bei der im Projekt iHEM eingesetzten, modular aufgebauten Batterie handelt es sich um einen Lithium-Ionen Batteriespeicher mit einer Nennspannung von 358 V, einer Nennkapazität von 24 Ah und einer Nennenergie von 8,4 kWh. Durch die Modularität ist die Anpassung an unterschiedliche Anlagengrößen gegeben.  Weitere besondere Eigenschaften der eingesetzten Lithium-Eisenphosphat-Graphit-Zellchemie von Sony sind die Entladetiefe von knapp 100% und eine Lebensdauer von bis zu 10.000 Ladezyklen. Diese Attribute unterstützen ein effizientes Wirtschaften mit der selbst erzeugten Elektrizität.

Letzte Aktualisierung: 17. April 2017

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