Energieerzeugung und Sekundärenergienutzung

Die Optimierung von thermischen Energiesystemen (Wärme- und Kältesysteme) stellt Betreiber vor große Herausforderungen, da sie häufig mit Eingriffen in die laufende Infrastruktur verbunden ist. Die Einsparungspotenziale durch Modernisierungs- und Effizienzmaßnahmen in thermischen Systemen sind dabei maßgeblich von den eingesetzten Betriebsstrategien der Einzelanlagen sowie von dem Zusammenspiel der Komponenten abhängig und damit nicht einfach zu bestimmen.

Optimierter Betrieb von thermischen Systemen

Bild 1: Darstellung des Energieflusses in einem Kältesystem mit den benötigten Komponenten und ihren individuellen Arbeitskennlinien

Optimierter Betrieb von thermischen Systemen

Aufstellung des vakuumisolierten Kältespeichers

Die Nutzung  von Simulationen zur Identifikation von Effizienzpotenzialen ist eine Möglichkeit, Einsparpotenziale unter verschiedenen Rahmenbedingungen (z. B. Betriebsstrategien, Anlagenkonfigurationen) nicht-invasiv zu bestimmen und daraus Verbesserungsvorschläge für das betrachtete Energiesystem abzuleiten. Im Rahmen des Projektes SEEDs baut das Fraunhofer IISB eine umfangreiche Modellbibliothek für Komponenten aus dem gesamten Energiebereich auf und nutzt diese für Systemsimulationen. Aufgrund der Vielzahl systeminterner und -externer Einflussfaktoren auf die Systemeffizienz sind vorausschauende Betriebsstrategien notwendig, welche dynamisch auf die Anforderungen und Randbedingungen des betrachteten Systems (z. B. Wetterbedingungen, Anlagenauslastung) reagieren. Aus den Ergebnissen der Simulation lassen sich neben Handlungsempfehlungen bezüglich der Optimierung der Energieinfrastruktur auch Aussagen über die Wirtschaftlichkeit verschiedener Referenzszenarien und Ausbaustufen gewinnen.

 

Neben dem Einfluss verschiedener Anlagenkonfigurationen und Betriebsstrategien liegt ein weiterer Betrachtungsschwerpunkt auf dem Einsatz von thermischen Speichern. Diese entkoppeln den aktuellen Energiebedarf von der Notwendigkeit einer kontinuierlichen Erzeugung und ermöglichen somit eine zeitliche Verschiebung der Laufzeit von Anlagen. Auf Basis von Simulationen wird am IISB ein Kältespeicher im industriellen Maßstab aufgebaut, welcher den Betrieb der Kältemaschinen schwerpunktmäßig in die Nachtstunden verschiebt. Während dieser Zeit ist die Außentemperatur niedriger und die Rückkühlanlagen arbeiten effizienter, wodurch die Betriebskosten für die Kälteanlagen um bis zu 15 % reduziert werden. Weitere Einsparpotenziale ergeben sich insbesondere in den Wintermonaten, wenn die Kälteenergie nicht wie üblich über die vorhandenen Kältemaschinen, sondern über eine im Rahmen des Projektes integrierte freie Kühlung bereitgestellt wird. Das kalte Wasser kann nachts im Speicher eingelagert und tagsüber verwendet werden, wodurch der COP („coefficient of performance“, Leistungszahl) der gesamten Kälteanlage inkl. Rückkühlung übergangsweise auf über fünf und höher ansteigt. Für die Planung und Auslegung der Systemkomponenten und Demonstratoren wurden die Simulationswerkzeuge eingesetzt und validiert, welche im Rahmen der Vorarbeiten entwickelt wurden. Die Simulationen berücksichtigen insbesondere die individuellen Wirkungsgrade aller beteiligten Komponenten und erlauben somit verlässliche Aussagen über das wirtschaftliche Potenzial der Maßnahmen.

Die Forschungsaktivitäten zielen auf eine Erhöhung der Systemeffizienz thermischer Versorgungstrukturen ab. Hierfür werden vor allem innovative Betriebsstrategien für thermische Speicher entwickelt und eingesetzt. Der Ansatz ist eine aktive und vorausschauende Steuerung des Speicherladeverhaltens ohne notwendigen Zugriff auf weitere Versorgungskomponenten des Netzes. Dies eröffnet ein breites Anwendungsspektrum an möglichen Standorten und einen überschaubaren Aufwand für die Systemintegration. Die Kernkompetenz liegt in der Erstellung von konkreten Versorgungskonzepten, welche individuell für den Einsatz in der Industrie sowie in kleineren und mittleren Unternehmen entwickelt werden.

Kältespeicher und Batteriespeicher zur Spitzenlastreduzierung

Schematischer Aufbau des Kühlsystems

In einem weiteren Demonstrationsszenario wird der Großkältespeicher genutzt, um hohe elektrische Leistungsbezüge der Kälteanlagen innerhalb der Spitzenlastzeiten zu reduzieren. Hierfür wird eine eigene Steuerung entwickelt, welche den Energiebezug des gesamten Institutsgebäudes mit Hilfe des Einsatzes des Kältespeichers und der unter Lastverschiebung beschriebenen, stationären Batteriespeicher beeinflusst und somit elektrische Lastspitzen vermeiden kann. Der optimale Arbeitspunkt des Kältespeichers wird anhand von zwei übergeordneten Randbedingungen ermittelt. Am effizienten Betrieb des Kältesystems (also die höchst mögliche Effizienz der Kälteanlagen) und an der Vermeidung von elektrischen Lastspitzen.

 

Um entsprechende Fahrpläne für die Be- und Entladung des Speichers festlegen zu können, ist die Prognose von verschiedenen Einflussgrößen (Außentemperatur, Kältebedarf) notwendig. Diese dient neben den aktuellen Messwerten als Eingangsgröße für die Steuer- und Regelungsfunktionen. Der gezielte Einsatz der Speicherkapazitäten im Kälte- und Stromnetz demonstriert die erfolgreiche Kopplung beider Sektoren und das Anwendungspotenzial des Konzeptes.

Die Forschungsergebnisse werden im Rahmen des Projektes SEEDs am Bestandsbau des Instituts im laufenden Betrieb umgesetzt und demonstriert. Die gewonnene Erkenntnisse sind außerdem in die Planung des Erweiterungsbaus eingeflossen, welcher neben den Schnittstellen zum Altbestand eine teilautarke Energieversorgung bei höchstmöglicher Gesamteffizienz aufweisen soll.

Effiziente Nutzung von Abwärme mit Hilfe einer Wärmepumpe

Wärmepumpen-System am Fraunhofer IISB

Systemübersicht aus der Visualisierung (HMI) des Wärmepumpensystems.

Im Bereich der Gebäudeklimatisierung liegt durch die Luftbe- und entfeuchtung ganzjährig ein Wärmebedarf vor, der auch bei hohen Außentemperaturen nicht vollständig aussetzt. Die Lüftungsanlagen stellen den Laboren, Werkstätten usw. ganzjährig eine Zuluft mit konstanter Temperatur (ca. 21 °C) und Luftfeuchtigkeit zur Verfügung. Die Abluft besitzt daher ein ähnliches, annähernd konstantes Temperaturniveau. Ein bestimmter Anteil davon wird bei niedrigen Außentemperaturen zur Vorerwärmung der Zuluft verwendet (Wärmerückgewinnung). Die restliche Wärmeenergie wird an die Außenluft abgegeben. Der zur Verfügung stehende Temperaturbereich der Abluft eignet sich sehr gut als Energiequelle für eine Grundwasser-Wärmepumpe. Dazu wurde am Fraunhofer IISB ein Wärmepumpen-System aufgebaut, das aus einer Wärmepumpe (Heizleistung ca. 50 kW), einem 3000 Liter Pufferspeicher und einem optimierten Hydrauliksystem besteht. Dabei wird der Pufferspeicher nicht (wie häufig üblich) als  hydraulische Weiche genutzt, sondern als essentielle Komponente der Betriebsstrategie. Neben der Abluftenergie wird zusätzlich die Abwärme der Drucklufterzeugung für die Wärmepumpe genutzt.
Die gesamte Mess-, Steuer- und Regelungstechnik wurde vom Fraunhofer IISB konzipiert, aufgebaut und programmiert. Das System besitzt ca. 80 physikalische und über 400 virtuelle Datenpunkte. Das zentrale Element ist ein Zustandsautomat, welcher die Betriebsstrategie des Wärmepumpen-Systems umsetzt und wichtige Sicherheitsfunktionen überwacht. Daneben gibt es zahlreiche untergeordnete Funktionsblöcke, wie zum Beispiel Pumpenregelungen, Berechnungsfunktionen und einen Zustandsautomat für die Wärmepumpe selbst. Für die Überwachung, Bedienung und Parametrierung des Systems wird ein Touch Panel vorwendet. Weiterhin existiert eine Schnittstelle zur Gebäudeleittechnik und eine bidirektionale Kommunikation mit dem Energiemonitoring-System des IISB.
Im Betrieb wird für die Heizleistung von 50 kW eine elektrische Leistung von 10 kW benötigt. Somit werden 40 kW aus der Abluft gewonnen. Für das Gesamtsystem ergibt sich also eine Leistungszahl (Verhältnis von Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung) von fünf. Das führt bei 40 %iger Deckung des Wärmebedarfs eines Heizungsunterverteilers zu einer jährlichen Ersparnis von ca. 10.000 €. Es sind entsprechend kurze Amortisationszeiten in der Größenordnung von vier Jahren möglich.