Forschungsprojekte
Smart Energy
Die Energiewende und die zunehmende Sektorkopplung stellen die Energiesystemforschung vor große Herausforderungen. In diesem Zusammenhang erleichtern Digitalisierungsprozesse hin zu cyber-physischen Energiesystemen (CPES) den Wandel in vielerlei Hinsicht und wirken sich gleichermaßen auf technische, soziale und gesellschaftliche Themen, aber auch auf den Forschungsprozess selbst aus. Die Forschungsbemühungen zu CPES stützen sich in hohem Maße auf modell- und (co-) simulationsbasierte Ansätze. Hierbei stellt die Nachverfolgung von Daten und Modellen eine komplexe Herausforderung dar, die in jedem Forschungsprojekt neu bearbeitet werden muss. Diesen Herausforderungen begegnet nfdi4energy über den gesamten Forschungs- und Transferzyklus von Projekten in der Energiesystemforschung: Von der Identifizierung von Partnern mit relevanten Kompetenzen und Wissen für ein Projekt, über die Formulierung von Forschungsvorhaben und Experimenten, der Identifizierung und Kopplung von Methoden, Modellen und Daten, der Vorbereitung von Ergebnissen zur Veröffentlichung bis hin zur Identifizierung von Folgeaktivitäten.
In der Metropolregion Nürnberg leistet der Umbau der Energieversorgung einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung der Pariser Klimaziele. Die Nutzung erneuerbarer Energien ermöglicht es, die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu verringern und einen nachhaltigen, umweltbewussten Weg einzuschlagen. Die Verflechtung von städtischen und ländlichen Räumen erschwert jedoch die Bewertung von Handlungsoptionen und kann die aktive Beteiligung von politischen Akteuren, Wirtschaftsunternehmen und Bürgern beeinträchtigen.
Das im Rahmen des Projekts Klimapakt2030plus entwickelte Simulationswerkzeug unterstützt Entscheidungsträger und Interessengruppen bei der Umsetzung der Energiewende mit Hilfe eines umfassenden Energiesystemmodells. Es ermöglicht die Analyse von Wechselwirkungen zwischen Energiequellen, Speicheroptionen und Verbrauchsmustern unter Berücksichtigung von Randbedingungen wie Netzinfrastruktur und regionalen Gegebenheiten. Indem es die Auswirkungen politischer Maßnahmen auf die Dynamik der Energieversorgung veranschaulicht, schließt das Tool die Lücke zwischen den politischen Zielen und der praktischen Umsetzung.
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(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)
Abstract:
Die Reduktion des Primärenergieeinsatzes und der Treibhausgase sind zentrale Ziele der Energiewende. Allerdings reicht die Umstellung von fossilen auf regnerative Energieträger nicht aus, um sie zu erreichen. Eine übergreifende Betrachtung und Optimierung der unterschiedlichen Sektoren des Energiesystems - Elektrizität, Gas, Wärme und Verkehr - kann die Weiterentwicklung des Energiesystems in Deutschland wesentlich vorantreiben. Potenziale bestehen vor allem auf der regionalen Ebene.
Ziel des Projekts ESM-Regio - kurz für "Mehrsektorale gekoppelte Energiesystemmodellierung auf regionaler Ebene" - ist es, ein zeitlich hochaufgelöstes Energiesystemmodell in der Größenordnung von Landkreisen zu erstellen, das die vier Sektoren Elektrizität, Gas, Wärme und Verkehr sowie die benötigten Schnittstellentechnologien berücksichtigt. Ein wesentliches Merkmal des Vorhabens besteht in einer sektorübergreifenden Modelllogik. Geeignete Simulationsverfahren ermöglichen eine ganzheitliche Analyse und Optmierung des Systembetriebs unter Betrachtung der vier maßgeblichen Sektoren des Energiesystems.
Externe Partner:
- Bayern Innovativ Bayerische Gesellschaft für Innovation und Wissenstransfer mbH
- Energieagentur Nordbayern GmbH
- Stadtwerke Bayreuth Holding GmbH
- Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg
(Projekt aus Eigenmitteln)
Abstract:
Der Zubau von erneuerbaren Energieträgern und der wachsende Anteil dezentraler und stark fluktuierender Energieerzeuger stellen moderne Energiesysteme vor komplexe Herausforderungen. Auch Speichersysteme wie KWK-Anlagen mit Wärmespeichern, reine Stromspeicher oder weitere Technologien, spielen eine entscheidende Rolle. Des Weiteren ist Kommunikation zwischen den Erzeugern, Verbrauchern und Speichern sowie die intelligente Steuerung der Stromerzeuger und Verbraucher für die Stabilität und Effizienz des Energiesystems entscheidend.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur umfassenden Analyse der zunehmend auf erneuerbaren Energien basierenden Energiewirtschaft auf der Ebene einzelner Häuser und Hausverbünde. Im Rahmen des Teilprojekts entsteht der Simulationsbaukasten i7-AnyEnergy der die schnelle Entwicklung hybrider Simulationsmodelle vernetzter intelligenter Energiesysteme ermöglicht. Dazu werden Methoden wie die diskrete Ereignissimulation (z.B. für Verbraucher-, Wetter- und Steuermodelle) und System Dynamics Modelle (z.B. für Energie- und Kostenflüsse) in einem Simulationsmodell verbunden. Aus den Basiskomponenten für den Energiebedarf (elektrisch und thermisch), für die Energieerzeugung (z.B. Gasheizung, Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen), für erneuerbare Energien (Photovoltaik), für die Energiespeicherung (Batterien, chemische Speicher wie z.B. basierend auf LOHC), sowie für die Steuerung können Hausmodelle erstellt und zu Verbünden mit einem gemeinsamen Wettermodell und einem Kommunikationsnetz gekoppelt werden.
(Projekt aus Eigenmitteln)
Abstract:
Die heutige Computertechnologie unterstützt Forscher und Wissenschaftler bei der Entwicklung ihrer komplexen Ideen und innovativen Technologien. Der Einsatz solcher neuen Ideen und Technologien in einem immer komplexer werdenden technischen und ökologischen Gesamtsystem wird in diesem Projekt untersucht. Dabei kann es sich um Produktionssysteme, Transportsysteme, Computernetzwerke, Smart Grids oder auch eine Kombination solcher Systeme handeln.
Die Modellierung und Analyse solcher komplexen Systeme wird durch leistungsfähige Datenstrukturen und Algorithmen unterstützt, welche erst den Einsatz gängiger PCs für die Berechnungen ermöglichen. Dabei werden zum Beispiel Datenstrukturen wie Multi-Valued Decision Diagrams (MDDs), analytische Verfahren aus der Warteschlangentheorie, hybride Simulation, gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung und auch auf das System zugeschnittene Kombinationen eingesetzt.
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
Abstract:
Mit dem Ausbau stark fluktuierender Erneuerbarer Energien, der Einführung elektrischer Fahrzeuge oder der Sicherstellung suffizienter Energieversorgung portabler Elektronik gewinnen elektrochemische Batteriesysteme jedweder Art und deren Dimensionierung eine immer größere Bedeutung in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens. Für eine kosten- und zeiteffiziente Analyse zur Systemauslegung und Projektplanung ist der Einsatz leistungsfähiger Modelle unabdingbar, welche das Verhalten dieser Batteriesysteme simulieren. Im Projekt Multi Battery Systems Hybrid and New Storage Simulation Tool" im Rahmen des FAU Campus Future Energy Systems (FES) entwirft der Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) detaillierte Simulationsmodelle verschiedener elektrochemischer Batteriespeicher. Ziel des Projekts, das in Kooperation mit der Siemens AG Erlangen durchgeführt wird, ist neben der Abbildung geläufiger Speichertechnologien, wie Lithium-Ionen- und Blei-Batterien, auch die Betrachtung von Systemen, welche bisher keine weitläufige Anwendung finden, also beispielsweise von Redox-Flow-Batterien oder Thermalbatterien. Die entworfenen Simulationsmodelle erweitern auf diese Weise auch die modulare Modell-Bibliothek der Software i7-AnyEnergy, um künftig noch differenziertere Analysen verschiedener Speicherszenarien zu ermöglichen.
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
Abstract:
Der Anteil an Strom aus Photovoltaik am Strommix in Deutschland wurde in den letzten Jahren stark ausgebaut. Auch in naher Zukunft wird die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien und damit auch der solar erzeugte Strom weiter steigen. Bei hoher Sonneneinstrahlung führt dies schon heute zu einem lokalen Überangebot im Stromnetz, während die Photovoltaik in der Nacht naturgemäß nicht zur Stromversorgung beitragen kann. Die Sicherstellung der nächtlichen Grundlast bei Nacht wird daher zu einem großen Teil durch fossile Erzeugung aus Kohle und Braunkohle mit entsprechender CO2-Emission gewährleistet.
Durch den Einsatz grundlastfähiger Speichersysteme mit Niedertemperatur-Speichern soll der Einsatz umweltbelastender thermischer Kraftwerke reduziert werden. Tagsüber wird mit überschüssigem Strom aus der Photovoltaik mittels Wärmepumpen (HP) Wärme aus Geothermie oder industriellen Prozessen aufgewertet und in einem Niedertemperatur-Speicher gespeichert. Zur Erzeugung von nächtlichem Grundlaststrom wird dann diese Wärmeenergie über einen Organic Rankine Cycle (ORC)-Prozess dem Speicher entzogen.
Ziel des Projekts ist die dynamische Simulation der Energieflüsse von HP-ORC-Wärmespeichern, die in das Energiesystem integriert sind und überschüssige Wärme und Strom nutzen. Mit den Simulationsmodellen sollen die Dimensionierung und geeignete Betriebsweisen für den wirtschaftlichen Betrieb von Niedertemperatur-Speichern untersucht werden.
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)
Abstract:
Mit den Beschlüssen der deutschen Bundesregierung zur Energiewende wird die deutsche Energieversorgung nachhaltig umgestaltet. Ein Hauptziel ist dabei, eine der umweltschonendsten und energiesparendsten Volkswirtschaften bei gleichzeitig wettbewerbsfähigen Energiepreisen zu werden. Hierfür bedarf es der Unterstützung von erweiterten Analysesystemen, die sowohl die technischen als auch marktregulatorischen und rechtlichen Rahmenbedingungen gleichermaßen berücksichtigen. Gerade auf technischer Seite wird in existierenden Energiesystemanalysemodellen die Modellierung des Übertragungs- und Verteilnetzes häufig vernachlässigt oder stark vereinfachend durchgeführt.Dies motivierte die an der FAU Erlangen-Nürnberg durchgeführten Vorarbeiten der vergangenen Jahre (Energiesystemanalyse Bayern"), mit denen ein ganzheitlicher systemorientierter Modellierungsansatz für das elektrische Energieversorgungssystem Deutschlands zunächst mit Fokus auf den Freistaat Bayern entwickelt wurde. In dieser Modellierung wurden das Hoch- und Höchstspannungsnetz mit konventionellen Kraftwerken und Einspeisungen aus regenerativen Energieanlagen unter den bisherigen Marktmechanismen in Deutschland abgebildet. Mit Hilfe der erstellten Modelle wurden für das Bundesland Bayern Aussagen, u.a. über einen kostenoptimalen Kraftwerks-, Netz- und Speicherausbau oder die Entwicklung von CO2 -Emissionen abgeleitet. Das Gesamtmodell beinhaltet Teilmodelle zur Optimierung (Ermittlung von kostenminimalen Ausbauszenarien), zur Simulation (stochastische Simulation von unterschiedlichen Szenarien mit hoher zeitlicher Auflösung und hoher Detailtiefe) und zur Netzsystemanalyse (quasistationäre AC-Lastflussberechnungen) zur Überprüfung der erforderlichen Netzplanungskriterien und eines sicheren Systembetriebs.
Im Rahmen des vom BMWi geförderten Vorhabens KOSiNeK wird basierend auf den geleisteten Vorarbeiten das elektrische Energieversorgungssystem Deutschlands und seiner europäischen Nachbarstaaten abgebildet. Dies führt zu Modellen von hoher Komplexität. Um dieser Komplexität Rechnung zu tragen, sind neue methodische Ansätze sowie die Weiterentwicklung bestehender Ansätze aus der Mathematik, Informatik und Netzanalyse notwendig, welche zudem iterativ gekoppelt werden. Durch diese iterative Kopplung der Modelle ist es zum einen möglich, technische und wirtschaftliche Aspekte hinsichtlich der Steuerung von Kraftwerken sehr detailliert abzubilden, zum anderen ist es auch möglich, netzregulatorische Vorgaben exakt zu berücksichtigen und somit die Systemsicherheit zu gewährleisten. Darüber hinaus können Energiemärkte einschließlich ihrer regulatorischen Rahmenbedingungen im europäischen Kontext untersucht werden. Durch den flexiblen und komponentenbasierten Modellaufbau können die Einflüsse neuer Marktmechanismen wie z.B. die Aufteilung Deutschlands in Preiszonen oder sich ändernde Börsen- bzw. Fördermechanismen mit einem detaillierten, agentenbasierten Marktmodell studiert werden. Dies ist durch die zu entwickelnden Mehrpunktmodellansätze und die Abbildung einzelner, jeweils optimiert handelnder Marktakteure möglich. Für die integrierte Netzanalyse wird das kontinentaleuropäische Verbundnetz in Form von Netzäquivalenten nachgebildet. Zur Bewertung der Netzausbauszenarien wird ein neuartiger probabilistischer Ansatz entwickelt.
Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung beim Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms für das Projekt KOSiNeK (Förderkennzeichen: 03ET4035).
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
Abstract:
Das Hauptziel dieses Kooperationsprojekts ist die Entwicklung eines umfassenden Simulationsframeworks für das palästinensische elektrische Energieversorgungssystem mit einem Fokus auf eine bestimmte Region (z.B. das Westjordanland). Das Simulationsframework soll in der Lage sein, die verschiedenen Aspekte der zukünftigen Energieversorgung zu erfassen.
Die zu entwickelnden Simulationsmodelle werden zwei Abstraktionsebenen beinhalten. Auf der Makroebene soll das palästinensische Energieversorgungssystem in abstrakter Weise nachgebildet werden, um mittels Simulation Aussagen zur Entwicklung des Strombedarfs und der Stromerzeugungsbilanzen tätigen zu können. Auf der feingranularen Mikroebene soll eine detailliertere Modellierung der verschiedenen Komponenten eines Energiesystems erfolgen, so dass auch ICT—fähige Anwendungen implementiert werden. Dadurch soll beispielsweise untersucht werden, inwiefern Lastspitzen reduziert werden können.
Storage With Amply Redundant Megawatt (SWARM)
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
Abstract:
Im Rahmen des Kooperationsprojektes SWARM der N-ERGIE AG und dem Energie Campus Nürnberg (EnCN) beschäftigt sich unter anderem der Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) mit den Fragestellungen, unter welchen Bedingungen Privathaushalte in innovative Stromspeicher investieren, wie sich diese Speicher auf die Stabilität des Stromnetzes auswirken und welchen ökonomischen Nutzen sie aus Sicht des Netzbetreibers bzw. der Privathaushalte schaffen.
Übergeordnetes Ziel der Untersuchungen ist es, Erkenntnisse über vernetzte Speicher zu gewinnen und zu vertiefen.Das von der Caterva GmbH entwickelte Energiespeichersystem (ESS) mit einer Gesamtleistung von 20 kW und einer Bruttokapazität von 21 kWh richtet sich an Privathaushalte, die deutlich mehr als die durchschnittlich üblichen 30 Prozent ihres selbst erzeugten PV-Stroms nutzen möchten, da das ESS eine hohe Deckung des individuellen Strombedarfs aus Eigenerzeugung ermöglicht.
Die Innovation des Systems liegt jedoch in seiner zweiten Funktion: Die Energiespeichersysteme können sich zu einem virtuellen Großspeicher vernetzen, der am Primärregelleistungsmarkt teilnimmt und damit eine Stabilisierungsfunktion im Stromnetz übernimmt. Der virtuelle Großspeicher speichert Strom bei einem Überangebot im Netz und speist umgekehrt bei Strombedarf in das Netz ein.Der Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) entwickelt ein Simulationsmodell eines Kleinspeicher-Verbunds. Ziel des Modells ist es, die technischen Auswirkungen der Speicher auf die Netze zu ermitteln, sowie den ökonomischen Nutzen sowohl für die beteiligten Privathaushalte als auch für das gesamte Energiesystem zu identifizieren.
Externe Partner:
- N-ERGIE AG
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
Abstract:
Entwicklung des Simulationsbaukastens i7-AnyEnergy für vernetzte intelligente Energiesysteme. Dazu werden Methoden wie die diskrete Ereignissimulation (z.B. für Verbraucher-, Wetter- und Steuermodelle) und System Dynamics Modelle (z.B. für Energie- und Kostenflüsse) in einem Simulationsmodell verbunden. Er stellt vorgefertigte Komponenten zur Verfügung, aus denen komplexere Energiesystemmodelle flexibel zusammengesetzt werden. Aus den Basiskomponenten für den Energiebedarf (elektrisch und thermisch), für die Energiewandlung (z.B. Gasheizung, Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen), für erneuerbare Energien (Photovoltaik), für die Energiespeicherung (Batterien, chemische Speicher), sowie für die Steuerung können Hausmodelle erstellt und zu Verbünden mit einem gemeinsamen Wettermodell und einem Kommunikationsnetz gekoppelt werden.