ENERGY LAB 2.0
Wie kann die Energiewende gelingen? Was bietet das Energiesystem der Zukunft? Welche Lösungsansätze gibt es, um unterschiedliche Sektoren wie Elektrizität, Wärme und Mobilität miteinander zu koppeln? Diese und weitere Fragen werden im Energy Lab 2.0 des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erforscht. Das in Deutschland einzigartige Reallabor liefert so Erkenntnisse über den nachhaltigen Umbau unseres Energiesystems, einem wesentlichen Baustein, um den Klimawandel erfolgreich zu bremsen.
Erfahren Sie mehr über Energiespeicherung, CO2-neutrale Kraftstoffe und intelligente Energiesysteme in unserem Online-Dossier „Energy Lab 2.0 – Forschung für die Energiewende“.
Überblick
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Das Energy Lab 2.0 ist Schwerpunktthema der Ausgabe 02/2020 des Forschungsmagazins lookKIT.
linkEinzigartiges Reallabor
Das Energy Lab 2.0 am Campus Nord des KIT ist ein Reallabor, dessen Dimensionen geeignet sind, die Sektorenkopplung in weltweit einzigartiger Weise der Forschung zugänglich zu machen. Das dort in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit entwickelte Systemwissen soll die Grundlage eines geplanten Pilotprojektes zur umfassenden Nutzung der erneuerbaren Energieträger einschließlich Geothermie und Biomasse für die Versorgung einer 300 000-Einwohner-Stadt bilden.
Die Sektorenkopplung verspricht nach Überzeugung von Professor Veit Hagenmeyer, Leiter des Instituts für Automation und angewandte Informatik (IAI), eine Lösung der Speicherproblematik, die durch die starke Fluktuation der Solarenergie und Windkraft entsteht. Hagenmeyer ist überzeugt, dass die im Rahmen des Energy Lab 2.0 entwickelten Prognose-Tools die Stromversorgung stabil und weitgehend automatisiert gewährleisten: „Wir brauchen ein intelligentes Energiesystem das chemische, thermische und mechanische Speichermöglichkeiten einbezieht. Die Versorgung mit Energie bedeutet mehr als nur die Versorgung mit Strom.“
Dem Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) und wissenschaftliche Koordinator des Energy Lab 2.0, Professor Roland Dittmeyer, geht es bei der Sektorenkopplung neben der Lösung der Speicherproblematik vor allem darum, einen Kohlenstoffkreislauf als Mittel gegen den Klimawandel zu etablieren. Bestimmte Bereiche des Verkehrs wie der Flug- und Schwerlastverkehr sind auf absehbare Zeit auf die hohe Energiedichte der chemischen Energieträger angewiesen. „CO2 kann bei großindustriellen Prozessen, aus biogenen Quellen wie Biogas- oder Abfallverbrennungsanlagen abgeschöpft oder direkt aus der Umgebungsluft gefiltert werden. Alle drei Möglichkeiten werden am Energy Lab 2.0 erforscht“, so Dittmeyer.
Das gesamte Interview mit den Professoren Veit Hagenmeyer und Roland Dittmeyer lesen Sie in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins lookKIT.
„Verzicht auf Kohlenstoff fossiler Herkunft ist das Ziel.“
- Professor Roland Dittmeyer
Sektorenkopplung
Im Projekt Sektorenkopplung (SEKO) erforscht das KIT das hochkomplexe Zusammenspiel von elektrischen, thermischen und chemischen Energieträgern. Das Vorhaben ist in Deutschland einmalig.
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Herz und Hirn für die Energiewende
Im Energy Lab 2.0 wird erforscht, wie ein zukünftiges Energiesystem in Deutschland aussehen könnte. Es ist ein einzigartiges Reallabor für die Energiewende. Eine Vielzahl von Komponenten eines solchen zukünftigen Energiesystems ist am Campus Nord des KIT aufgebaut. Fehlende Elemente, wie etwa große Elektrolyseure oder Windparks, werden virtuell in das Smart Energy System Simulation and Control Center (SEnSSiCC) eingebunden, welches aus vier Teillaboren besteht. Möglich wird dies durch Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL).
Das PHIL-Labor ist ein wesentliches Element des SEnSSiCC, welches vom Institut für Technische Physik aufgebaut und betrieben wird. Dort lässt sich die Netzumgebung selbst in Echtzeit simulieren. „Dies verkürzt die Entwicklungszeit neuartiger Hardwarekomponenten erheblich. Sie können in der Laborumgebung wiederholt einem Stresstest unterzogen werden“, sagt Dr. Simon Waczowicz, der am KIT zum Energiesystem der Zukunft forscht.
Im Rahmen des Energy Grids Simulation and Analysis Laboratory (EGSAL) wird die Topografie der künftigen Energienetze untersucht. Für die verschiedenen Netzebenen werden hier Lastfluss- und Kurzschlussberechnungen möglich. Dabei werden verschiedene Forschungsfragen diskutiert: Kapazitätsprobleme der Übertragungsnetze werden ebenso diskutiert wie Fragen des lokalen Stromhandels auf der Ebene der Microgrids. Auch die Zunahme der Ladestationen für E-Mobilität in Quartieren stellt eine Herausforderung für die lokalen Stromnetze dar, die im Zuge der Energiewende gemeistert werden muss.
Im Smart Energy System Control Laboratory (SESCL) werden wichtige energietechnische Anlagen so flexibel verschaltet, dass experimentelle Konfigurationen rasch verändert werden können. So können reale Energieverbünde repräsentativ dargestellt werden. Durch eine Sammelschienenmatrix wurden alle Anlagen so miteinander verbunden, dass Schaltschütze diese Verbindungen schnell öffnen und schließen können. Die Erforschung neuer Regelalgorithmen und deren Erprobung mit echten energietechnischen Anlagen ist ein Alleinstellungsmerkmal des SESCL innerhalb des Energy Lab 2.0.
Im vierten Teillabor des SEnSSiCC, dem Control, Monitoring and Visualization Center (CMVC) werden die Softwaretools für eine Leitwarte der zukünftigen Energienetze entwickelt. Am Energy Lab 2.0 entsteht eine Forschungsleitwarte, die Erkenntnisse darüber liefern soll, welche Informationen aus den Energienetzen und energietechnischen Anlagen für die Steuerung des Gesamtsystems relevant sind und wie man diese geeignet visualisieren kann.
Das gesamte Interview mit Dr. Simon Waczowicz lesen Sie in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins lookKIT.
Neuland für Speichersysteme
Sonnen- und Windenergie sind essenziell, um die Energiewende in Deutschland voranzutreiben, unterliegen aber wetterbedingten Schwankungen. Diese auszugleichen und eine kontinuierliche Stromversorgung zu gewährleisten, ist eine Herausforderung, zu deren Lösung stationäre Großspeicher beitragen können.
„Als wir am KIT vor ein paar Jahren angefangen haben, uns mit stationären Lithium-Ionen-Batterien zu befassen, war das noch ziemliches Neuland“, sagt Michael Mast, „es gab noch keine kommerziellen Systeme, weder Großspeicher noch Heimspeicher.“ Die Gruppe Systemtechnik am Batterietechnikum des KIT, in der Mast tätig ist, hat in den letzten drei Jahren den Aufbau von zwei Energiespeichern am Campus Nord des KIT initiiert und umgesetzt.
Einer der beiden ist der Lithium-Ionen-Batterie-Speicher, der insgesamt 1,5 MWh nutzbare Energie liefert. Diesen hat die Arbeitsgruppe Systemtechnik von Grund auf entwickelt hat. „In dem Batteriespeicher sind rund 600 Batteriemodule verbaut. Jedes ist ungefähr so groß wie ein Schuhkarton“, sagt Michael Mast. Darin befinden sich die Lithium-Ionen-Zellen, die mit einem Kühlsystem und der Elektronik zusammen in einem großen Betoncontainer eingebaut sind, wie er für Transformatorenhäuschen eingesetzt wird.
„Im Energy Lab 2.0 wird unser zukünftiges Energiesystem erprobt.“ - Thorsten Grün
Technologiealternative zum Batteriespeicher
Seit letztem Jahr ergänzt eine Redox-Flow-Batterie die Energiespeicher-Infrastruktur am Campus Nord. Als Technologiealternative für stationäre Batteriespeicher wird sie der Lithium-Ionen-Batterie gegenübergestellt. Ihr gemeinsamer Betrieb soll untersucht werden: „Die Redox-Flow-Batterie möchten wir aus Anwendersicht detailliert analysieren und eine Steuerung für den hybriden Betrieb mit der Lithium-Ionen-Batterie entwickeln“, sagt Thorsten Grün, Leiter der Arbeitsgruppe Systemtechnik am Batterietechnikum.
Die Redox-Flow-Batterie besteht aus drei 10 Fuß-Seefrachtcontainern, in denen Gleichstrom ein- und ausgespeichert wird. In einem zusätzlichen kleineren Container wird Gleich- in Wechselstrom gewandelt. Beide Großspeicher sind für stationäre Anwendungen ausgelegt, wie beispielsweise die Erbringung von Netzdienstleistungen und die Nutzung als Quartierspeicher.
Im Batterietechnikum werden nun alle Betriebsdaten gesammelt, um das Verhalten der Batteriesysteme zu analysieren. Ziel ist es, herauszufinden, wo noch optimiert werden kann, damit elektrische Energie möglichst zuverlässig und günstig gespeichert werden kann.
Power-to-X: Kraftstoffe aus Erneuerbaren Energien
Die Verkehrswende ist ein wichtiger Baustein für eine erfolgreiche Strategie gegen den Klimawandel. Dabei ist die Elektromobilität ein Schlüssel – doch die dafür nötige Infrastruktur benötigt Zeit und Geld. Eine mögliche Alternative sind synthetische Kraftstoffe. Im sogenannten Power-to-X-Verfahren (P2X) wird Kohlenstoff mithilfe von elektrischer Energie in Treibstoff umgewandelt. Am KIT wird hierzu das CO2 aus der Umgebungsluft gefiltert und so ein Kohlenstoffkreislauf etabliert. Wie das funktioniert, sehen Sie hier im Video.
Biomasse: Ein wertvoller Energieträger
Neben dem Power-to-X-Verfahren können Kraftstoffe auch aus bisher weitgehend ungenutzter Restbiomasse hergestellt werden. Dabei werden die dezentrale Herstellung von Biosyncrude, einem flüssigen Zwischenprodukt, und dessen zentrale Weiterverarbeitung zu Synthesegas miteinander kombiniert. Dieses wiederum lässt sich im industriellen Maßstab zum gewünschten Endprodukt veredeln. Die gesamte Prozesskette wurde am KIT in Form einer Pilotanlage errichtet und wird gemeinsam mit Industriepartnern betrieben. Hören Sie mehr über bioliq im Campus Report des KIT (siehe oben).
Biomass-to-Liquid-Verfahren, zu denen bioliq gehört, und Power-to-X können wirtschaftlich vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Beide Prozesse und deren Kombination werden am KIT erforscht – das Energy Lab 2.0 bietet hierfür eine in Deutschland einzigartige Plattform.
Ungleiche Drillinge
Drei baugleiche Einfamilienhäuser mit etwa 100 Quadratmetern Wohnfläche entstehen in der Helmholtz-Forschungsinfrastruktur Living Lab Energy Campus (LLEC) am Campus Nord des KIT. Die als Reallabor konzipierten, voll möblierten Experimentalgebäude erscheinen äußerlich identisch, sind aber mit verschiedenen regelbaren Heizsystemen ausgestattet.
Die Musterhäuser sind neben zwei Bürogebäuden Teil eines Projekts, welches das KIT mit dem Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen realisiert. „Ziel des Gemeinschaftsprojekts ist ein CO2-neutraler Campusbetrieb bei größtmöglicher Netzunterstützung“, erläutert Dr. Clemens Düpmeier, Leiter des Fachgebiets IT-Methoden und -Komponenten für smarte Infrastrukturen (IT4SI) am Institut für Automation und angewandte Informatik (IAI) des KIT.
Intelligente, dezentrale Energiesysteme
Das Gemeinschaftsprojekt umfasst den Aufbau eines Reallabors für die Erforschung von intelligenten dezentralen Energiesystemen. Hier lassen sich die Versorgung eines Gebäude- oder Industrieareals mit Strom, Wasser, Gas, Wärme und Kälte dynamisch an Marktbedingungen und Netzanforderungen anpassen. Das Reallabor besteht aus zwei Testfeldern: eines auf dem Campus in Jülich und eines auf dem Campus Nord des KIT.
„Wir analysieren typische Campus-Gebäude-Infrastrukturen und Industrieareale, die am KIT Campus Nord aus den drei Musterhäusern, zwei ausgewählten Bürogebäuden und den auf die Energie bezogenen Forschungsanlagen und Netzen bestehen“, führt Düpmeier weiter aus. Jan Wachter, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IAI ergänzt: „Die Experimentalgebäude machen die Auswirkungen der Energiewende in Deutschland für den Bürger erlebbar und zeigen, wie sich bei absolut identischen Wetterbedingungen eine lernfähige, vorausschauende und netzdienliche Prozessführung auf verschiedene Gebäudeheiz- und -kühlkonzepte auswirkt, wie sich ein multimodales Nachbarschaftsnetz bewährt und wie das öffentliche Stromversorgungsnetz unterstützt werden kann.“ Beide Testumgebungen sind über die informations- und kommunikationstechnische Leitwarten-Infrastruktur des Energy Lab 2.0 miteinander verbunden.
Erfahren Sie mehr über die Ausgestaltung der drei Musterhäuser und ihre Rolle bei der Erforschung künftiger Energiesysteme in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins lookKIT.
Solarstrom für die Forschung
Als man vor acht Jahren am KIT überlegte, wie man regenerative Energieformen sinnvoll nutzen und nachhaltig in das Energiekonzept einbinden könnte, entstand die Idee, mit einer eigenen Photovoltaikanlage (PV-Anlage) einen Teil des hohen Energiebedarfs am Campus Nord durch Solarstrom zu decken. „Da lag es natürlich nahe, damit gleichzeitig ein Forschungsprojekt zu starten, welches das Zusammenspiel von Solarmodulen, Stromrichtern und Lithium-Ionen-Batterien untersucht”, erklärt Nina Munzke, Leiterin der Gruppe Systemsteuerung und -analyse am Batterietechnikum des KIT.
Munzke trug 2013 die Hauptverantwortung für den Aufbau der PV-Anlage und betreut diese bis heute. Der Solarstrom wird seither komplett für den Betrieb von Großforschungsgeräten am Campus Nord genutzt. Um verschiedene Betriebsstrategien zu testen, wird der Strom zeitweise auch in einem Lithium-Ionen-Großspeicher zwischengespeichert.
Einsatz regenerativer Energien mit Forschung verknüpfen
Der effiziente und nachhaltige Einsatz regenerativer Energien war der eine Beweggrund, der Forschungsaspekt der andere: Dafür wurden in die Anlage, die aus insgesamt 102 PV-Teilanlagen besteht, sechs verschiedene Photovoltaik-Modultypen und vier verschiedene Wechselrichter unterschiedlicher Hersteller eingesetzt.
Die Teilanlagen sind individuell in insgesamt 37 unterschiedlichen Winkelkonstellationen ausgerichtet: Der Neigungswinkel variiert in 15°-Schritten von 2° bis 60° und die Ost-West-Ausrichtung ebenfalls in 15°-Schritten von -60° bis +60°. „Damit sind mehr als 100 verschiedene Systemkonfigurationen möglich und wir können die Leistungsfähigkeit kommerzieller Komponenten bewerten”, so Munzke. Partner von Beginn an sind bei den PV-Modulen die SOLARWATT GmbH mit Sitz in Dresden und bei den Wechselrichtern die KOSTAL Solar Electric GmbH mit Sitz in Freiberg.
Seit mittlerweile knapp sechs Jahren werden die Leistungsdaten der einzelnen PV-Teilanlagen zu Forschungszwecken im Sekundenraster gespeichert, die Daten statistisch ausgewertet und analysiert. Gefragt sind die Erfahrungen der Arbeitsgruppe vor allem, wenn Häuser und Industrieanlagen mit Photovoltaikanlagen ausgestattet werden, an die ein stationäres Speichersystem angeschlossen ist. Dafür werden verschiedene Konstellationen durchgerechnet, bei denen die Ausrichtung und Größe der PV-Anlage und damit der Tagesgang der Energiegewinnung in Kombination mit der Größe der Batterie optimal auf den zu erwartenden Energiebedarf abgestimmt werden.
Ziel ist es, die Anlage so wirtschaftlich wie möglich auszulegen unter Berücksichtigung weiterer Parameter wie zum Beispiel dem Autarkiegrad des Anlagenbetreibers. Die am Campus Nord des KIT gewonnenen Erkenntnisse liefern so einen Beitrag zur Energiewende in Deutschland.
