Effek­ti­ve Tech­no­lo­gien für die Sektorenkopplung

Der Schlüs­sel für ein kli­ma­neu­tra­les Ener­gie­sys­tem sind intel­li­gen­te Ver­net­zung, Steue­rung und Opti­mie­rung der Strom‑, Wär­me- und Gas­ver­sor­gung. Das Karls­ru­her Insti­tut für Tech­no­lo­gie (KIT) bie­tet eine For­schungs­in­fra­struk­tur, um neue Stra­te­gien und Tech­no­lo­gien für die Sek­to­ren­kopp­lung (Seko) trans­dis­zi­pli­när im Tech­ni­kums­maß­stab zu ent­wi­ckeln und zu erpro­ben. Auf dem Weg zu einem neu­en, ganz­heit­li­chen Model­lie­rungs­sys­tem haben die For­schen­den ers­te Mei­len­stei­ne erreicht. Das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) stockt sei­ne För­de­rung für das SEKO-Real­la­bor um 10 Mil­lio­nen Euro auf ins­ge­samt 16,5 Mil­lio­nen Euro auf.

„Unser Ziel ist es, alle Ener­gie­for­men in einem Gesamt­mo­dell zu betrach­ten und bedarfs­ge­recht zu erzeu­gen, zu spei­chern und umzu­wan­deln. Wir kön­nen in unse­rem Real­la­bor alle in Zukunft mög­li­chen Pro­zes­se und Pfa­de zur Ener­gie­um­wand­lung, von Power-to‑X über Kraft-Wär­me-Kopp­lung bis hin zu Geo­ther­mie­an­wen­dun­gen, im Tech­ni­kums­maß­stab oder als digi­ta­len Zwil­ling abbilden.“
— Pro­fes­sor Joa­chim Knebel

In die­sem Pro­jekt wer­den neue, viel­ver­spre­chen­de Rechen­mo­del­le und ‑instru­men­te ent­wi­ckelt. Sie ermög­li­chen es, nicht nur das Ver­hal­ten ein­zel­ner Kom­po­nen­ten wie Bat­te­rien, Gas­tur­bi­nen, Elek­tro­ly­seu­re, Strom­rich­ter oder Gene­ra­to­ren in Echt­zeit und auf der Basis rea­ler Daten zu simu­lie­ren, son­dern auch deren Zusam­men­spiel im Kon­text des zu erwar­ten­den Bedarfs und der aktu­el­len Netzkapazitäten.

Pro­gno­sen zu Belas­tun­gen von Strom‑, Gas- und Wärmenetz

Unter ande­rem ist es den Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­lern gelun­gen, das ther­mi­sche Ver­hal­ten von Gebäu­den in einem ein­zi­gen Simu­la­ti­ons­mo­dell zusam­men­zu­füh­ren. Es ermög­licht Pro­gno­sen zum Wär­me­ver­brauch, zu den Bedar­fen an Wär­me und Käl­te und zu den hier­aus resul­tie­ren­den Belas­tun­gen des Strom‑, Gas- und Wär­me­net­zes. Die hier­für not­wen­di­gen Daten lie­fer­ten die Mus­ter­häu­ser des Living Lab Ener­gy Cam­pus (LLEC) mit Büro­ge­bäu­den und Labor­hal­len, die von Mit­ar­bei­ten­den im Real­be­trieb genutzt wer­den und die gesam­te Band­brei­te von Tech­no­lo­gien zur Wär­me- und Käl­te­ver­sor­gung abbil­den. Aus­ge­wer­tet und wei­ter­ver­ar­bei­tet wur­den die­se Daten im Ener­gy Lab 2.0. Neben dem LLEC bil­det es die zwei­te wich­ti­ge Säu­le der Infra­struk­tur für die For­schun­gen. Mit dem Smart Ener­gy Sys­tem Simu­la­ti­on and Con­trol Cen­ter (Sen­S­SiCC) umfasst das Ener­gy Lab 2.0 neben einem Pho­to­vol­ta­ik-Feld, einem Groß­bat­te­rie­spei­cher, einem Gas­tur­bi­nen­prüf­stand sowie Con­tai­ner­an­la­gen zur Metha­ni­sie­rung (Power-to-Gas) und zur Power-to-Liquid-Syn­the­se auch die zen­tra­le Leit­war­te für das Reallabor.

Sze­na­ri­en für die Ener­gie­ver­sor­gung im Gesamtsystem

„Seko ermög­licht uns, mit einem insti­tuts- und fakul­täts­über­grei­fen­den jun­gen Team an einem neu­en Model­lie­rungs­an­satz zu arbei­ten, der die immer kom­ple­xer wer­den­den Sze­na­ri­en für die Ener­gie­ver­sor­gung in einem Gesamt­sys­tem erfasst“, betont Kne­bel. „Mit­hil­fe eines sol­chen Modells kön­nen wir mög­li­che Trans­for­ma­ti­ons­pfa­de mit dem Ziel Kli­ma­neu­tra­li­tät bis 2045 beschrei­ben und bewer­ten“. Bis­lang för­dert das BMBF im Rah­men von Seko vier Teil­pro­jek­te mit einem Volu­men von 6,5 Mil­lio­nen Euro. Die­se adres­sie­ren mit Blick auf die Sek­to­ren­kopp­lung unter ande­rem die elek­tri­schen Ver­teil­net­ze, den Gebäu­de­wär­me­sek­tor, Tech­no­lo­gien zur Gas­ver­sor­gung sowie Infor­ma­ti­ons- und Kom­mu­ni­ka­ti­ons­tech­no­lo­gien für ein intel­li­gen­tes, sta­bi­les und siche­res Energiesystem.
Mit der Bud­ge­t­auf­sto­ckung in Höhe von zehn Mil­lio­nen Euro kön­nen nun zwei wei­te­re Arbeits­pa­ke­te star­ten, die zum einen auf die gebäu­de­in­te­grier­te CO₂-Abschei­dung und Umwand­lung, zum ande­ren auf einen neu­ar­ti­gen Power-to-Liquid-Pro­zess fokus­sie­ren. Beim ers­ten Arbeits­pa­ket ste­hen der Sys­tem­ent­wurf, das Betriebs­ver­hal­ten und der Ener­gie­be­darf einer neu­en Genera­ti­on von Kli­ma- und Lüf­tungs­an­la­gen im Mit­tel­punkt, die Gebäu­de durch direk­te Luft­fil­tra­ti­on zu CO₂-Sen­ken machen könn­ten. Beim zwei­ten Arbeits­pa­ket wird in einer Pilot­an­la­ge erst­mals ein inte­grier­ter Pro­zess vali­diert, der die Pro­duk­ti­on von syn­the­ti­schem Metha­nol aus CO₂ von Bio­gas­an­la­gen oder Klär­wer­ken sowie grü­nem Was­ser­stoff aus der Elek­tro­ly­se syn­er­ge­tisch kombiniert.
Das For­schungs­vor­ha­ben Seko läuft inklu­si­ve der Auf­sto­ckung noch bis März 2023. Betei­ligt sind sei­tens des KIT die Insti­tu­te für Mikro­ver­fah­rens­tech­nik, für Auto­ma­ti­on und Ange­wand­te Infor­ma­tik, für Tech­ni­sche Che­mie, für Elek­tro­en­er­gie­sys­te­me und Hoch­span­nungs­tech­nik sowie für Tech­ni­sche Phy­sik, das Elek­tro­tech­ni­sche Insti­tut, das Licht­tech­ni­sche Insti­tut und das Engler-Bunte-Institut.