Soll die Energiewende in Richtung fluktuierende erneuerbare Energien im Energienetz weiter ausgebaut werden, ist ein gezieltes Energiemanagement der Energienetze zur Netzstabilisierung erforderlich.

Ziel eines solchen Managements ist es, nicht nur Energieerzeuger zielgerichtet zu managen, sondern auch intelligente Verbraucher (IVs). Dabei können IVs durch ein geeignetes Last- und Speichermanagement aktiv zur Netzstabilisierung und –optimierung beitragen. Das Energienetz wird hierbei als ganzheitliches System mit den Sektoren Strom/Wärme/Gas verstanden, welche miteinander zielgerichtet verkoppelt werden. Durch die Integration der IVs wird das netzseitige Energiemanagement um die Gebäudemanagementsysteme der Verbraucher erweitert.

Hier setzt das Projekt „Energiemanagement für Energienetze und Gebäude“ UCB-EMEG an und portiert die aus der Forschung bekannten Energiemanagementansätze auf die Gebäude. Gerade für größere Gebäudekomplexe kann ein zielgerichtetes Management zu erheblichen Einsparmaßnahmen führen und gleichzeitig zur Netzstabilisierung beitragen. Wird die Preisgestaltung (Pricing) der Energiesektoren im Gebäudemanagement mit aufgenommen, kann das Energienetzmanagement in einfacher Weise mit den intelligenten Verbrauchern gekoppelt werden. Die Untersuchung und Optimierung der Sektorenkopplung sowie der Erzeuger/Verbraucher-Kopplung ist ein zentraler Schwerpunkt von UCB-EMEG.

Als Grundlage für das Management werden prädiktive regelungstechnische Optimierungsansätze untersucht. Diese werden an einem Laborsystem entwickelt und im Anschluss auf das Gebäudemanagement des Umwelt-Campus Birkenfeld übertragen. Im Umwelt-Campus selbst sind bereits verschiedenste Verbraucher/Erzeuger (Elektrofahrzeug-Ladestationen, Photovoltaikanlagen, Labore, Blockheizkraftwerk, …) installiert. Sukzessiv sollen diese um verschiedene zusätzliche Verbraucher-/Erzeuger-/Speichermöglichkeiten erweitert werden (Brennstoffzellensysteme, Elektrolyseure, Gas-/Stromspeichersysteme, …). Damit geht UCB-EMEG spannenden Fragestellungen nach:

• Ist der Umwelt-Campus Birkenfeld energieneutral?
• Welche Einsparpotentiale können über ein Energiemanagement realisiert werden?
• Wie sollte der zukünftige lokale Energiemix (Verbraucher/Erzeuger) der Zukunft aussehen?

Langfristig soll so die Region zu einer Modellregion für nachhaltige Netze und Managementsysteme werden. UCB-EMEG trägt damit zur Stärkung des Umwelt-Campus Birkenfeld sowie der Region bei.

Gefördert wird das Projekt von der Carl-Zeiss-Stiftung. Diese hat sich zum Ziel gesetzt, Freiräume für wissenschaftliche Durchbrüche zu schaffen. Als Partner exzellenter Wissenschaft unterstützt sie sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung und Lehre in den MINT-Fachbereichen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). 1889 von dem Physiker und Mathematiker Ernst Abbe gegründet, ist die Carl-Zeiss-Stiftung eine der ältesten und größten privaten wissenschaftsfördernden Stiftungen in Deutschland. Sie ist alleinige Eigentümerin der Carl Zeiss AG und SCHOTT AG. Ihre Projekte werden aus den Dividendenausschüttungen der beiden Stiftungsunternehmen finanziert.

Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen.

Mit der Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung 2020 beschlossen, die nationale Wasserstofftechnologie zu fördern. Ziel ist es, neue Märkte zu erschließen und den CO2-Ausstoß in den Bereichen Industrie, Verkehr und Energie zu senken. Damit hat sich die Nachfrage im Potentialbereich Energieeffiziente Systeme (EES – Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik/Kompetenzzentrum Brennstoffzelle) der Hochschule Trier seitens der Industrie deutlich erhöht. Das Kompetenzzentrum unterstützt seit zwei Jahrzehnten erfolgreich industrielle Forschungsvorhaben. Ein gutes Zeichen für die zunehmende Praxisnähe der Wasserstofftechnik ist die in den letzten vier Jahren gestiegenen Nachfrage nach F&E-Arbeiten an Brennstoffzellen und Elektrolyseuren im  Technikumsmaßstab. Diese Arbeiten erfordern eine Ertüchtigung des Kompetenzzentrums. Ziel des Forschungsprojekts war deshalb die Schaffung einer Test- und Prüfeinrichtung für Wasserstoff-Brennstoffzellen und Elektrolyseure im Maßstab von (zunächst) ca. 30kW (Brennstoffzelle) und 100kW (Elektrolyse).

• Wesentlicher Aspekt des Projekts war die Entwicklung einer professionellen, industriellen und hochautomatisierten Testeinrichtung mit einer prüfablaufbasierten Prozesssteuerung. Gleichzeitig sollten durch die langjährige Erfahrung am Umwelt-Campus erweiterte Diagnosemethoden, wie sie in kommerziellen Anlagen nicht verfügbar sind, in die Prüftechnik integriert werden. Ein Beispiel hierfür ist die Aufstellung einer präzisen Wasserbilanzierung des Prüflings, um Transportprozesse innerhalb der Komponenten (Membranen, Gasdiffusionsschichten) zu quantifizieren. Durch Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) lassen sich diese Ansätze gezielt weiterentwickeln und neue Erkenntnisse für die Forschung gewinnen.
• Der zu entwickelnde Prüfstand sollte in hohem Maße skalierbar sein, so dass sich projekt- bzw. kundenspezifische Zellstapelgrößen von 30-100kW untersuchen lassen - und zwar für Membran- Brennstoffzellen als auch Membran-Elektrolyseure.
• Das Projekt sah eine Einzelzellspannungsüberwachung in der Prüfanlage vor, um Details einer uneinheitlichen Funktion verschiedener Zellen als Zeitreihen bewerten zu können.
• Im Projektverlauf sollte untersucht werden, inwieweit der Testbetrieb durch lernbasierte Elemente so dynamisch gestaltet werden kann, dass bestimmte Messschritte automatisch verkürzt bzw. übersprungen werden können. Dieses Vorgehen optimiert die Messdauer.

Die Aspekte der erweiterten Diagnose, die Flexibilität Brennstoffzellen und Elektrolyseure in einer Einheit zu testen, die hohe Skalierbarkeit (30kW bis 100kW), die Einzelzellüberwachung sowie der dynamische Prüfablauf machen das Projekt einzigartig. Damit ist die im Projekt skizzierte Prüftechnik heutigen industriellen Prüfanlagen weit voraus. Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen.

Soll die Klimaneutralität von Deutschland bis zum Jahr 2045 und der Ausbau der Erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2030 auf bis zu 80% gelingen, bedarf es intelligenter Energiemanagementsysteme auf der Netz- und Gebäudeseite. Diese Managementsysteme müssen dezentral aufgebaut sein, um das Netz trotz der komplexen und volatilen dezentralen Energieerzeuger zu stabilisieren.

Auf der Gebäudeseite tragen ausgeklügelte Lademanagementsysteme für stationäre sowie mobile Batteriespeicher aktiv zur Netzstabilisierung bei. Gerade für Privatkunden mit PV-Anlagen werden diese durch die stetig gestiegenen Stromkosten sowie neuartige variable Stromtarife immer attraktiver.

Im Rahmen des Projektes ist die Anschaffung von Hardware zum Aufbau eines intelligenten Batterielademanagementsystems geplant. Ziel ist die Forschung und praktische Umsetzung von neuartigen Lademanagementverfahren auf Basis von Optimierungsmethoden sowie Methoden der künstlichen Intelligenz. Die zu beschaffende Hardware bestehend aus Speicher- und Umrichter wird mittels hochschuleigener Echtzeitsysteme zu einem Gesamtsystem zusammengebaut. Aufbau und Programmierung werden durch wissenschaftliche Hilfskräfte unterstützt. Eine Einbindung in die Vorlesung ist fest einplant.

Ziel des Projektes ist es, Verfahren im Bereich des Lademanagements stationärer Speicher zu entwickeln. Diese sollen nicht wie heutzutage üblich regelbasiert sein (Heuristiken), sondern optimierungsbasierte Methoden sowie Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) verwenden. Damit wird ein deutlich wirtschaftlicherer Betrieb von stationären Speichersystemen ermöglicht.

Die Erkenntnisse des Projektes fließen zudem in die Lehre ein. Die beschaffte Hardware soll ebenfalls in einem praktischen Versuch in der Vorlesung zum Einsatz kommen.

Zusätzlich ergeben sich durch die Bearbeitung des Projektes Anknüpfungspunkte zu regionalen Stadtwerken (z.B. Trier, Kaiserslautern) und Firmen (z.B. WVE GmbH Kaiserslautern), was forciert angegangen werden soll.

Weiter ist der Erkenntnisgewinn des Projektes auch für bereits genehmigte Projekte von großem Interesse. So kann das bereits genehmigte Wasserstoff-Zentrum beim Management der Wasserstofferzeugung zielführend unterstützt werden. Auch für das Projekt „Energiemanagement für Energienetze und Gebäude“ (UCB-EMEG) lassen sich die Erkenntnisse sinnvoll nutzen.

Projektziel der Forschungsförderung war der Aufbau eines Labors für Automatisierungstechnik und Energiesystemtechnik. Dabei sollte Hardware und Software für die Forschung und praktische Anwendung von Verfahren im Bereich des Energiemanagements von Gebäuden (bezogen auf den Umwelt-Campus Birkenfeld) und Energienetzen beschafft werden. Die Software wird für die Entwicklung der Algorithmen des Energiemanagements benötigt. Die beantragte Hardware ermöglicht die Implementierung der Verfahren. Zusätzlich kann die Software für Forschungsfragen rund um das Thema Echtzeitentwicklung und Automatisierung genutzt werden. Für den Aufbau des Labors wurde eine wissenschaftliche Hilfskraft eingeplant.

Im Konzept des Antrages wurde besonderen Wert daraufgelegt, die Hardware und Software nicht nur für die Forschung zu nutzen, sondern auch in die Lehre zu integrieren. So wirken Studierende bei der Entwicklung des Energiemanagementsystems für den Umwelt-Campus aktiv mit, lernen Echtzeitsysteme in der Praxis kennen und werden durch Projekt- und Abschlussarbeiten Teil der Forschung. Damit wird die Forschung für die Studierenden aber auch für Interessierende an Werbetagen greifbar.

Der Antrag sollte zudem ein Türöffner für weitere Förderungen, Industriekontakte und Kooperationen sein und die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu anderen Bereichen der Hochschule fördern.

Durch das Förderprogramm „Strategiefond“ konnten mehrere weitere Förderprogramme gewonnen („Großgeräte 2022“, CZS-Forschungsstart“) und ein ganzer Forschungsbereich aufgebaut werden. Dadurch ist die Lehre für Studierenden anwendungsbezogener und praxisnaher geworden und der Studiengang „Umweltorientierte Energietechnik“ hat deutlich an Attraktivität gewonnen. Auch für Infotage sind die beschafften Systeme nutzbar. Durch den aufgebauten Forschungsbereich wird auch für den Campus ein direkter wirtschaftlicher Mehrwert erzielt, da die Forschung schon heute in die Gebäudeleittechnik mit einfließt (z.B. Energiedatenanzeige am Campus).

Verschiedene Kontakte zu unterschiedlichen Firmen im Bereich des Energiemanagements und der Automatisierung konnten bereits geknüpft werden (WVE GmbH Kaiserslautern, Bosch Moehwald Gmbh Homburg, Simon-Christiansen & Associés Contern/Luxembourg, Biontech SE Idar-Oberstein).

Eine erste Promotionsarbeit in Zusammenarbeit mit der RPTU Kaiserslautern (Prof. Dr. Görges) wurde erfolgreich angestoßen. Diese erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Bereich „Erneuerbare Energien“ (Prof. Dr. te Heesen) vom Umwelt-Campus Birkenfeld.

Damit hat sich das Förderprogramm als hervorragender Anschub für viele weitere Kontakte, Themen, Förderungen und Kooperationen herausgestellt und kann als großer Erfolg verbucht werden.

Projektziel der Forschungsförderung war der Aufbau von Energiemanagementsystemen für Gebäude und Energienetze im Labor „Automatisierungstechnik und Energiesystemtechnik“. Dabei sollte Hardware zum Aufbau des Großgerätes „Energiemanagementsystem“ sowie Software für die Forschung und praktische Anwendung von Verfahren im Bereich des Energiemanagements von Gebäuden (bezogen auf den Umwelt-Campus Birkenfeld) und Energienetzen beschafft werden. Die Software wird für die Entwicklung der Algorithmen des Energiemanagements benötigt. Die beantragte Hardware des Großgerätes ermöglicht die Implementierung der Verfahren. So soll die Balancierung auf Netzseite, aber auch das bedarfs- und netzorientierte Lastmanagement auf Verbraucherseite näher untersucht werden.

Im Konzept des Antrages wurde besonderen Wert daraufgelegt, die Hardware und Software nicht nur für die Forschung zu nutzen, sondern auch in die Lehre zu integrieren. So wirken Studierende bei der Entwicklung des Energiemanagementsystems der Zukunft aktiv mit, lernen vernetzte Systeme in der Praxis kennen und werden durch Projekt- und Abschlussarbeiten Teil der Forschung. Damit wird die Forschung für die Studierenden aber auch für Interessierende an Werbetagen greifbar.

Der Antrag sollte zudem ein Türöffner für weitere Förderungen, Industriekontakte und Kooperationen sein und die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu anderen Bereichen der Hochschule fördern.

Durch das Förderprogramm „Großgeräte HS Trier“ konnte ein weiteres Förderprogramme gewonnen (CZS-Forschungsstart“) und ein ganzer Forschungsbereich aufgebaut werden. Dadurch ist die Lehre für Studierenden anwendungsbezogener und praxisnaher geworden und der Studiengang „Umweltorientierte Energietechnik“ hat deutlich an Attraktivität gewonnen. Auch für Infotage ist das beschaffte Großgerät nutzbar. Durch den aufgebauten Forschungsbereich wird auch für den Campus ein direkter wirtschaftlicher Mehrwert erzielt, da die Forschung schon heute in die Gebäudeleittechnik mit einfließt (z.B. Energiedatenanzeige am Campus (CZS: Forschungsstart)).

Verschiedene Kontakte zu unterschiedlichen Firmen im Bereich des Energiemanagements und der Automatisierung konnten bereits geknüpft werden (WVE GmbH Kaiserslautern, Bosch Moehwald Gmbh Homburg, Simon-Christiansen & Associés Contern/Luxembourg, Biontech SE Idar-Oberstein).

Eine erste Promotionsarbeit in Zusammenarbeit mit der RPTU Kaiserslautern (Prof. Dr. Görges) wurde erfolgreich angestoßen. Diese erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Bereich „Erneuerbare Energien“ (Prof. Dr. te Heesen) vom Umwelt-Campus Birkenfeld.

Damit hat sich das Förderprogramm als hervorragender Anschub für viele weitere Kontakte, Themen, Förderungen und Kooperationen herausgestellt und kann als großer Erfolg verbucht werden.