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Low-ex Microgrid

Exergieoptimierte Mikronetze über bedarfsorientierte Temperaturniveaus zur Verteilung, Speicherung und Bereitstellung

Ausgangssituation: Insbesondere für verteilte Mikronetze (kleinere Wärmeverteilsysteme von beispielsweise Siedlungen oder Betrieben) ist ein neuartiger Betriebsansatz sowie sind neue Niedertemperatur-Technologien der Verteilung, dem Verbrauch, der Speicherung und auch der Bereitstellung von Energie (Wärme) mit besonderer Schwerpunktsetzung auf die Exergieoptimierung notwendig. Die Entwicklung dieses Ansatzes bzw. dieser Technologien mit besonderer Schwerpunktsetzung auf solargekoppelte oberflächennahe Erdwärmepumpensysteme und thermische Speichermassenaktivierung mit Bezug auf Mikronetze ist Ausgangspunkt von Low-ex Microgrid.

Problemstellung: Es ist eine holistische und integrale Betrachtung für eine Exergieoptimierung des Gesamtsystems sowohl hinsichtlich des Anlagendesigns, also auch des Betriebes notwendig, wodurch der Komplexitätsgrad aufgrund vieler Freiheitsgrade wesentlich steigt: Die Dimensionierung der einzelnen Anlagenkomponenten in Mikronetzen erfolgt bislang getrennt und in der Regel unter stationären Bedingungen. Die thermischen Speicherpotenziale der Bauteilaktivierung, der dezentralen Warmwasserspeicherung und eines in der Anwendung möglichen Erdwärmespeichers werden nicht systematisch genutzt. Intelligente regelungstechnische Ansätze zur energieeffizienten Nutzung von thermisch aktivierten Bauteilen sind nur eingeschränkt verfügbar bzw. berücksichtigen nicht das Gesamtsystem. Zudem fehlen Kommunikationsmodelle zwischen den Gebäuden und dem Wärmenetzbetreiber. In aktiv betriebenen Wärmeverteilnetzen (Vernetzung von Erzeugung, Verbrauch, Verteilung und Speicherung) ergeben sich größere Optimierungspotenziale, welche bislang noch nicht ausgeschöpft werden. Erdwärmesysteme in Mikronetzen wurden insbesondere für oberflächennahe Anwendungen noch kaum untersucht (hauptsächlich bei Sonden mit einer Tiefe größer 50 m). Die Einspeisung von Überschusswärme in den solargekoppelten Erdwärmetauscher ist ein neuer Ansatz, welcher noch weitere Untersuchungen benötigt. Der Einfluss der Grundwasserströmung und der Feuchtegehalt der Erdschichten auf die Exergieoptimierung wurden bislang in F&E-Projekten nicht / kaum berücksichtigt (Austrocknung des Erdreichs und die damit verbundene Reduktion der Wärmeleiteigenschaften durch die Hohlraumbildung). Das instationäre Verhalten von thermisch aktivierten Bauteilen unter realitätsnahen Bedingungen erfordert eine Modifikationen über die Implementierung von neuen regelungs- und anlagentechnischen Ansätzen unter Berücksichtigung der wetter- und nutzerabhängigen Randbedingungen. Insbesondere relevante Ansätze zur Verlängerung der Kompressorlaufzeit der Wärmepumpenanlagen fehlen.

Ziele: Anhand folgender Subthemen soll das Exergieoptimierungspotenzial für thermische (Mirko)netze für Wärme (und Kälte) identifiziert und auch messtechnisch evaluiert werden, wobei eine besondere Schwerpunktsetzung auf Multiplizierbar- und Praxistauglichkeit erfolgt:

  1. Wärmebereitstellung und –einspeisung: Aktive Nutzung des Verteilnetzes als Sammelschienen für die multiple Wärmeeinspeisung für dezentral anfallende (Ab)wärme mit besonderer Schwerpunktsetzung auf solargekoppelte oberflächennahe Erdwärmetauscher unter Berücksichtigung des Einflusses der Grundwasserströmung und des Feuchtegehaltes der Erdschichten.
  2. Einsatz exergieoptimierter Komponenten: Aufeinander optimierte / abgestimmte Niedertemperatur-Technologien zur exergetischen Optimierung der Energieumwandlungsprozesse. 
  3. Optimierte aktive gebäudeübergreifende Speicheranwendungen zur Erzielung einer tatsächlichen Energieautarkie: Optimierung des aktiven und systematischen Speicherbetriebes über Erdwärmespeicher, Erdkollektor, Pufferwirkung des Netzes und thermische Bauteilaktivierung, dezentrales Warmwasserspeichermodul.
  4. Schaffung kompatibler Schnittstellen zwischen allen Akteuren, Subsystemen und Komponenten. 
  5. Optimierte Betriebsweisen sowie Gesamtsystemoptimierung: Innovative Strategieentwicklung der aktiven Wärme- und Kälteversorgung über die bestehenden Verteilnetze, Berücksichtigung der Exergie-Einflussfaktoren, Lastverschiebung insbesondere unter Berücksichtigung träger Speichermassen.

Dadurch soll eine Exergieoptimierung zwischen 15 und 20 % gegenüber dem aktuellen Stand der Technik erreicht werden, wodurch 40 % weniger Primärenergie benötigt werden soll.

Methodik: (1) Erhebung und Analyse der Rahmenbedingungen, (2) Einsatz von numerischen Methoden zur Modellentwicklung, (3) Parameterstudien anhand von 2 konkreten Netzintegrationskonzepten (Wohnbau und betriebliche Nutzung), (4) Validierung unter Einsatzbedingungen in einer Hardware-in-the-loop-Umgebung, (5) Evaluierung und Benchmarking, (6) Ableitung von Handlungsempfehlungen für exergieoptimierte Mikronetze;

Ergebnisse: (1) Identifikation verschiedener Optimierungspotenziale durch Nutzung exergetischer Vorteile von Mikrowärmenetzen, (2) Erarbeitung verschiedener Lösungsansätze für die Realisierung einer integralen Dimensionierungs- und Regelstrategie von exergieoptimierten thermischen Netzen (angepasste Wärmebereitstellung und –einspeisung; aufeinander (exergie)optimierte Komponenten; aktive gebäudeübergreifende Speicheranwendungen; kompatible Schnittstellen zwischen allen Akteuren, Subsystemen und Komponenten). (3) Innovationssprung: 15 - 20 %ige Verbesserung der Exergie  in Mikronetzen gegenüber dem aktuellen Stand der Technik. (4) Messtechnisch evaluierte Ergebnisse aus der Laboranwendung. (5) Barrieren / Erfolgsfaktoren / Schlussfolgerungen.

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  • 01.07.2014 - 30.06.2017
  • Beendet

Auftraggeber

Österreichischer Klima- und Energiefonds

Rolle von ECOsmart

Unterstützung bei der Erarbeitung der Praxis-Anforderungen sowie bei den technischen Spezifikationen. Energietechnische Fragestellungen und Begleitung, Monitoring & Evaluierung

Partner

Forschung Burgenland GmbH

Kontext-Links

e!MISSION.at – 4.Ausschreibung

Forschung Burgenland GmbH

 

 

 

Fördergeber/-programm

e!MISSION.at – 4.Ausschreibung

Dieses Projekt wird aus Mitteln des österreichischen Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „e!MISSION.at – 4.Ausschreibung“ durchgeführt.

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