Teilprojekt 3 Speicherung und Vernetzung

Teilprojekt 3: Speicherung und Vernetzung

Eine erste Konzeptentwicklung leitet detaillierten Anforderungen an das Speicher und Vernetzungskonzept anhand Erarbeitung, Bewertung und Auswahl verschiedenen Alternativen bzw. Varianten. Durch den Aufbau eines Nahwärmenetzes, das die Bestandsgebäude mit dem Siedlungsbaustein verbindet, kann auf die Anlagentechnik in den Einzelgebäuden größtenteils verzichtet werden. Ansätze für die optimale Dimensionierung und Auslegung der Komponenten von hybriden Speicheranlagen werden entworfen. Die Komponenten des thermischen Systems werden am Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart entwickelt, während das elektrisches System an dem Institut für Mechatronische Systeme der TU Darmstadt in Kooperation mit AKASOL GmbH und ENTEGA AG entwickelt wird.

Die Integration von Low-Ex-Systemtechnik im Gebäudebestand wird untersucht. Dafür werden innovative Phasenwechselmaterial (PCM)-Speicher modelliert, welche eine flexible Regelung der Betriebsstrategie und die Erweiterung der Systemidee auf Gebäude mit deutlich reduziertem Sanierungsumfang auf Seiten der thermischen Wärmeversorgung erlauben. Zur Speicherung thermischer Energie kommen kaskadierte Fluidspeicher zum Einsatz, die durch ihre einfache Bauweise kostengünstig herstellbar sind. Durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus werden Speicherverluste minimiert. Der sensible Fluidspeicher wird für minutenschnelle Reaktionszeiten verwendet, während der latente PCM-Speicher über Stunden agiert. Die Entwicklung der thermischen Speicherung analysiert diverser PCM-Speicher in ihrem Belade- und Entladeverhalten, sowie führt theoretischen Studien zum Verständnis der Be- und Entladecharakteristik der wärmespeichernden Gefäße durch. Folglich werden drei verschiedenen thermischen Speichersystemen aufgebaut, zum einen um die Kombination von Phasenwechselmaterialien mit Fluidspeichern zu evaluieren, und zum anderen um die Be- und Entladevorgänge der Fluidspeicher aus ultra-Hochleistung (UHPC) Beton praktisch und simulativ durch CFD-Simulation untersuchen zu können. Komponenten für die Dachstein-Anlage werden mit Erdwärmekörben gekoppelt zur Regeneration der geothermischen Wärme in Sommer und Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe in Winter. Das hybride thermische Speichersystem bestehend aus Fluid-(Wasser) und PCM-gefüllte Behälter wird an der Universität Stuttgart konstruiert und in einem Demonstrator eingebaut. Das gekoppelte hydraulische Regelschema wird von Noventec GmbH ausgeliefert. Die Inbetriebnahme des Regulierungssystems in dem Demonstrator ist für September 2017 geplant.

In SWIVT eingesetzten Prototypen eines PCM-Betonspeichers und eines Erdwärmekorbs Bild: Universität Stuttgart (IWB)
In SWIVT eingesetzten Prototypen eines PCM-Betonspeichers und eines Erdwärmekorbs Bild: Universität Stuttgart (IWB)

Zur Speicherung elektrischer Energie kommt ein hybrides Speichersystem bestehend aus einem hochdynamischen kinetischen Energiespeicher in Verbindung mit einer auf Langzeitspeicherung ausgelegten Li-Ionen-Batterie zum Einsatz. Durch die Verknüpfung entsteht ein langlebiges Speichersystem mit hoher Leistungsdynamik und großer Speicherkapazität. Nach der Aufteilung der Anforderungen an das hybrides elektrisches Speichersystem wird dieses in seinen Teilsysteme bestehend aus kinetischen Energiespeicher und Li-Ionen Batterie der Firma AKASOL GmbH am Institut für Mechatronische Systeme der TU Darmstadt (IMS) konstruiert, in einem Laborumgebung gekoppelt und im vernetzten Betrieb untersucht. Damit werden Auslegungsparameter validiert, anwendungsspezifische Regelung- bzw. Betriebsstrategien evaluiert, sowie Monitoringskonzepte entwickelt. Die Ableitung von Fertigungszeichnungen, sowie die Bestellung sowie Eigenfertigung der Komponenten wurden fertig gestellt. Die Auswahl und Verschaltungsplanung der Leistungselektronik zur Realisierung einer innovativen DC-Kopplung der beiden elektrischen Speichertechnologien ist ebenfalls fertig gestellt. Die Montage des Containments, des Rotors und des Stators hat begonnen.

In SWIVT eingesetzten Prototypen eines kinetischen Speichers und eines Li-Ionen Batterie Bild: TU Darmstadt (IMS) und AKASOL GmbH
In SWIVT eingesetzten Prototypen eines kinetischen Speichers und eines Li-Ionen Batterie Bild: TU Darmstadt (IMS) und AKASOL GmbH

Für die experimentelle Untersuchung und die Validierung des Regulierungssystems für die SWIVT-Siedlung werden die thermischen und elektrischen Energiemanagement-Modelle zum SWIVT-Controller integriert. Infolge der Vielzahl an Energiekomponenten und den daraus entstehenden Entscheidungsfreiheitsgraden ist eine übergeordnete intelligente Steuerung aufzubauen, die ein effizientes Energiemanagement und die Ausschöpfung der Potentialen der eingebauten Systemflexibilitäten sicherstellt. Eine Betriebsstrategie für energieeffizienten Erzeugung-, Wandlungs- und Speicherungstechnologien auf Quartiersebene wird mit Hilfe einer Steuerungsintelligenz durch die IWB und die IMS in Kooperation mit der ENTEGA AG entwickelt. Die praxisorientierte Strategie ist in der Lage, eine Optimierung des wirtschaftlichen Potentials in die reale Anwendung umsetzten. Die thermoelektrische Betriebsstrategie zur Leistungsaufteilung auf Siedlungsebene wird als Gesamtsystems mit MATLAB-Simulink, Star CCM+ und dem CARNOT-Blockset modelliert, sowie in einem Hardware-In-The-Loop-Prüfstand erprobt.

Konzeptmodell der preisgeführten Steuerungsstrategie für die Komponenten zur Energieerzeugung, -speicherung und -verteilung im Siedlungsverbund. Bild: SWIVT
Konzeptmodell der preisgeführten Steuerungsstrategie für die Komponenten zur Energieerzeugung, -speicherung und -verteilung im Siedlungsverbund. Bild: SWIVT