Erneuerbare Energiesysteme

bald steht hier mehr als nur "blank space"

Energieeffizienzsteigerung

Zur Erreichung der Klimaziele ist eine drastische Reduktion des CO2-Ausstoßes unabdingbar. Eine wesentliche Säule ist dabei neben der Substitution fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energien die Erhöhung der Energieeffizienz in allen relevanten Bereichen. Der Forschungsschwerpunkt „Smart Energy & Environment“ beschäftigt sich daher interdisziplinär mit Möglichkeiten und Methoden zur Steigerung der Energieeffizienz bei verschiedensten Prozessen. Aufgrund des umfangreichen und vielfältigen Know-hows können dabei die unterschiedlichsten Domänen Gegenstand der Forschungsaufgabe sein. So bestehen Kompetenzen in den Bereichen Elektrische Antriebstechnik, Photovoltaik, elektrische Netze sowie der Gebäudeenergietechnik. Somit ist insbesondere die Betrachtung von Systemeffizienzen domänenübergreifend möglich, was es erlaubt globale Effizienzoptima zu identifizieren und zu realisieren. Dabei liegt der Schwerpunkt stets auf der Erforschung anwendungsnaher Themen mit dem Ziel, die Forschungsergebnisse zeitnah in die Praxis zu überführen.

Beispielprojekte:

• PVmCharge
• SunProcess
• String Optimization
• SCE

Energie- und Umweltmonitoring

Die global vernetzte und industriell geprägte Welt ist gekennzeichnet durch einen hohen Bedarf und Verbrauch an Energie und stofflichen Ressourcen sowie den damit verknüpften Emissionen in die Umweltkompartimente Luft, Wasser und Boden. Um Umweltbelastungen zu vermeiden bzw. zu minimieren, ist es daher unerlässlich, die verfügbaren stofflichen und energetischen Ressourcen zu erfassen und die Emissionen zu messen und Stoff- und Energieströme zu bilanzieren. Die Erkenntnisse müssen in ein detailliertes Energie- und Umweltmonitoring einfließen, so dass aus den Ergebnissen Effekte auf die Umwelt erkannt und durch daraus abgeleitete Maßnahmen idealerweise vermieden bzw. vermindert werden können.

Das Energie- und Umweltmonitoring an der HTWK Leipzig im Kompetenzfeld Smart Energy & Environment beinhaltet:

• Erfassen verfügbarer stofflicher und energetischer Ressourcen
• Bilanzierung von Stoff- und Energieströmen
• Beschreibung der Eigenschaften und der Qualität von Energie- und Umweltsystemen
• Messung von Belastungen (Emissionen und Immissionen)
• Quellenanalyse der Belastungen
• Entwicklung von Strategien zur Vermeidung und Verringerung der Belastungen.

Es sind umfangreiche Anstrengungen erforderlich, um die Qualität der Umweltkompartimente Luft, Wasser und Boden zu erhalten bzw. dort, wo es notwendig ist, nachhaltig zu verbessern. Auch sind Ressourcen an Stoffen und Energie soweit möglich durch Effektivität und Effizienz zu schonen und der Bedarf vollständig durch erneuerbare Quellen zu decken.

Beispielprojekte:

• Smartes Energietechnik Labor
• Air Water Harvest
• BeaMove

Dynamisches Verhalten von Energiesystemen

Energiesysteme, die erneuerbare Energien nutzen, unterliegen häufig starken zeitlichen Schwankungen. Für eine effiziente Auslegung und Regelung dieser Systeme sind folgende Aspekte von besonderer Bedeutung: 

1. Identifikation des Lastverhaltens: Schwankungen im Energiebedarf von Verbrauchern müssen möglichst genau vorhergesagt werden.
2. Regelbarkeit des Energiesystems: Auf Änderungen in der Energieerzeugung und -nachfrage muss optimal reagiert werden.
3. Stabilität und Resilienz des Energiesystems: Das Energiesystem muss resilient gegenüber äußeren Störungen sein und im Fall einer Störung in kurzer Zeit wieder in einen stabilen Zustand gelangen.
4. Simulation und Modellierung: Für eine gute Vorhersage und Optimierung des Verhaltens des Energiesystems müssen geeignete Simulationsmodelle entwickelt werden.

Systemisches Life Cycle Assessment (LCA)

Für die zukünftige nachhaltige Energieversorgung sind sowohl die Integration erneuerbarer Energieträger als auch die Etablierung von ökologisch sinnvollen Transport- und Lieferketten sowie Speichermöglichkeiten erforderlich. Der Forschungsschwerpunkt „Smart Energy & Environment“ berücksichtigt hierbei entsprechend der standardisierten und anerkannten Methode der Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) nach DIN EN ISO 14040 und 14044 energetische, stoffliche und ökologische Auswirkungen der jeweiligen Infrastrukturtechnologien. Für die Bereiche Erdgas, Wasserstoff, grüne Gase, elektrische Netze und gebäudeenergetische Systeme werden daraus ökologisch evidenzbasierte Empfehlungen für ein zukünftiges, aus ökonomisch-ökologischer Sicht sinnvolles Energieversorgungssystem abgeleitet.

Intelligente Steuerung von Energiezellen

Schwankende Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien Wind und Sonne erhöht die Herausforderungen für eine stabile, sichere Energieversorgung. Der VDE schlägt ein zellulares Energiesystem [link: www.vde.com/de/etg/arbeitsgebiete/zellulare-energiesysteme] in dem sektorübergreifend Energieflüsse zunächst regional innerhalb von Zellen ausgeglichen werden und nur verbliebene Energieangebot oder -nachfragen überregional ausgeglichen werden. Primäres Ziel dieser Zellen ist die Ausfallsicherheit und damit Versorgungssicherheit des gesamten Energiesystems. Fallen einzelne Zellen aus, wird dies durch andere Zellen kompensiert. Außerdem sind die einzelnen Zellen nach Möglichkeit schwarzstartfähig und können somit selbstständig ein Energiesystem aufbauen.

Für die Regelung solcher Energiezellen müssen idealerweise generische und agnostische Verfahren entwickelt werden, die in der Lage sind, Energieflüsse innerhalb und zwischen den Zellen auf verschiedenen Hierarchieebenen intelligent zu steuern oder zu regeln. Die HTWK entwickelt mit Partner solche Verfahren und Strategien an konkreten Beispielen.

Beispielprojekte:

• SUSIC
• 4D Energie