Energietechnik und Energiewirtschaft
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In der vorliegenden Masterarbeit wird das Verbesserungspotential von Gebäudeleitsystemen am Beispiel der Errichtergemeinschaft Frühlingstraße untersucht. Der Fokus bei der Analyse liegt auf der Ermittlung von Verbesserungen im Bereich der Regel- und Steuerstrategien. Beim Referenzobjekt handelt es sich um sieben Einfamilienhäuser, die durch einen zentralen Pelletkessel mit Wärmeenergie versorgt werden, welche über das miteinander verbundene Kellergeschoss verteilt wird.
Im Kapitel Stand der Technik werden die Gebäudeleitsysteme von Mehrfamilien-Wohnanlagen in den 2000er Jahren und in den 2020er Jahren mit dem ausgeführten Gebäudeleitsystem des Referenzobjektes der Errichtergemeinschaft Frühlingstraße, bei dem es sich ebenfalls um eine Mehrfamilien-Wohnanlage handelt, miteinander verglichen. Nach dem Kapitel Forschungsstand wird die verwendete Methode kurz umrissen. Ein wichtiger Schritt zur fertigen Simulation ist das Verstehen der bestehenden Steuer- und Regelstrategien. Dabei wird sehr genau auf die Regelung der Häuser und des Pelletkessels eingegangen. Ebenfalls werden die zu simulierenden Komponenten, die zur Verfügung gestellten Messdaten und die verwendete Simulationssoftware Polysun beschrieben. Bei der Simulation des Referenzobjektes wird speziell auf die verwendeten Komponenten, aber auch auf die umgesetzten Regel- und Steuerstrategien eingegangen. Die Beschreibung der einzelnen Varianten beschränkt sich auf den Unterschied zur Simulation des Referenzobjektes.
Die einzelnen Varianten unterscheiden sich im Bereich des solaren Deckungsanteils nur sehr geringfügig. Die solare Ausbeute in den Monaten Mai bis August ist bei den Varianten 3 und 4 jedoch deutlich höher als bei den anderen Varianten. Ein deutlicher Unterschied ist auch im Bereich des Pellet-Verbrauchs auszumachen. Bei der Variante 4 werden im Vergleich zum Referenzobjekt jährlich gut 800 kg Pellets eingespart. Dies bedeutet eine Reduktion des CO2-Ausstoßes um 167,8 kg. Dieser Trend der Reduktion kann auch bei den Betriebsdauern des Pelletkessels fortgesetzt werden. Der größte Unterschied der einzelnen Varianten ist bei den Anforderungen des Pelletkessels auszumachen. Somit wird der Pelletkessel bei der Variante 2 14536-mal angefordert und bei der Variante 4 lediglich 3353-mal.
Diese Verbesserungen können durch kleine Anpassungen der Regel- und Steuerstrategien erzielt werden. Gerade weil die Low-Tech Gebäude des Referenzobjekts sehr energieeffizient umgesetzt und nicht mit technischer Ausstattung überladen wurden, können die ermittelten Verbesserungspotentiale bei anderen Gebäuden umgesetzt werden. Bei Gebäuden, die nicht als Low-Tech Gebäude errichtet wurden, ist durch die Anpassung des Gebäudeleitsystems ein größeres Verbesserungspotential zu erwarten.
In dieser Arbeit werden die Emissionsvermeidungspotenziale verschiedener Maßnahmen für einen Milchviehbetrieb in Vorarlberg analysiert. Es werden verschiedene Möglichkeiten beleuchtet, wie diese Treibhausgaseinsparungen auf dem freiwilligen Emissionsmarkt handelbar gemacht und dadurch finanziert werden können. Hintergrund ist, dass der Milchviehbetrieb eine Biogasanlage besitzt, für welche die Förderperiode ausgelaufen ist. Da die Biogasanlage ohne geförderten Einspeisetarif nicht mehr wirtschaftlich ist, wurde, um den Einspeisetarif anzuheben, das Pilotprojekt einer Erneuerbare-Energie-Gemeinschaft gestartet. Aus diesem Grund wird auch die Möglichkeit der Integration des Treibhausgasemissionshandels in die Erneuerbare-Energie-Gemeinschaft geprüft. Dies soll in Form einer Umlegung der Mehrkosten für die Emissionsminderungsmaßnahmen auf den Strompreis innerhalb der Erneuerbare-Energie-Gemeinschaft geschehen. Ergebnis ist, dass die Höhe des Aufschlags stark vom Umsetzungserfolg (Menge der Emissionseinsparungen), den Umsetzungskosten (Gestehungskosten der Klimaschutzmaßnahmen) und von den Transaktionskosten (Verwaltung) abhängt. Der Aufschlag steht für eine Ökologisierung des erneuerbaren Stroms. In dieser Weise wird regional erzeugter erneuerbarer Strom zum lokal klimawirksamen „Ökostrom“. Die Erneuerbare-Energie-Gemeinschaft ist somit mehr als Stromhandel unter Nachbarn, nämlich eine Synergie zwischen Land- und Energiewirtschaft und steht für eine Sektorenkopplung auf dem Weg zur klimaneutralen Wirtschaft.
In dieser Arbeit wird ein Luft-Clathrat Energiespeicher entworfen, der die Speicherung von elektrischer Energie bei einer Speicherdauer von etwa einem Tag ermöglichen soll. Als Speichermedium dient Luft. Die Luft wird zuerst komprimiert (Einspeichern der elektrischen Energie) und anschließend bei Temperaturen oberhalb des Wasser-Gefrierpunkts (mindestens 274 K, Drücke ab etwa 170 bar) zu Luft-Clathrat synthetisiert. Gespeichert wird das Luft-Clathrat in einem offenen Tank, der aufgrund des Selbstkonservierungseffekts bei moderaten Bedingungen von 1 bar und bei einer Temperatur von 271 K gehalten werden kann. Durch das Hinzufügen von Promotern zum Luft-Clathrat, lässt sich das Luft-Clathrat bei niedrigeren Drücken (< 50 bar) und bei leicht höheren Temperaturen (ca. 280 K) synthetisieren.
Bei den Druck- und Flüssigluftspeichern handelt es sich um ähnliche Speicher, da bei diesen Luft ebenfalls als Speichermedium dient. Vorteile des Luft-Clathrat Energiespeichers gegenüber den Druck- und Flüssigluftspeichern liegen darin, dass dieser bei milderen Bedingungen (Druck, Temperatur) die Luft speichert und für die Speicherung der Luft keine Kaverne benötigt, wie es bei den Druckluftspeichern der Fall ist.
In der folgenden Masterarbeit werden drei Systeme des Luft-Clathrat Energiespeichers thermodynamisch modelliert. Das isotherme und isentrope System dienen als ideale Systeme, während das reale System an die Wirklichkeit angenähert wird. Für das reale System wird bei reinem Luft-Clathrat ein Zykluswirkungsgrad von ca. 17 %, eine gravimetrische Energiedichte von ca. 22 Wh/kg und eine volumetrische Energiedichte von ca. 21 kWh/m3 erreicht. Mit Promotern konnte der Zykluswirkungsgrad auf ca. 47 % bei einer gravimetrischen Energiedichte von ca. 11 Wh/kg und einer volumetrischen Energiedichte von ca. 10 kWh/m3 erhöht werden.
Sonnenhaus 2.0
(2021)
Die vorliegende Arbeit befasst sich im Rahmen einer Fallstudie hauptsächlich mit der Steigerung des Anteils an PV-Batteriebeladungsenergie von Elektrofahrzeugen. Zentral ist die Frage einer möglichen Beeinflussung dieses PV-Ladeanteils durch Re-konfiguration des thermischen Systems (Speicherkapazitäten, Betriebsstrategie der WP).
Dazu wurde das Mehrfamilienhaus anhand der dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation nachgebildet. Im ersten Schritt erfolgte die Ermittlung der für die Gebäudekonditionierung notwendigen Nutzenergie anhand eines Gebäudemodells. Anschließend erfolgte eine Bedarfsoptimierung, um die Grundlast des Wärmeerzeugers möglichst weit zu senken. Dabei wurde zum einen der thermische Komfortbereich ausgenutzt, zum anderen wurde eine Steuerungslogik für die Verschattungs- und Nachtlüftungsautomatik erstellt. Hierdurch konnte der Heizwärmebedarf um 24% und der Kühlwärmebedarf um 70% gesenkt werden. Die Performance des Systems wurde außerdem in Simulationen mittels zukünftigen Klimaszenarien überprüft, in welchen sich die Reduzierung KWB als besonders vorteilhaft herausstellte. Im zweiten Schritt wurde die fassadenintegrierte PV-Anlage nachsimuliert und hinsichtlich ihrer standortspezifischen Ertragssituation mit konventioneller Dachbelegung verglichen. Es zeigte sich, dass die Fassadenbelegung in Südausrichtung über die Wintermonate ertragreicher ist als die, in der Jahresbilanz superiore Dachaufständerung. Im dritten Schritt wurde das technische Gebäudesystem des realen Objektes in der Software Polysun nachgebildet und mittels eigens entworfener Regelungslogik betrieben. Es wurden Variantenstudien der zentralen Parameter Speicherkapazität, Speichertemperatur und Betriebsstrategie durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Variation von Speichergröße und maximaler Speichertemperatur keinen relevanten Einfluss auf die PV-Beladeenergie der Elektrofahrzeuge hat. Jedoch zeigte die erhöhte Betriebsweise der Wärmepumpe bei PV-Überschuss (PVready) eine Steigerung der PV-Batteriebeladung von jährlich ca. 2 % sowie in einzelnen Monaten bis zu 6%. Außerdem konnte eine Steigerung der Autarkie des Gesamtsystems von 13,6% sowie eine Halbierung des Netzbezuges beobachtet werden.
Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zur Prognose von Anomalien in einzelnen Sensordaten für die Anwendung in Expertensystemen im Bereich der Biomassekraftwerke. Die in fünf Schritten beschriebene Methode beinhaltet neben der Datenaufbereitung eine Anomalievorauswahl durch eine unüberwachte Ausreißererkennung, welche mittels des PYOD-Toolkit umgesetzt wurde. Bei der anschließenden Anomaliebestimmung wird der zuvor generierte binäre Zielvektor durch einen mit dem System vertrauten Experten validiert. Eine darauffolgende überwachte binäre Klassifikation mit unbekannten Betriebsdaten ergibt, dass mittel- bis langfristige Anomalien im Mehrstunden- bis Mehrtagesbereich in Form eines Trends reproduktiv vorhergesagt werden können. Kurzfristige Anomalien im Minutenbereich in Form von Extremfällen können hingegen nicht reproduktiv vorhergesagt werden. Eine zusätzliche Untersuchung zur Vorhersage einer Anomalie noch vor deren tatsächlichen Eintrittszeitpunkt brachte keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Demnach lässt sich mit dieser Methode nur eine bestimmte Art von Anomalien in Expertensystemen für Biomassekraftwerke vorhersagen. Dazu sollte zudem darauf geachtet werden, dass es trotz positiv erzielter quantitativer Ergebnisse notwendig ist, für die qualitative Prüfung einen mit dem System vertrauten Experten hinzuzuziehen und dass für die zu prognostizierende Anomalie die geeignete Abtastzeit zu wählen ist. Abschließend bleibt zu erwähnen, dass Anomalien, welche nur durch Über- bzw. Unterschreitung eines definierten Grenzwertes gekennzeichnet werden, als zu trivial für diese Methode gelten. Diese können über eine einfache Grenzwertbetrachtung identifiziert werden.
Seit jeher versuchen Energieversorgungsunternehmen den Einsatz ihrer Kraftwerke zu optimieren. Grund für die Optimierung ist die Sicherstellung der Stromversorgung bzw. das wirtschaftliche Handeln eines Unternehmens. Bisher gibt es am Markt kaum intelligente Lösungen für sehr komplexe, hydraulisch zusammenhängende Kraftwerksgruppen. Obwohl die deterministische Optimierung der illwerke vkw sehr ausgereift ist, wird hier ein Schritt weitergegangen. Als Methode dient eine detaillierte Bewertung des Kraftwerkseinsatzes bei gleichzeitiger Reduzierung von Risiken. Es wird nach Strategien und Regeln gesucht, welche den Einsatz zusätzlich optimieren. Für das Ziel dieser Forschung stellt sich in der vorliegenden Masterarbeit folgende Frage: „Wie können Kraftwerkseinsatzstrategien mithilfe eines Trainingssimulators bewertet und verallgemeinert werden?“
Zur Beantwortung der Forschungsfrage wurden Simulationsfahrten von mehreren Dispatchern durchgeführt. Die Bewertungsmethodik basiert auf der Analyse der unterschiedlichen Strategien und gewichteten Kennzahlen. Zusätzlich wurde ein Fragebogen erstellt. Dieser beinhaltet Aspekte zu bereits bekannten Regeln im Dispatching, zur Gewichtung der Kennzahlen, zur Erfahrung der Dispatcher und zum Verhalten in verschiedenen Einsatzsituationen. Die Antworten der Dispatcher zeigen, dass bereits verschiedene Regeln im Kraftwerkseinsatz zur Anwendung kommen.
Die Ergebnisse belegen, dass ein größeres rotierendes Regelband trotz geringfügiger Wirkungsgradeinbußen, optimal ist. Dadurch können spontane Regelenergieabrufe ohne Fehlarbeit beantwortet werden. Ebenso werden die Umstellungen und somit die Maschinenbelastung deutlich geringer gehalten. In allen Strategien der Dispatcher wurden die Endpegelstände so gewählt, dass min. 1,5 h mit Vollabrufen weitergefahren werden konnte. Außerdem zeigt die Arbeit, dass es nicht möglich ist, Pegelreserven während des Einsatzes zu bewerten.