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Optimierung des bestehenden Verbrennungssystems der Siemens Energy Gas Turbine 4000F für den sicheren Betrieb mit Wasserstoffanteil größer als 50%vol zur CO2-Emissionsreduktion

Die Siemens Energy SGT5/6-4000F Gasturbine ist mit über 350 weltweit betriebenen Anlagen - und damit der zweitgrößten Gasturbinen Flotte größer als 100MW überhaupt - ein wichtiges Produkt bei der gasbasierten Stromerzeugung. Ziel dieses Projektes ist es, den 4000F Brenner bis 2026 so weiterzuentwickeln, dass der Betrieb der Gasturbine mit Gasmischungen größer als 50% vol H2 ohne Leistungsabsenkung ermöglicht wird. Die Lösung soll vollständig kompatibel zur installierten 4000F Flotte auf Basis des bestehenden Verbrennungssystems sein, d.h. erforderliche Anpassungen dürfen nur geringfügige Modifikationen darstellen, um eine wirtschaftliche Umrüstung für die Betreiber zu ermöglichen. Der derzeitige Status bzgl. hoher H2-Anteile ( größer als 30%) ist mit TRL2 zu bewerten. Abschluss des Projekts soll ein Review gemäß des Produktentwicklungsprozesses sein, so dass eine vollständige Freigabe des Prototypen-Designs zur Maschinenimplementierung für die Erstanwendung erfolgt.

Skalierbarkeit von Großkollektoranlagen und KNW-Netzen, Teilvorhaben: Operative Begleitung des wissenschaftlichen Monitorings und Umsetzung von Maßnahmen zur Betriebsoptimierung

Das Forschungsvorhaben KNW-Opt II vereint die Lösungsansätze der beiden bundesweit größten kollektorbasierten Kalten Nahwärmenetze (KNW) 'Bad Nauheim Süd' und 'Soester Norden'. Mit Hilfe von wissenschaftlichen Monitorings werden wichtige übertragbare Erkenntnisse für die Planung, den Bau und den Betrieb komplexer kollektorbasierter KNW-Systeme gewonnen. Diese werden im Rahmen des Wissenstransfers für die breite Anwendung verfügbar gemacht. Es werden Softwarelösungen erarbeitet, validiert und bereitgestellt. Im Vorgängerprojekt KNW-Opt wurde in 'Bad Nauheim Süd' ein wissenschaftliches Monitoring implementiert und erste Optimierungen umgesetzt. Diese Arbeiten werden in KNW-Opt II weiter fortgeführt und ergänzend Agraranalysen an diesem Standort durchgeführt. Zudem werden die Untersuchungen durch Aufbau eines wissenschaftlichen Monitorings am aktuell größten kollektorbasierten KNW-Netz im 'Soester Norden' erweitert und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus KNW-Opt hierfür genutzt. Die beiden Leuchttürme dienen zudem der Entwicklung einer KNW-Energy-Cloud sowie einem KNW-Real-Time-Twin, mit deren Hilfe die Übertragbarkeit auf andere KNW-Netze im Neubau aber auch Bestand ermöglicht werden soll. Um die Marktdurchdringung zu beschleunigen, erfolgt der Wissens- und Technologietransfer durch die Einbindung der wichtigsten Branchenverbände schon während der Projektlaufzeit. Im Teilvorhaben der Stadtwerke Bad Nauheim GmbH (SWBN) soll das bestehende Monitoringsystem aus KNW-Opt weiter genutzt werden, um weiterführende Analysen und Betriebsoptimierungen durchzuführen. Es werden verschiedene Betriebsszenarien umgesetzt und ausgewertet. Als Ziel sollen hydraulische und thermische Optimierungen resultieren. Die beiden Projekte in Soest und Bad Nauheim sollen gegenseitig aus den Inbetriebnahme- und Messdaten der Betriebsszenarien lernen und profitieren. Alle Erkenntnisse sollen über das Forum nutzbar gemacht werden. Zudem unterstützen die SWBN bei den Agraranalysen.

Skalierbarkeit von Großkollektoranlagen und KNW-Netzen, Teilvorhaben: Aufbau und operative Begleitung des wissenschaftlichen Monitorings und Umsetzung von Maßnahmen zur Betriebsoptimierung

Das Forschungsvorhaben KNW-Opt II vereint die Lösungsansätze der beiden bundesweit größten kollektorbasierten Kalten Nahwärmenetze (KNW) 'Bad Nauheim Süd' und 'Soester Norden'. Mit Hilfe von wissenschaftlichen Monitorings werden wichtige übertragbare Erkenntnisse für die Planung, den Bau und den Betrieb komplexer kollektorbasierter KNW-Systeme gewonnen. Diese werden im Rahmen des Wissenstransfers für die breite Anwendung verfügbar gemacht. Es werden Softwarelösungen erarbeitet, validiert und bereitgestellt. Im Vorgängerprojekt KNW-Opt wurde in 'Bad Nauheim Süd' ein wissenschaftliches Monitoring implementiert und erste Optimierungen umgesetzt. Diese Arbeiten werden in KNW-Opt II weiter fortgeführt und ergänzend Agraranalysen an diesem Standort durchgeführt. Zudem werden die Untersuchungen durch Aufbau eines wissenschaftlichen Monitorings am aktuell größten kollektorbasierten KNW-Netz im 'Soester Norden' erweitert und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus KNW-Opt hierfür genutzt. Die beiden Leuchttürme dienen zudem der Entwicklung einer KNW-Energy-Cloud sowie einem KNW-Real-Time-Twin, mit deren Hilfe die Übertragbarkeit auf andere KNW-Netze im Neubau aber auch Bestand ermöglicht werden soll. Um die Marktdurchdringung zu beschleunigen, erfolgt der Wissens- und Technologietransfer durch die Einbindung der wichtigsten Branchenverbände schon während der Projektlaufzeit. Im Teilvorhaben der Stadtwerke Soest GmbH (SWSoe) soll im ersten Schritt ein qualitativ gleichwertiges Monitoring zu Bad Nauheim aufgebaut werden. Es werden Temperaturen und Feuchten, Volumenströme und Energiemengen erfasst. Aus den Erkenntnissen von KNW-Opt abgeleitete und an den Soester Norden angepasste Betriebsszenarien werden umgesetzt und ausgewertet. Ziel ist die hydraulischen und thermischen Optimierungen des Gesamtsystems und daraus die Erarbeitung von allgemeingültigen Informationen zu Planung, Umsetzung und Betrieb von KNW-Netzen.

Erhöhung der Stromrichte-Lebensdauer durch optimierte Komponenten-Optimierung mittels Digitaler KI Zwillinge, Teilvorhaben: Labortechnische Untersuchung und Digitalisierung der Stromrichter-Lebensdauer zur Anwendung robuster KI Regelung

Während PV-Module in den vergangenen Jahren durch neue Materialien und Produktionsprozesse eine deutliche Steigerung ihrer Lebensdauer erfahren haben, konnten PV-Wechselrichter dieser Entwicklung bisher nicht im gleichen Maßstab folgen. Einer der Gründe dafür liegt in den vergleichsweise starken Unterschieden in der Belastung, die diese Stromrichter (SR) je nach Installationsort erfahren. Selbst zeitgleich und identisch produzierte Systeme, die an unterschiedlichen Orten installiert werden, können deutliche Unterschiede in ihrer Lebensdauer bzw. Nutzungszeit aufweisen. Da es jedoch bisher keine allgemeingültigen Modelle gibt, die die Alterung der SR-Komponenten in Abhängigkeit ihrer Betriebsbedingungen abbilden können, ist ein schonender Betrieb bei fortschreitender Alterung aktuell nicht umsetzbar bzw. nur durch einen pauschalen Sicherheitsfaktor möglich. Wäre es möglich, das Verhalten von SR-Komponenten unter Berücksichtigung ihrer historischen Belastung zu modellieren, so könnten die daraus gewonnenen Erkenntnisse in eine individuelle Betriebsstrategie einfließen, die das PV-System optimal ausnutzt, ohne Leistung oder Lebensdauer zu verschwenden. Dieses Ziel wird in PV4Life verfolgt. Anhand von Dauertests und zusätzlicher Sensorik werden geeignete Modelle für exemplarische PV-SR-Systeme entwickelt, die durch einen Abgleich mit einem zweiten Satz beschleunigt gealterter SR validiert, verbessert und generalisiert werden. Die daraus entstehenden digitalen Zwillinge sollen weitergehend in die Entwicklung einer KI-unterstützten Betriebsstrategie einfließen, die die Ausnutzung und Lebensdauer von SR optimiert, indem sie bei zunehmender Alterung die Betriebsparameter anpasst. Um diese neuartige Betriebsoptimierung sicher und resilient zu gestalten, wird die Implementierung der KI-Algorithmen direkt in den SR-Systemen untersucht. Mit diesem Ansatz wird die Sicherheit und Glaubwürdigkeit der KI-Algorithmen durch den Einsatz in einer geschützten Umgebung maßgeblich erhöht.

Monitoring, Betriebsoptimierung und Know-how-Transfer im Pfaff-Quartier Kaiserslautern, Teilvorhaben: Optimierung Kundenanlage

Das Vorhaben EnStadtPfaff_2 monitort den Betrieb des Pfaff-Quartiers in Kaiserslautern, seiner Gebäude und Technologien. Einzelne Technologien werden im Betrieb untersucht und optimiert, wie das Niedertemperatur­Wärmenetz mit Abwärme-Einspeisung einer Kältemaschine, das bidirektionale Laden von E-Mobilen zur Stützung des Stromnetzes, die Kundenanlage zur Erhöhung der Eigenstromnutzung und die Nutzerfreundlichkeit digitaler Services. Weiter erfolgt der Transfer der Erkenntnisse aus der Quartiersentwicklung an lokale, regionale und überregionale Zielgruppen. Das Pfaff-Quartier ist ein 20 ha großes ehemaliges Fabrikgelände, das die Stadt Kaiserslautern zu einem modernen Mischquartier mit dem Ziel der Klimaneutralität entwickelt. Im vorausgehenden Leuchtturm-Vorhaben EnStadt:Pfaff wurden Energie-, Mobilitäts- und !KT-Konzepte für das Quartier erarbeitet und die Erstellung des Bebauungsplans begleitet. Im ersten Bauabschnitt wurden die Infrastruktur umgesetzt und zwei Bestandsgebäude energetisch saniert, eine Energiezentrale neu erstellt und innovative Technologien und Komponenten zur Erreichung der Klimaneutralität installiert. Werkzeuge und Leitfäden in den Bereichen Energie, Gebäude, Mobilität und Digitalisierung wurden entwickelt sowie die Prozesse der Quartiersentwicklung sozialwissenschaftlich untersucht. Ein Reallabor-Zentrum wurde erstellt, um mit verschiedenen Zielgruppen Lösungen weiterentwickeln zu können. Das Teilvorhaben nutzt die Betriebserfahrungen mit der im Pfaff-Quartier umgesetzten Kundenanlage nach §3 Nr. 23a EnWG, um die Messstellentechnik, die Abrechnung und die Betriebsweise zu optimieren. Das Ziel ist dabei die Erhöhung der Eigenversorgung der angeschlossenen Verbraucher mit lokal erzeugtem Solarstrom. Untersucht wird weiter, wie die E-Mobil-Ladesäulen im Parkhaus optimal in das Energiemanagement integriert werden können. Ermittelt werden die energetischen und ökonomische Vorteile einer Kundenanlage für die Quartiersenergieversorgung.

Betriebsoptimierung des Wärmenetzes einschließlich der Nutzung von Strom aus EE und Abwärme aus der Wasserstoffproduktion in Bosbüll, Teilvorhaben: Datennormalisierung und Bereitstellung

Das Gesamtvorhabenziel ist die Umsetzung von optimierten Betriebsstrategien mit Hilfe der prädiktiven Regelung mit KI unter Berücksichtigung von technischen, wirtschaftlichen und regulatorisch-rechtlichen Aspekten. Die VIVAVIS wird in diesem Projekt mit allen Projektpartnern einen Datenpool mit normalisierten Daten erarbeiten, aus dem dann die Optimierungen abgeleitet werden sollen. Die Ergebnisse und die optimierten Betriebsstrategien werden zurück an die jeweiligen technischen Eirichtungen der Partner gegeben.

Monitoring, Betriebsoptimierung und Know-how-Transfer im Pfaff-Quartier Kaiserslautern, Teilvorhaben: Transfer zu Fachplanern

Das Pfaff-Quartier ist ein 20 ha großes ehemaliges Fabrikgelände, das die Stadt Kaiserslautern zu einem klimaneutralen Mischquartier mit Gewerbe und wohnen entwickelt möchte. Die Quartiersentwicklung wird von 2017 bis 2024 fachlich unterstützt im 7. Energieforschungsprogramm durch das Leuchtturm-Vorhaben EnStadt:Pfaff, in dem Energie-, Mobilitäts- und Digitalisierungskonzepte erarbeitet und die Erstellung des Bebauungsplan begleitet wurde. Zwei Bestandsgebäude wurden energetisch saniert, eine Energiezentrale gebaut und die zentrale Quartiersachse mit der Versorgungsinfrastruktur in Betrieb genommen. Im Rahmen des Vorhabens werden verschiedene innovative Technologien zur Umsetzung klimaneutraler Quartiere demonstriert. Werkzeuge und Leitfäden in den Bereichen Energie, Bauen und Mobilität wurden entwickelt. Auch die sozialwissenschaftlichen Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche Quartiersentwicklung wurden untersucht und ein Reallabor-Zentrum aufgebaut, um allen Interessierten die Ergebnisse zu vermitteln. Im Anschlussvorhaben EnStadt:Pfaff 2 wird das Quartier im aktuellen Ausbaustand gemonitort, um die Wirksamkeit der Konzepte zu überprüfen und zu belegen. Ausgewählte Technologien werden untersucht und optimiert, wie der Betrieb des Niedertemperatur-Wärmenetzes mit Einspeisung von Abwärme einer Kältemaschine, die bidirektionale E-Mobil-Ladeinfrastruktur zur Stützung des Stromnetzes, die Kundenanlage zur Erhöhung der Eigenstromnutzung sowie und die Nutzerfreundlichkeit digitaler Services. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Transfer der Erkenntnisse an lokale, regionale und überregionale Zielgruppen. Hierzu werden Veranstaltungen durchgeführt und gemeinsam mit den Teilnehmenden die Lösungsansätze diskutiert. Fachveröffentlichungen adressieren Planende und Umsetzende mit dem Ziel, durch den Know-how-Transfer die Transformation von Quartieren hin zur Klimaneutralität effizienter und zielgerichteter zu gestalten und zu beschleunigen.

Monitoring, Betriebsoptimierung und Know-how-Transfer im Pfaff-Quartier Kaiserslautern, Teilvorhaben: Transfer in die Kommune

Das Vorhaben EnStadtPfaff_2 monitort den Betrieb des Pfaff-Quartiers in Kaiserslautern, seiner Gebäude und Technologien. Einzelne Technologien werden im Betrieb untersucht und optimiert, wie das Niedertemperatur-Wärmenetz mit Abwärme-Einspeisung einer Kältemaschine, das bidirektionale Laden von E-Mobilen zur Stützung des Stromnetzes, die Kundenanlage zur Erhöhung der Eigenstromnutzung und die Nutzerfreundlichkeit digitaler Services. Weiter erfolgt der Transfer der Erkenntnisse aus der Quartiersentwicklung an lokale, regionale und überregionale Zielgruppen. Das Pfaff-Quartier ist ein 20 ha großes ehemaliges Fabrikgelände, das die Stadt Kaiserslautern zu einem modernen Mischquartier mit dem Ziel der Klimaneutralität entwickelt. Im vorausgehenden Leuchtturm-Vorhaben EnStadt:Pfaff wurden Energie-, Mobilitäts- und IKT-Konzepte für das Quartier erarbeitet und die Erstellung des Bebauungsplans begleitet. Im ersten Bauabschnitt wurden die Infrastruktur umgesetzt und zwei Bestandsgebäude energetisch saniert, eine Energiezentrale neu erstellt und innovative Technologien und Komponenten zur Erreichung der Klimaneutralität installiert. Werkzeuge und Leitfäden in den Bereichen Energie, Gebäude, Mobilität und Digitalisierung wurden entwickelt sowie die Prozesse der Quartiersentwicklung sozialwissenschaftlich untersucht. Ein Reallabor-Zentrum wurde erstellt, um mit verschiedenen Zielgruppen Lösungen weiterentwickeln zu können. Das Teilvorhaben ‚Transfer in die Kommune' bereitet die Konzepte und Erkenntnisse des Basisvorhabens auf und vermittelt sie aktiv an die Zielgruppen der Quartiersentwicklung in der Kommune. Grundstückseigentümer im Pfaff-Quartier werden beraten bezüglich der Erreichung der Klimaneutralität. Planer, Entwickler und Eigentümer aus anderen Stadtquartieren werden über die Erkenntnisse zu Konzeption, Planung und Umsetzung von klimaneutralen Quartieren aus dem Basisvorhaben informiert und bei der Übertragung der Erkenntnisse unterstützt.

Monitoring, Betriebsoptimierung und Know-how-Transfer im Pfaff-Quartier Kaiserslautern, Teilvorhaben: Monitoring

Das Vorhaben EnStadtPfaff_2 monitort den Betrieb des Pfaff-Quartiers in Kaiserslautern, seiner Gebäude und Technologien. Einzelne Technologien werden im Betrieb untersucht und optimiert, wie das Niedertemperatur- Wärmenetz mit Abwärme-Einspeisung einer Kältemaschine, das bidirektionale Laden von E-Mobilen zur Stützung des Stromnetzes, die Kundenanlage zur Erhöhung der Eigenstromnutzung und die Nutzerfreundlichkeit digitaler Services. Weiter erfolgt der Transfer der Erkenntnisse aus der Quartiersentwicklung an lokale, regionale und überregionale Zielgruppen. Das Pfaff-Quartier ist ein 20 ha großes ehemaliges Fabrikgelände, das die Stadt Kaiserslautern zu einem modernen Mischquartier mit dem Ziel der Klimaneutralität entwickelt. Im vorausgehenden Leuchtturm-Vorhaben EnStadt:Pfaff wurden Energie-, Mobilitäts- und IKT-Konzepte für das Quartier erarbeitet und die Erstellung des Bebauungsplans begleitet. Im ersten Bauabschnitt wurden die Infrastruktur umgesetzt und zwei Bestandsgebäude energetisch saniert, eine Energiezentrale neu erstellt und innovative Technologien und Komponenten zur Erreichung der Klimaneutralität installiert. Werkzeuge und Leitfäden in den Bereichen Energie, Gebäude, Mobilität und Digitalisierung wurden entwickelt sowie die Prozesse der Quartiersentwicklung sozialwissenschaftlich untersucht. Ein Reallabor-Zentrum wurde erstellt, um mit verschiedenen Zielgruppen Lösungen weiterentwickeln zu können. Im Teilvorhaben ‚Monitoring' wird die Energieerzeugung und der-verbrauch der in Betrieb befindlichen Gebäude, Infrastrukturen und einzelner Anlagen gemonitort und die realen Betriebswerte mit den Planwerten abgeglichen. Defizite im Betrieb werden untersucht und Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet. Darüber hinaus werden Monitoringverfahren von Quartieren weiterentwickelt, um z.B. zu berücksichtigen, dass sich bei im Ausbau befindlichen Quartieren die Betriebsbedingungen mit jedem neu erstellten Gebäude verändern.

Betriebsoptimierung des Wärmenetzes einschließlich der Nutzung von Strom aus EE und Abwärme aus der Wasserstoffproduktion in Bosbüll

Der Fokus des avisierten Forschungsvorhabens liegt auf der Umsetzung von optimierten Betriebsstrategien mit Hilfe der prädiktiven Regelung mit KI unter Berücksichtigung von technischen, wirtschaftlichen und regulatorisch-rechtlichen Aspekten. Die grundlegenden technischen Aspekte beinhalten dabei die simulationsgestützte Entwicklung einer KI- und prognosebasierten Betriebsführung für das Wärmenetz zur maximalen Nutzung des eigenen lokal erzeugten Stroms aus PV- und Windkraftanlagen und der erlösoptimierten Vermarktung der Residualmengen im Strommarkt. Darüber hinaus sollen die Einbindung von Abwärme aus der Wasserstoffproduktion ins Wärmenetz und die Nutzung von thermischen Speichern (zentral und dezentral) im Lastmanagement mitberücksichtigt werden. Damit soll eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads der Wasserstoffproduktion durch die Einbindung der Abwärme ins Wärmenetz ermöglicht werden.

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