Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von WILO SE durchgeführt. Wasserwirtschaft in Deutschland ist weder ressourceneffizient noch befriedigt sie Bedürfnisse bedarfsgerecht: Trockenheit führt zu Versorgungslücken, der Betrieb ist nicht energieoptimal und es kommt zu Leitungsverlusten. Es sind neue, flexible, ressourcenschonende, aber auch nachvollziehbare Betriebsstrategien notwendig. Methoden der Künstlichen Intelligenz bergen zwar erhebliches Potential, es ergeben sich jedoch unmittelbar Fragen der Nachvollziehbarkeit. Diese sind Grund der Genehmigungsfalle autonomer Systeme. Verwendet man hingegen marktwirtschaftliche Mechanismen, so kann bei adäquatem Marktdesign die marktinhärente Ressourcen- und Allokationseffizienz genutzt werden, um nachvollziehbare, ressourceneffiziente und bedarfsgerechte Betriebsstrategien zu erreichen. Im Zentrum des Projektes stehen flexible, effiziente und robuste Wasserversorgungssysteme der Zukunft, bei denen Module und Komponenten in einem vorgegebenen Handlungsrahmen autonom agieren. Beim Handeln der miteinander kommunizierenden, cyber-physischen Agenten in der zu gestaltenden cyber-physischen Wassermarktwirtschaft (CPM) werden zukünftige Leistungsversprechungen mit 'Geld' vergolten. Die marktinhärente Ressourcen- und Allokationseffizienz ermöglichen effiziente, ressourcenschonende Lösungen - was es im Projekt zu validieren gilt. Hierfür wird die CPM an einem realen Demonstratorsystem in Kooperation zwischen Universität und Unternehmen. Dabei steht die Ressourceneffizienz im Mittelpunkt. Um die Allokationseffizienz der Ressource Wasser zu steigern, was insbesondere bei volatilem Wasserdargebot, -nachfrage und Leckage relevant ist, wird in einem zweiten Projektteil eine soziale Wassermarktwirtschaft gestaltet und deren Machbarkeit überprüft. Hier stellen Personen-Agenten alle relevanten Stakeholder der Wasserwirtschaft dar. Die Wasserbedarfe werden in Grund- und Zusatzbedarfe unterschieden; in der SM werden letztere zwischen den Personen-Agenten gehandelt und so bedarfsgerechter verteilt.
Das Projekt "Teilprojekt 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau, Institut für Fluidsystemtechnik durchgeführt. Wasserwirtschaft in Deutschland ist weder ressourceneffizient noch befriedigt sie Bedürfnisse bedarfsgerecht: Trockenheit führt zu Versorgungslücken, der Betrieb ist nicht energieoptimal und es kommt zu Leitungsverlusten. Es sind neue, flexible, ressourcenschonende, aber auch nachvollziehbare Betriebsstrategien notwendig. Methoden der Künstlichen Intelligenz bergen zwar erhebliches Potential, es ergeben sich jedoch unmittelbar Fragen der Nachvollziehbarkeit. Diese sind Grund der Genehmigungsfalle autonomer Systeme. Verwendet man hingegen marktwirtschaftliche Mechanismen, so kann bei adäquatem Marktdesign die marktinhärente Ressourcen- und Allokationseffizienz genutzt werden, um nachvollziehbare, ressourceneffiziente und bedarfsgerechte Betriebsstrategien zu erreichen. Im Zentrum des Projektes stehen flexible, effiziente und robuste Wasserversorgungssysteme der Zukunft, bei denen Module und Komponenten in einem vorgegebenen Handlungsrahmen autonom agieren. Beim Handeln der miteinander kommunizierenden, cyber-physischen Agenten in der zu gestaltenden cyber-physischen Wassermarktwirtschaft (CPM) werden zukünftige Leistungsversprechungen mit 'Geld' vergolten. Die marktinhärente Ressourcen- und Allokationseffizienz ermöglichen effiziente, ressourcenschonende Lösungen - was es im Projekt zu validieren gilt. Hierfür wird die CPM an einem realen Demonstratorsystem in Kooperation zwischen Universität und Unternehmen. Dabei steht die Ressourceneffizienz im Mittelpunkt. Um die Allokationseffizienz der Ressource Wasser zu steigern, was insbesondere bei volatilem Wasserdargebot, -nachfrage und Leckage relevant ist, wird in einem zweiten Projektteil eine soziale Wassermarktwirtschaft gestaltet und deren Machbarkeit überprüft. Hier stellen Personen-Agenten alle relevanten Stakeholder der Wasserwirtschaft dar. Die Wasserbedarfe werden in Grund- und Zusatzbedarfe unterschieden; in der SM werden letztere zwischen den Personen-Agenten gehandelt und so bedarfsgerechter verteilt.
Das Projekt "Digital GreenTech 2 - agents42watermarkets: Auf dem Weg zu einer effizienten, bedarfsgerechten und robusten sozio-technischen Wassermarktwirtschaft" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau, Institut für Fluidsystemtechnik durchgeführt. Wasserwirtschaft in Deutschland ist weder ressourceneffizient noch befriedigt sie Bedürfnisse bedarfsgerecht: Trockenheit führt zu Versorgungslücken, der Betrieb ist nicht energieoptimal und es kommt zu Leitungsverlusten. Es sind neue, flexible, ressourcenschonende, aber auch nachvollziehbare Betriebsstrategien notwendig. Methoden der Künstlichen Intelligenz bergen zwar erhebliches Potential, es ergeben sich jedoch unmittelbar Fragen der Nachvollziehbarkeit. Diese sind Grund der Genehmigungsfalle autonomer Systeme. Verwendet man hingegen marktwirtschaftliche Mechanismen, so kann bei adäquatem Marktdesign die marktinhärente Ressourcen- und Allokationseffizienz genutzt werden, um nachvollziehbare, ressourceneffiziente und bedarfsgerechte Betriebsstrategien zu erreichen. Im Zentrum des Projektes stehen flexible, effiziente und robuste Wasserversorgungssysteme der Zukunft, bei denen Module und Komponenten in einem vorgegebenen Handlungsrahmen autonom agieren. Beim Handeln der miteinander kommunizierenden, cyber-physischen Agenten in der zu gestaltenden cyber-physischen Wassermarktwirtschaft (CPM) werden zukünftige Leistungsversprechungen mit 'Geld' vergolten. Die marktinhärente Ressourcen- und Allokationseffizienz ermöglichen effiziente, ressourcenschonende Lösungen - was es im Projekt zu validieren gilt. Hierfür wird die CPM an einem realen Demonstratorsystem in Kooperation zwischen Universität und Unternehmen. Dabei steht die Ressourceneffizienz im Mittelpunkt. Um die Allokationseffizienz der Ressource Wasser zu steigern, was insbesondere bei volatilem Wasserdargebot, -nachfrage und Leckage relevant ist, wird in einem zweiten Projektteil eine soziale Wassermarktwirtschaft gestaltet und deren Machbarkeit überprüft. Hier stellen Personen-Agenten alle relevanten Stakeholder der Wasserwirtschaft dar. Die Wasserbedarfe werden in Grund- und Zusatzbedarfe unterschieden; in der SM werden letztere zwischen den Personen-Agenten gehandelt und so bedarfsgerechter verteilt.
Das Projekt "Energiemanagement für Supercap-Brennstoffzellenfahrzeuge" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Lehrstuhl und Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe durchgeführt. Eine Brennstoffzelle als Primärenergiequelle mit einem Doppelschichtkondensator (Supercap) als Zwischenspeicher zu kombinieren ist ein vielversprechender Ansatz für zukünftige Elektrofahrzeuge. In Kooperation mit einem Fahrzeughersteller wurden verschiedene Strategien für ein Energiemanagement für die Kombination einer Brennstoffzelle mit einem Doppelschichtkondensatormodul entworfen und verglichen. Basierend auf der aktuellen Geschwindigkeit und Beschleunigung werden verschiedene Fahrzeugzustände bezüglich kinetischer Energie und Leistungsbedarf unterschieden. In Abhängigkeit von der verfügbaren Leistung von Supercaps und Brennstoffzelle wird eine optimale Leistungsaufteilung zwischen den beiden Energiequellen ermittelt. In Bremsphasen wird durch Rekuperation Energie zurückgewonnen und in den Supercaps gespeichert. Wenn die Supercaps vollgeladen sind oder ihre maximale Ladeleistung erreicht haben, übernehmen mechanische Bremsen die übrige Ladeleistung. Da diese Situation zu einem Energieverlust führt, sollte sie möglichst vermieden werden. Um immer die notwendige Beschleunigungsleistung und gleichzeitig auch ein Maximum an Rekuperation zu garantieren, wird der Ladezustand der Supercaps kontinuierlich und dynamisch an die kinetische Energie des Fahrzeugs angepasst. Verschiedene Strategien wurden in Matlab/Simulink mit einem Stateflow-Chart zur Abbildung der Zustände implementiert. Die verfügbare Supercapleistung wird mit Hilfe eines impedanzbasierten Modells für Supercaps berechnet. Mit diesen Strategiemodellen können die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Strategien verglichen und die Einflüsse von Parametern untersucht werden. Ziel eines Energiemanagements ist es, den Wasserstoffverbrauch zu minimieren und die notwendige Leistung zu jeder Zeit sicherzustellen. Bei der Bewertung der Strategien wird der Wasserstoffverbrauch, die verlorene Bremsenergie und eine mögliche Geschwindigkeitsreduzierung verglichen. Mit einer optimalen Strategie können bis zu 23 Prozent Wasserstoff während eines definierten Fahrprofils gespart werden.
Das Projekt "EnEff Wärme: Optimierte Sektorkopplung in Quartieren durch intelligente thermische Prosumernetze" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik durchgeführt. Die Wende von einem fossil, zu einem erneuerbar dominierten Energiesystem muss die drei wesentlichen Sektoren Strom, Wärme und Verkehr einbeziehen. Auf Wärmeebene entsteht hierbei zunehmender Handlungsbedarf, da CO2-intensive Energieträger durch erneuerbare Energiequellen ersetzt und Alternativen zu konventionellen Fernwärmesystemen mit fossilen Großkraftwerken gefunden werden müssen. Zusätzlich erfordert der steigende Anteil erneuerbarer und volatiler Stromerzeuger ein hohes Maß an Flexibilität auf Verbraucherseite. Die vorliegende Projektidee fokussiert sich hierbei auf die Kopplung zwischen Strom- und Wärme-/ Kältesektor. Ziel ist es, die Effizienz und die elektrische Flexibilität durch die Wärmeerzeugung und Wärmeversorgung zu maximieren und gleichzeitig die CO2-Emmisionen zu minimieren. Eine entscheidende Rolle können hierfür hochflexible thermische Netze spielen, welche thermische Energie richtungsunabhängig bei flexiblen Temperaturen übertragen können. Diese erlauben den Einsatz von Einzelanlagen basierend auf unterschiedlichen Technologien. Vor allem KWK Anlagen und Wärmepumpen können dadurch effizient dimensioniert werden, wodurch beide Technologien ihre spezifischen Vorteile ausspielen können. Gleichzeitig ermöglicht die dezentrale Verortung der Prosumer eine Minimierung der Übertragungsverluste. Insbesondere die technologieoffene Einspeisung und die Möglichkeit zur Nachrüstung im Bestand macht dies zu einem vielversprechenden Ansatz, um die gewonnenen Ergebnisse in der Praxis umzusetzen und die Dekarbonisierung des Wärmesektors voranzutreiben.
Das Projekt "Teilvorhaben: Technische Machbarkeit und Verwertungspotentiale" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Triowatt GmbH durchgeführt. Die Wende von einem fossil, zu einem erneuerbar dominierten Energiesystem muss die drei wesentlichen Sektoren Strom, Wärme und Verkehr einbeziehen. Auf Wärmeebene entsteht hierbei zunehmender Handlungsbedarf, da CO2-intensive Energieträger durch erneuerbare Energiequellen ersetzt und Alternativen zu konventionellen Fernwärmesystemen mit fossilen Großkraftwerken gefunden werden müssen. Zusätzlich erfordert der steigende Anteil erneuerbarer und volatiler Stromerzeuger ein hohes Maß an Flexibilität auf Verbraucherseite. Die vorliegende Projektidee fokussiert sich hierbei auf die Kopplung zwischen Strom- und Wärme-/ Kältesektor. Ziel ist es, die Effizienz und die elektrische Flexibilität durch die Wärmeerzeugung und Wärmeversorgung zu maximieren und gleichzeitig die CO2-Emmisionen zu minimieren. Eine entscheidende Rolle können hierfür hochflexible thermische Netze spielen, welche thermische Energie richtungsunabhängig bei flexiblen Temperaturen übertragen können. Diese erlauben den Einsatz von Einzelanlagen basierend auf unterschiedlichen Technologien. Vor allem KWK Anlagen und Wärmepumpen können dadurch effizient dimensioniert werden, wodurch beide Technologien ihre spezifischen Vorteile ausspielen können. Gleichzeitig ermöglicht die dezentrale Verortung der Prosumer eine Minimierung der Übertragungsverluste. Insbesondere die technologieoffene Einspeisung und die Möglichkeit zur Nachrüstung im Bestand macht dies zu einem vielversprechenden Ansatz, um die gewonnenen Ergebnisse in der Praxis umzusetzen und die Dekarbonisierung des Wärmesektors voranzutreiben. Der Schwerpunkt für die T3W liegt im Bereich der technischen Machbarkeit und der Verwertungspotenziale. Wir bringen unsere praktische Erfahrung in die Konzepterstellung ein und unterstützen dabei die Modellierung und die Laborversuche. Der Arbeitsschwerpunkt der T3W ist die Analyse von realen Standortbedingungen, Datenerhebungen, Test von einzelnen Komponenten im Feld und die Analyse der Verwertungspotenziale.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modellierung, Laborevaluation und Rückwirkungen auf das Stromsystem" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik durchgeführt. Die Wende von einem fossil, zu einem erneuerbar dominierten Energiesystem muss die drei wesentlichen Sektoren Strom, Wärme und Verkehr einbeziehen. Auf Wärmeebene entsteht hierbei zunehmender Handlungsbedarf, da CO2-intensive Energieträger durch erneuerbare Energiequellen ersetzt und Alternativen zu konventionellen Fernwärmesystemen mit fossilen Großkraftwerken gefunden werden müssen. Zusätzlich erfordert der steigende Anteil erneuerbarer und volatiler Stromerzeuger ein hohes Maß an Flexibilität auf Verbraucherseite. Die vorliegende Projektidee fokussiert sich hierbei auf die Kopplung zwischen Strom- und Wärme-/ Kältesektor. Ziel ist es, die Effizienz und die elektrische Flexibilität durch die Wärmeerzeugung und Wärmeversorgung zu maximieren und gleichzeitig die CO2-Emmisionen zu minimieren. Eine entscheidende Rolle können hierfür hochflexible thermische Netze spielen, welche thermische Energie richtungsunabhängig bei flexiblen Temperaturen übertragen können. Diese erlauben den Einsatz von Einzelanlagen basierend auf unterschiedlichen Technologien. Vor allem KWK Anlagen und Wärmepumpen können dadurch effizient dimensioniert werden, wodurch beide Technologien ihre spezifischen Vorteile ausspielen können. Gleichzeitig ermöglicht die dezentrale Verortung der Prosumer eine Minimierung der Übertragungsverluste. Insbesondere die technologieoffene Einspeisung und die Möglichkeit zur Nachrüstung im Bestand macht dies zu einem vielversprechenden Ansatz, um die gewonnenen Ergebnisse in der Praxis umzusetzen und die Dekarbonisierung des Wärmesektors voranzutreiben. Der Schwerpunkt der Bearbeitung an der TUM liegt im Bereich der Modellierung bidirektionaler Wärmeübergabestation und flexibler Wärmenetze. Um deren Möglichkeiten optimal nutzen zu können, werden neue Betriebsstrategien entwickelt. Des Weiteren wird die technische Umsetzbarkeit anhand von Laborexperimenten demonstriert und die Auswirkungen der Sektorkopplung auf das Stromsystem analysiert.
Das Projekt "Reduzierung von Transiten im Hochspannungsverteilernetz für eine optimale Integration von erneuerbaren Energien (ReTrans)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik durchgeführt. Beim Projekt ReTrans handelt es sich um eine Durchführbarkeitsstudie zur Reduktion von Leistungstransiten im Verteilnetz mit einem PMU-Monitoring-System für eine optimale und verbesserte Integration von erneuerbaren Energien im Verteilnetz. Hierfür soll ein PMU-Monitoring-System entwickelt und im Netz zur Beobachtung der Leistungstransite umgesetzt werden. Zur Identifizierung und Bewertung der Leistungstransite soll dieses System mit einem Netzmodell sowie der Leitwarte eines Netzbetreibers gekoppelt werden. Darauf aufbauend werden mit geeigneten Gegenmaßnahmen die Leistungstransite reduziert und mit einer Optimierung des Blindleistungspotenzials im Netz die Übertragungsverluste verringert. Ausgehend hiervon soll ein Konzept zur Vorhersage der Leistungstransite und deren Reduktion im vorausschauenden Netzbetrieb entwickelt werden. Abschließend werden die notwendigen Modellierungsschritte in einem Leitfaden als Hilfestellung für die Umsetzung des Konzepts zusammengefasst.
Das Projekt "Innovativer, an industrieller Praxis orientierter Prozess zur Auswahl von Modellen für die Simulation der Windströmung in komplexem Gelände" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Esslingen, Institut für Angewandte Forschung durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Windenergie spielt in Deutschland eine große Rolle in der erneuerbaren Stromerzeugung und damit auch bei der Erreichung der Klimaziele. Im Jahr 2017 geht laut dem Umweltbundesamt 48,9 % der Stromerzeugung zurück auf erneuerbare Energien aus der Windenergie entsprechend einer Energieerzeugung von 106,6 Mrd. kWh. Die meisten Windturbinen stehen im Flachland oder in Küstenregionen. Aber auch in den hügeligen oder gar bergigen und vielerorts bewaldeten Gebieten wird die Windkraft zunehmend ein Thema. Die lokale Erzeugung von Strom reduziert Übertragungsverluste und den Aufwand, die Infrastruktur für die Stromerzeugung aufzubauen. Auch kann durch eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Anlagen auf alle geeigneten Standorte in Deutschland, eine Anhäufung von Windkraftanlagen vermieden und so die Akzeptanz bei den Bürgern erhalten werden. Dies gilt ebenso für den Ausbau von Stromtrassen für den Transport des Stroms von Nord nach Süd. Außerdem kann die Windenergienutzung in unterschiedlichen Regionen Deutschlands zu einem Lastausgleich durch sich regional unterscheidende Wetterlagen beitragen. Generell muss das Ziel sein, mit möglichst wenigen Windkraftanlagen und Übertragungsinfrastruktur die Stromversorgung sicherzustellen, um so den Natur- und Ressourcenverbrauch zu minimieren. Allerdings gestaltet sich die Suche nach geeigneten Standorten mit einem ausreichenden Windpotenzial und einem akzeptablen Turbulenzgrad bedingt durch die Orographie und Topographie Süddeutschlands (komplexes Gelände) sehr viel schwieriger als im Flachland. Windatlanten können hier nur einen ersten Anhaltspunkt liefern. In vielen Fällen ist jedoch ihre räumliche Auflösung viel zu gering. Meteorologische Messdaten sind sehr selten an potenziellen Windkraftstandorten verfügbar. Die Interpolation der Windsituation aus umliegenden Messstationen kann zu schlechten Korrelationen oder sogar irreführenden Informationen führen. Messungen mit meteorologischen Messmasten sind sehr teuer und in der Höhe begrenzt. Dabei ist es häufig nicht möglich, das gemessene Strömungsfeld in komplexem Gelände über der Höhe zu interpolieren, weil die atmosphärische Grenzschicht dort nicht vollständig ausgebildet ist. Ein innovativer Ansatz zur Lösung der Problematik ist die Verwendung von Simulationsmethoden zur Vorhersage des Windpotenzials. Diese Verfahren werden durch die stetig wachsenden Leistungen der Computer und die Verfügbarkeit von hochgenauen digitalen Höhen- und Landschaftsmodellen immer interessanter. Es gibt diesbezüglich ganz unterschiedliche physikalische Modellierungsansätze auf unterschiedlichen Detaillierungsgraden. Schwierigkeiten bereitet hier sehr häufig jedoch die Auswahl der geeigneten Modelle für die gegebenen Randbedingungen am zu untersuchenden Standort in Verbindung mit der dezidierten Fragestellung für die Projektierung der Windkraftanlagen. Grund ist eine fehlende Kosten-Nutzen-Analyse für die verfügbaren Modelle mit entsprechender Bewertung der Modellgenauigkeit. Ziel des Projekts ist deshalb, die Entwicklung eines für die Industrie geeigneten Prozesses mit dem allgemeingültig, schnell und objektiv Modelle zur Simulation der Windströmung an potenziellen Standorten von Windkraftanlagen ausgewählt werden können. Es soll dabei erreicht werden, ein Optimum aus Genauigkeit der Ergebnisse in Verbindung mit dem geringsten Berechnungsaufwand zu finden. Der Fokus liegt hierbei auf der Betrachtung von komplexem Gelände also auf hügeligen oder bergigen Windkraftstandorten mit heterogener Topographie durch verschiedene Landschaftsnutzung.
Das Projekt "Teilvorhaben: Simulation und Modellierung des Betriebs elektrischer Netze" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dortmund, Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft durchgeführt. Ziel des Projekts ist die Optimierung des Gesamtsystems zur Fernwärmeversorgung in Dortmund. Durch die Konzeptionierung eines multivalenten Wärmenetzes werden die Flexibilitäts- und CO2-Minderungspotenziale der lokalen Energieversorgung identifiziert und evaluiert. Die Kopplung der Wärmeversorgung mit dem Stromnetz und dem Mobilitätssektor bei Sicherung konkurrenzfähiger Wärmegestehungskosten steht im Fokus. Im Projekt erfolgt die Konzeptionierung, Simulation und Optimierung eines komplexen Netzverbundes bestehend aus dem Primärnetz, sekundären KWK-Wärmenetzen, einem LowEx-Wärmenetz und sekundären Kältenetzen. Das systemische Zusammenwirken von Gebäuden, Quartieren und der Energieinfrastruktur wird durch flexible Erzeugungstechnologien (KW(K)K und Power-to-Heat), Energiespeicher und Informations- und Kommunikationstechnik ermöglicht. Die Netztemperaturen werden auf der Quartiersebene abgesenkt, Lastspitzen dezentral gedeckt, sodass die Temperatur des Primärnetzes ebenfalls gesenkt werden kann. Dadurch und durch den dynamischen Netzbetrieb werden die Übertragungsverluste des Gesamtsystems reduziert und eine CO2-Minderung der Wärmversorgung um mehr als 70 % ermöglicht. Die Gesamtsystemsimulation und die Entwicklung einer zustandsorientierten Netzführung stellen wesentliche Maßnahmen im Projekt dar. Durch eine KWK-basierten Ladeinfrastruktur für E-Mobilität wird die Verzahnung der Energieinfrastruktur mit dem Mobilitätssektor erzielt. Zur zustandsorientierten Netzführung wird ein intelligentes Messsystem konzeptioniert. Des Weiteren wird die Integration erneuerbarer Energien in das Wärmenetz vorbereitet. Durch die Berücksichtigung der ausbaubaren Potenziale sollen weitere positive ökologische Effekte erzielt und die Nachhaltigkeit der Wärmeversorgung gesichert werden.
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