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Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben Begleitung des Vorhabens, Praxisumsetzung und Wissenstransfer

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverlusten sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B. Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW-lnstandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, Kl-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen sollen sowohl ein modellprädiktiver als auch ein Kl-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Begleitung des Vorhabens, Praxisumsetzung und Wissenstransfer Im Rahmen dieses Teilvorhabens begleitet der AGFW die forschenden Verbundpartner und unterstützt die Umsetzungen der entwickelten Ansätze und Verfahren in der Praxis. Der Beitrag des Branchenverbands umfasst die Einbringung von zusätzlicher Messtechnik, die Durchführung von Messungen, die Begleitung bei der Dokumentation und die Veröffentlichung der Ergebnisse sowie die Verbreitung der Forschungsergebnisse in der Fernwärmebranche. Weiterhin prüft der AGFW eine Einbindung in eine bestehende Umgebung zur Verfügung und führt Veranstaltungen für die Zielgruppe durch.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Realisierung und Erprobung

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW-Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Hard-/Softwaretechnische Umsetzung und Praxiserprobung Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden die von den forschenden Verbundpartnern entwickelten Ansätze und Verfahren zur Praxistauglichkeit gebracht und in realen Anlagen erprobt. Dies umfasst sowohl die Unterstützung der Verbundpartner bei den Entwicklungsarbeiten mit Expertenwissen zu Fernwärme- und Kältenetzen als auch die Bereitstellung von Netz- und Betriebsdaten, wie beispielsweise Messdaten zu Druck, Durchfluss oder Temperatur. Weiterhin muss die für den Betrieb der entwickelten Ansätze erforderliche Hard- und Softwareinfrastruktur geschaffen und bereitgestellt werden.

Energieforschungsplan EVUPLAN, Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpen - energieeffizient und hygienisch unbedenklich

Wärmepumpen haben sich in nahezu allen Szenarien als Schlüsseltechnik für Dekarbonisierung des Gebäudebestandes erwiesen. Eine besondere Herausforderung ist die energieeffiziente Trinkwassererwärmung, insbesondere in größeren Gebäuden mit zentraler Warmwasserversorgung. Der Zielkonflikt zwischen Klimaschutz/Energieeffizienz (niedrige Vorlauftemperaturen) und hygienischen Anforderungen (z.B. Legionellenprävention) führt zu Restriktionen, die den effizienten Betrieb von Wärmepumpen beeinträchtigen können. Das Projekt zielt darauf ab, technische, wirtschaftliche und rechtliche Lösungen für diesen Konflikt zu erarbeiten und zielkompatible Lösungswege (technisches Regelwerk, Genehmigungsverfahren) zu beschreiben. Im Projekt sollen technische Lösungen aufgezeigt werden, wie die Wärmepumpe entlastet werden kann, indem effiziente Lösungen für die höheren Trinkwassertemperaturen (inkl. dezentrale Lösungen) und Legionellenproblematik gefunden werden. Zudem sollte die Wirtschaftlichkeit und die Folgekosten im Betrieb solcher Alternativer untersucht werden (Filter, Stromverbrauch, auch durch Desinfektion etc.). Der Schwerpunkt der Untersuchung soll auf Mehrfamilienhäusern und anderen Gebäuden mit zentraler Trinkwassererwärmung (z.B. Hotels) liegen. Dabei soll im Vorhaben zwischen Neubauten und Bestandsgebäuden unterschieden werden, wobei letztere stärkeren technischen Restriktionen unterliegen, die nicht immer vollständig aufgelöst werden können. Für eine festzulegende Anzahl von Beispielfällen werden dynamische Thermosimulationen durchgeführt und - soweit möglich - mit Praxiserfahrungen abgeglichen. Zusätzlich erfolgt eine trinkwasserhygienische Einordnung dieser Lösungen und - soweit möglich und im jeweiligen Zusammenhang sinnvoll - ergänzende analytische Untersuchungen zur Trinkwasserhygiene. Grundlagen sind aktuelle Forschungsprojekte (z.B. EE+Hyg@TWI, UltraF) und innovative technische Entwicklungen (z.B. Hochtemperatur-Wärmepumpen mit Propan oder CO2 (Text gekürzt)

Untersuchung effizienter Einbindungsmöglichkeiten von Hochtemperaturwärmepumpen in Bestandsfernwärmenetze mit Vorlauftemperaturen von typischerweise über 120 Grad Celsius

Zur Erreichung der Klimaziele 2045 der Bundesregierung und der damit verbundenen weitreichenden Dekarbonisierung der Wärmeversorgung spielt die Fernwärmeversorgung eine Schlüsselrolle. Vor dem Hintergrund der Emissionsvermeidung und der gleichzeitigen Steigerung der Versorgungssicherheit der Wärmeversorgung sollen im Forschungsvorhaben HeatSHIFT effiziente Einbindungsmöglichkeiten von Hochtemperaturwärmepumpen in Fernwärmenetze untersucht werden. Der Fokus der Analysen liegt dabei auf Bestandsfernwärmenetzen mit hohen Vorlauftemperaturen von 120 Grad Celsius und höher. Kernziel des Projektes ist die systematische Untersuchung und technische sowie wirtschaftliche Bewertung des Einsatzes der Hochtemperaturwärmepumpen mittels Prozesssimulation unter Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmequellen und verschiedener Hochtemperaturwärmepumpentechnologien. Dazu werden auf Basis der Daten der beteiligten Partner realitätsnahe Prozesssimulationsmodelle von Hochtemperaturwärmepumpen sowie von KWK-Kraftwerken (insbesondere Biomasse- und Müllheizkraftwerke) erstellt und kombiniert. Auf Basis der validierten Prozesssimulationsmodelle erfolgt eine Optimierung der Einbindung der Hochtemperaturwärmepumpen sowie eine Bewertung der Wirtschaftlichkeit. Zudem soll ein vereinfachtes Tool zur Erstauslegung des Hochtemperaturwärmepumpeneinsatzes für Fernwärmeversorger erstellt werden.

Grossflaechige Betonheizkoerper - Nachauftrag

Die hergestellten textilen Heizregister (Silikonschlaeuche, eingewirkt in eine textile Matte, die als Abstandshalter und Bewehrung wirken soll) sind als grossflaechige beheizbare Betonfertigteile zu komplettieren. Es sind Varianten in Normal- und Leichtbeton herzustellen. Die Betonheizkoerper koennen mit vergleichsweisen niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden, wenn sie z.B als grossflaechige vorgesetzte Innenwand installiert werden. Die Betonheizkoerper wurden gefertigt. Eine Gewichtsreduzierung um 30 Prozent konnte durch Fertigung mittels Leichtbeton erreicht werden. Durch Kassettierung wurden weitere Massereduzierungen realisiert.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Netzregelungskenngrößen Energieeffizienz und Lebensdauer

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zum Erreichen dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverlusten sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW-Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Alterung und Stressfaktoren Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden Algorithmen zur Ermittlung von Alterungseffekten und Stressfaktoren in Wärme- und Kältenetzen entwickelt. Dabei sollen sowohl vorhandene Messdaten verwendet als auch neue, innovative Messkonzepte entwickelt werden, um eine möglichst genaue Lebensdauervorhersage treffen zu können. Um in Echtzeit eine Lebensdauerbewertung durchführen zu können, kommen und A. KI-basiert Verfahren zum Einsatz. Die entwickelten Ansätze sollen zudem in ein thermo-hydraulisches Netzmodell integriert werden, sodass dieses im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung zur Effizienz- und Lebensdaueroptimierung verwendet werden kann.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten, Teilvorhaben: Optimale Netzregelung

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW- Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Physikalische Modellierung und Regelungsentwurf Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden bestehende Netzmodelle zur hydraulischen Simulation von Fernwärmenetzen um thermische Komponenten (Temperaturverläufe, Energieverluste) erweitert. Zudem wird das Simulationsmodell für die Verwendung im Rahmen modellprädiktiver Regelungen angepasst, welche ebenfalls in diesem Teilvorhaben entwickelt und implementiert werden soll. Neben dem modellprädiktiven Ansatz werden die vorhandenen Messdaten verwendet, um den KI-basierten Ansatz zu trainieren. Die beiden Ansätze sollen abschließend beim Projektpartner Stadtwerke München implementiert und ausgiebig getestet werden.

Energieeffizienzbasierte Regelung von dezentral gespeisten Wärme- und Kältenetzen unter Berücksichtigung von Lebensdauereffekten

Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zur Erreichung dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverluste sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW- Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Physikalische Modellierung und Regelungsentwurf Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden bestehende Netzmodelle zur hydraulischen Simulation von Fernwärmenetzen um thermische Komponenten (Temperaturverläufe, Energieverluste) erweitert. Zudem wird das Simulationsmodell für die Verwendung im Rahmen modellprädiktiver Regelungen angepasst, welche ebenfalls in diesem Teilvorhaben entwickelt und implementiert werden soll. Neben dem modellprädiktiven Ansatz werden die vorhandenen Messdaten verwendet, um den KI-basierten Ansatz zu trainieren. Die beiden Ansätze sollen abschließend beim Projektpartner Stadtwerke München implementiert und ausgiebig getestet werden.

Optimierung von Energiesystemen unter Verwendung bilinearer Nebenbedingungen, Teilvorhaben: Entwicklung problembezogener Methoden für die Energiesystemoptimierung mit bilinearen Termen

In der Energiesystemanalyse, -planung und -optimierung sind gute Modelle der Systeme wichtig, um die Auswirkungen von Investitionsentscheidungen und Betriebsstrategien möglichst genau vorhersagen zu können. Für Optimierungsmodelle kommunaler und industrieller Systeme, welche oft Sektorkopplungen und Ganzjahresbetrachtungen beinhalten, hat sich als Stand der Technik wegen guter Konvergenz und geringer Rechenzeit das Mixed Integer Linear Programming (MILP) etabliert. Dieses hat einen entscheidenden Nachteil: Durch die überwiegend linear zu formulierenden Modellgleichungen können temperatursensitive Systeme nicht hinreichend genau abgebildet werden. Temperaturabhängige Wirkungsgrade (z.B. von Wärmepumpen) oder Temperaturanforderungen in Systemen mit Erzeugern unterschiedlicher Vorlauftemperaturen (Pooling-Probleme) werden bislang nur auf Umwegen und unter großen Vereinfachungen berücksichtigt. Überwiegend können diese Probleme mit bilinearen Termen formuliert werden, welche in diesem Projektvorhaben mit dem Algorithmus des Mixed Integer Quadratic Constraint Programming (MIQCP) gelöst werden sollen. Um trotzdem geringe Rechenzeiten und das Lösen auch komplexer Energiesysteme zu ermöglichen, müssen mathematisch günstige Formulierungen für die Modellgleichungen gefunden werden. Hier setzt das Teilvorhaben der GFaI an: das Auffinden der vorteilhaftesten Formulierungen je Problemstellung und die Entwicklung von geeigneten Algorithmen, um diese Umformulierungen möglichst generisch zu vollziehen. Durch die Entwicklung dieser Algorithmen soll die Lösbarkeit bilinearer Problemstellungen für eine breite Anwendung nutzbar gemacht werden und die Verwendung von MIQCP in der Energiesystemoptimierung etabliert werden.

COHP: Aufbau eines Niedertemperatur-Warmwassersystems mit 45 Grad Celsius Vorlauftemperatur aus industrieller Abwärme

Die Roche-Gruppe mit Hauptsitz in Basel, Schweiz, betreibt am Standort im oberbayrischen Penzberg auf einer Fläche von 590.000 Quadratmetern (83 Fußballfeldern) eines der größten Biotechnologie-Zentren Europas mit ca. 7.500 Mitarbeitenden. Hier werden für den Weltmarkt diagnostische Proteine, Reagenzien und Einsatzstoffe sowie therapeutische Proteine biotechnologisch hergestellt. Das Unternehmen beabsichtigt mit diesem Projekt, seine Wärmeversorgung am Standort Penzberg zukünftig CO 2 -frei zu gestalten und unabhängig von fossilen Energieträgern zu werden. Derzeit erfolgt die Wärmeversorgung über die drei Verteilungsnetze Dampfnetz, Nahwärmenetz mit 90/70 Grad Celsius und Wärmerückgewinnungsnetz (WRG-Netz) mit 20/30 Grad Celsius, wobei die Versorgung des Dampf- und Nahwärmenetzes noch vollständig auf Erdgas basiert. Dieses wird in verschiedenen BHKWs und Dampfkesseln eingesetzt, um das gesamte Werk zu versorgen. Nunmehr soll das bestehende WRG-Netz zwar weiterverwendet, jedoch zu einem NT45 Netz (NiederTemperaturNetz, 45 Grad Celsius Vorlauftemperatur) umgebaut werden, um auf Grundlage des höheren Temperaturniveaus nun auch Gebäude beheizen und die bestehende Dampf-Luftbefeuchtung durch Wasserbefeuchtung ersetzen zu können. Die Temperaturerhöhung von 30 Grad Celsius (des Wassers aus dem WRG-Netz) auf 45 Grad Celsius erfolgt mittels Wärmepumpen, die als Wärmequelle vorhandene Abwärmepotenziale (Prozesswärme) des Werks einsetzen. Dazu werden von den bestehenden Kältemaschinen zwei zusätzlich für die Nutzung als Wärmepumpen umgebaut und können in beiden Funktionen betrieben werden. Die Wärmepumpen werden mit 100 Prozent (zertifiziertem) Grünstrom betrieben. Mit dem NT45-Netz werden die Gebäude mit Niedertemperatur  versorgt, die bisher mit Erdgas beheizt wurden. Des Weiteren setzt der Standort bei raumlufttechnischen Anlagen auf Wasserbefeuchtung statt Dampfbefeuchtung. Die Temperierung der Luft erfolgt ebenso mit dem Niedertemperaturmedium. Der COP (“Coefficient of Performance” - Heizleistung je elektrische Antriebsleistung) von sieben und mehr ist erheblich größer als bei standardisierten Wärmepumpen, die einen COP von drei bis fünf haben. Durch die Nutzung der Abwärme wird zusätzlich der Einsatz von Kühltürmen minimiert, woraus sich Einsparungen von Wasser (36.000 Kubikmeter/Jahr), Strom (18.200 Megawattstunden/Jahr) und Bioziden ergeben. Die jährlichen CO 2 -Einsparungen liegen für 2023 bis 2025 bei 1.737 Tonnen CO 2 , steigern sich dann bis 2029 um weitere 2.171 Tonnen CO 2 , so dass diese dann ab 2030 insgesamt bei 3.908 Tonnen CO 2 liegen werden. Diese Größenordnungen zeigen, welche Potenziale in der Nutzung von Prozesswärme liegen. Branche: Chemische und pharmazeutische Erzeugnisse, Gummi- und Kunststoffwaren Umweltbereich: Klimaschutz Fördernehmer: Roche Diagnostics GmbH Bundesland: Bayern Laufzeit: seit 2022 Status: Laufend

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