Auslegung gekoppelter Energieversorgungssysteme in Fabriken mittels Simulation und Parametervariation 

Einleitung 

Die Erhöhung der Energieeffizienz und Nutzung erneuerbarer Energiequellen an Produktionsstandorten sind entscheidende Faktoren für die Energiewende im Bereich der industriellen Produktion. Bei der Planung und Umplanung von Produktions- und Fabriksystemen ist deshalb die Entwicklung von ganzheitlichen Energieversorgungskonzepten notwendig. Konkret bedeutet dies die übergreifende Auslegung von Elektroenergie-, Wärme-, Kälte- und Lüftungssystemen für Produktions- und Bürogebäude. In der Konzeptphase müssen deshalb verschiedene Optionen der Energiebereitstellung, -wandlung, -speicherung und -nutzung übergreifend und effizient technisch und wirtschaftlich bewertbar gemacht werden. Denn in diesem Schritt fallen wesentliche Entscheidungen für den späteren Planungsprozess in den einzelnen Gewerken. Des Weiteren stellt die energetische Flexibilisierung ein zu berücksichtigendes Kriterium bei der Anlagenauslegung dar. 

Gebäudemodellierung und Ermittlung des Energiebedarfes mit Solarcomputer 

Im Rahmen des Energieforschungsprojekts SynErgie wurde das Berechnungstool EnSekoPlan entwickelt, welches unter Anwendung von Parametervariation die techno-ökonomische Bewertung verschiedener Auslegungsoption ermöglicht. Als Untersuchungsobjekt wurde die Forschungsfabrik am Fraunhofer IWU in Chemnitz ausgewählt und innerhalb einer Masterarbeit betrachtet. Das Konzept von EnSekoPlan besteht aus vier wesentlichen Komponenten. Die erste Komponente ist die Erfassung der Eingangsdaten (Verbrauchsdaten, Energiekosten, Anlagenparameter, Unternehmensdaten) für den zu untersuchenden Betrachtungsbereich (z.B. Standort oder Produktionshalle). Die zweite Komponente umfasst die Berechnung sowie Simulation der Leistungsflüsse für eine definierte Variante der Auslegung (Anlagengröße). Hierfür wurden vereinfachte Modelle von elektrischen und thermischen Komponenten in Matlab erstellt (z.B. Blockheizkraftwerk, Batteriespeicher, PV-Anlage, Kompressionskältemaschine). Für die einzelnen Anlagen werden Wirkungsgradkennwerte bzw. Wirkungsgradkennlinien verwendet. Die Anlagenmodelle können zu einer Energieversorgungskonfiguration verschaltet sowie durch die Anlagenparameter aus dem ersten Baustein initial parametriert werden. Mit Hilfe der dritten Komponente werden mehrere Varianten der Auslegung durch Parametervariation unter Berücksichtigung eines gewählten Bereiches berechnet. Die vierte Komponente umfasst die Darstellung der Ergebnisse in Form von berechneten technischen und ökonomischen Kennwerten bzw. Kennwertgrafen.  

In Abbildung 1 ist ein vereinfachtes Systembild einer untersuchten Energieversorgungskonfiguration der Forschungsfabrik dargestellt. Schnittstellen zur Kopplung der elektrischen und thermischen Versorgung sind das Blockheizkraftwerk (BHKW) sowie der aus unterschiedlichen Kältemaschinen gespeiste Kältekreislauf. Der entwickelte Berechnungsalgorithmus ermittelt die elektrischen und thermischen Deckungsraten für mehrere tausend Auslegungskonfigurationen.  

Abbildung 1 Vereinfachtes Systembild des Energiekonzepts 

Abbildung 2 visualisiert beispielhafte Ergebnisse einer solchen Auslegung. Dem Anwender werden abschließend drei Optionen für die Auslegung empfohlen (Elektroenergie PE₁ bis PE₃, Wärmenergie PW₁ bis PW₃). Die Optionen unterscheiden sich hinsichtlich der Kosten und Energieflexibilität. Werden die geringsten Kosten gewünscht ist Option PE₁ bzw. PW₁ die beste Wahl. Wird eine höhere Energieflexibilität gefordert, zeigt sich PE₃ bzw. PW₃ durch das größere Speichervermögen am geeignetsten. Zukünftig ist angestrebt in das Planungswerkzeug Modelle für Wärmepumpen- und Brennstoffzellensysteme zu integrieren. Des Weiteren gehört die Entwicklung eines Benutzter-Interfaces zu den nächsten Schritten. 

Abbildung 2. Beispielhafte Simulationsergebnisse Elektroenergieanlagen mit Deckungsanteil und Anschaffungskosten 

Abbildung 3. Beispielhafte Simulationsergebnisse Wärmeenergieanlagen mit Deckungsanteil und Anschaffungskosten 

Weitere Ergebnisse und eine Validierung des Berechnungstools EnSekoPlan sollen für verschiedenste Fragestellungen erzielt werden. Kommen Sie daher gern mit Anwendungsfällen auf uns zu.