Verbundprojekt "Nachhaltige dezentrale Stromerzeugung"

Dezentrale Multi-Energy-Hub-Systeme (MES) sind eine vielversprechende Lösung, um die Herausforderungen bei der Umsetzung der Energiestrategie 2050 zu bewältigen; etwa die Integration einer dezentralen Energieerzeugung bei täglichen und saisonalen Last- und Produktionsschwankungen. Die optimale Gestaltung und Steuerung dieser Systeme wird jedoch durch die Interaktion verschiedener Aspekte erschwert: (i) die Modellierung des aktuellen und künftigen Energiebedarfs von Gebäuden und das Potenzial an erneuerbaren Ressourcen; (ii) die Leistungssimulation der berücksichtigten Technologien und die Prognose der technisch-wirtschaftlichen Entwicklung; (iii) die kurz- und langfristige Dynamik bei Speichertechnologien; (iv) kurz- und langfristige Unsicherheiten hinsichtlich der Qualität von Input-Daten; (v) politische Rahmenbedingungen und gesellschaftliche Akzeptanz.

Das Ziel des IMES-Projekts bestand darin, eine allgemeine integrale Methodik zu entwickeln, die mehrere Aspekte berücksichtigt – von der Minimierung der wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen von MES in der Entwicklungs- und Regelungsphase bis zur Evaluation der wesentlichen technisch-wirtschaftlichen Faktoren und der gesellschaftlichen Hürden. Ausserdem galt es, im Rahmen des Projekts Richtlinien für die Entwicklung und Verbreitung von MES zu formulieren, die erneuerbare Energiequellen, erdgasbasierte mikro-Wärme-Kraft-Kopplung (mCHP), wasserstoffbasierte Technologien sowie kurz- und langfristige Energiespeicher einbeziehen.

Der hier entwickelte umfassende Ansatz diente der optimalen Auslegung und Steuerung der MES für zwei Schweizer Fallstudien im ländlichen Dorf Zernez (GR) und im urban geprägten Altstetten (ZH). Für beide Fallstudien wurden das optimale Technologieportfolio und die optimale Regelungsstrategie festgelegt, um den Strom- und Wärmebedarf bei möglichst geringen jährlichen Gesamtkosten und CO2-Emissionen des Energiesystems zu decken. Zudem prüfte das Projektteam die Auswirkungen der Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien und möglicher Veränderungen beim Energiebedarf, um die Ziele der Energiestrategie 2050 in verschiedenen technischen und wirtschaftlichen MES-Szenarien von heute bis zum Jahr 2050 zu erreichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Umgebungen auch unterschiedliche MES benötigen. Insbesondere die Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien und der Energiebedarf sind massgeblich für optimale Gestaltungs- und Regelungsstrategien. Im Hinblick auf die Ziele der Energiestrategie 2050 sollten sowohl die Nachrüstung von Gebäuden als auch die Integration erneuerbarer Energien weiterverfolgt werden. Die hohe Verfügbarkeit erneuerbarer Energien ist auch der Hauptantrieb für die Installation von langfristigen Energiespeichern. Darüber hinaus ist das Forschungsteam zum Schluss gelangt, dass die bisherigen Technologieannahmen bei der Analyse von MES zu unrealistischen und möglicherweise nicht machbaren Lösungen führen. Deshalb stützt sich diese Arbeit auf praxisnähere Modelle zur Beschreibung der Eigenschaften von Blockheizkraftwerken (BHKW) und Power-to-Gas-Technologien (P2G). Damit konnten der Wirkungsgrad für die Umwandlung von Wärme in Elektrizität und die Umwandlungsdynamik als relevanteste technische Parameter für die Entwicklung und Verbreitung der Wärme-Kraft-Kopplung mit Brennstoffzellen-Technologien identifiziert werden. Ausserdem zeigen die Ergebnisse, dass zuverlässige und verteilte Steuerungsansätze sowie Netzwerkeinschränkungen zu berücksichtigen sind, um die Zufriedenheit und die Privatsphäre der Kunden zu gewährleisten. Schliesslich ergab eine Analyse der gesellschaftlichen Akzeptanz eine positive Haltung gegenüber MES, allerdings bestehen gewisse Hürden hinsichtlich Eigentum, Modellen und Finanzierungsmechanismen. .

Bedeutung für die Forschung

Die entwickelte Methodologie verbessert den aktuellen Stand der Technik bei der Ausgestaltung, Steuerung und Bewertung von MES durch (i) Verbesserung der aktuellen Techniken zur Beschreibung der Leistung von mCHP-Einheiten und P2G-Technologien im Rahmen von MES; (ii) Bestimmung der relevantesten technischen und wirtschaftlichen Parameter für die Entwicklung und Verbreitung der Wärme-Kraft-Kopplung mit Brennstoffzellen; (iii) Entwicklung von Aggregationsmethoden mit Zeitreihen zur Integration saisonaler Energiespeicher in MES bei geringer Rechenkomplexität; (iv) Entwicklung neuer Regelungsstrategien, um MES unter Berücksichtigung der Datenunsicherheit und der Privatsphäre der Kunden zu betreiben; (v) Beurteilung des wirtschaftlichen und ökologischen Potenzials von Lösungen zur Selbstversorgung und Vergleich mit Netzlösungen. Alle diese Optimierungen betreffen aktuelle Forschungsfragen und bieten Optionen für weiterführende Forschungsarbeiten in den entsprechenden Gebieten.

Bedeutung für die Praxis

Umgesetzt wurde dieser Forschungsansatz in der Praxis, indem MES entwickelt wurden, die elektrische und thermische Energie für Zernez (GR) und Altstetten (ZH) liefern. Zu diesem Zweck wurden Gespräche mit den beteiligten Akteuren (z.B. Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz), Energie 360°, Energia Engiadina) geführt, die dazu dienten, Input-Daten und Hypothesen zu sammeln und zu validieren und Hürden abzubauen, die der Implementierung von MES in der heutigen Realität im Weg stehen. Ausserdem wurden eine Umfrage und eine Gruppendiskussion durchgeführt, um die Ansichten der Bevölkerung zu MES in Erfahrung zu bringen.

Die im Rahmen des Projekts IMES entwickelte Methode lässt sich grundsätzlich auf jede Fallstudie anwenden, sofern die erforderlichen Inputdaten verfügbar sind. Derzeit laufen bereits Gespräche zur Anwendung des Ansatzes auf das Energienetz beim Campus der ETH Zürich Hönggerberg.

Integration of sustainable multi-energy-hub systems at neighbourhood scale (IMES)

Zu diesem Verbund gehören folgende fünf Forschungsprojekte

Integration of sustainable Multi-Energy-hub Systems from the Building Performance perspective (IMES-BP)

• Dr. Kristina Orehounig, EMPA Dübendorf; Prof. Jan Carmeliet, Herr Viktor Dorer, Dr. Ralph Evins, Prof. Matthias Sulzer

Technical evaluation of multi-energy-hub systems integration at neighbourhood scale (IMES-TEC)

• Prof. Marco Mazzotti, Institut für Verfahrenstechnik, ETH Zürich; Dr. Ndaona Chokani, Prof. Reza Abhari

Economic assessment of multi-energy-hub systems integration at neighbourhood scale (IMES-ECO)

• Prof. Volker Hoffmann, Departement Management, Technologie und Ökonomie, ETH Zürich

Integration of sustainable multi-energy-hub systems from the system control perspective (IMES-SC)

• Dr. Turhan Hilmi Demiray, Forschungsstelle Energienetze, ETH Zürich; Prof. Roy Smith

Integration of sustainable multi-energy-hub systems from a societal perspective (IMES-SE)

• Dr. Pius Krütli, Transdisciplinarity Lab - USYS TdLab, Departement Umweltsystemwissenschaften, ETH Zürich