Neue Technologien für die Sektorenkopplung

Die intelligente Vernetzung, Steuerung und Opti­mie­rung der Strom-, Wärme- und Gas­ver­sorgung sind der Schlüssel für ein klima­neutrales Energie­system. Das Karls­ruher Institut für Techno­logie bietet eine einzig­artige Forschungs­infra­struktur, um neue Strategien und Techno­logien für die Sektoren­kopplung, kurz SEKO, trans­diszi­plinär im Technikums­maßstab zu entwickeln und zu erproben. Auf dem Weg zu einem neuen, ganz­heit­lichen Model­lierungs­system haben die Forscher erste Meilen­steine erreicht. Das Bundes­minis­terium für Bildung und Forschung stockt seine Förderung für das SEKO-Real­labor jetzt um zehn Millionen Euro auf insgesamt 16,5 Millionen Euro auf.

„Unser Ziel ist es, alle Energie­formen in einem Gesamt­modell zu betrachten und bedarfs­gerecht zu erzeugen, zu speichern und umzu­wandeln“, erläutert Joachim Knebel, am KIT Koordinator des Forschungs­vor­habens SEKO. In diesem Projekt werden neue, viel­ver­sprechende Rechen­modelle und -instrumente entwickelt. Sie ermöglichen es, nicht nur das Verhalten einzelner Komponenten wie Batterien, Gasturbinen, Elektrolyseure, Strom­richter oder Genera­toren in Echtzeit und auf der Basis realer Daten zu simulieren, sondern auch deren Zusammen­spiel im Kontext des zu erwartenden Bedarfs und der aktuellen Netz­kapazitäten. „Wir können in unserem Reallabor alle in Zukunft möglichen Prozesse und Pfade zur Energie­umwand­lung, von Power-to-X über Kraft-Wärme-Kopplung bis hin zu Geothermie­anwen­dungen, im Technikums­maßstab oder als digitalen Zwilling abbilden“, sagt Knebel.

Unter anderem ist es den Wissen­schaftlern gelungen, das thermische Verhalten von Gebäuden in einem einzigen Simulations­modell zusammen­zu­führen. Es ermöglicht Prognosen zum Wärme­verbrauch, zu den Bedarfen an Wärme und Kälte und zu den hieraus resultie­renden Belastungen des Strom-, Gas- und Wärmenetzes. Die hierfür notwendigen Daten lieferten die Muster­häuser des Living Lab Energy Campus LLEC mit Büro­gebäuden und Labor­hallen, die von Mitarbeitern des KIT im Realbetrieb genutzt werden und die gesamte Band­breite von Techno­logien zur Wärme- und Kälte­ver­sorgung abbilden. Ausge­wertet und weiter­ver­arbeitet wurden diese Daten im Energy Lab 2.0. Neben dem LLEC bildet es die zweite wichtige Säule der Infra­struktur für die SEKO-Forschungen. Mit dem Smart Energy System Simulation and Control Center umfasst das Energy Lab 2.0 neben einem Photo­voltaik-Feld, einem Groß­batterie­speicher, einem Gasturbinen­prüf­stand sowie Container­anlagen zur Methani­sierung und zur Power-to-Liquid-Synthese auch die zentrale Leitwarte für das Reallabor.

„SEKO ermöglicht uns, an einem neuen Model­lierungs­ansatz zu arbeiten, der die immer komplexer werdenden Szenarien für die Energie­versorgung in einem Gesamt­system erfasst“, betont Knebel. „Mithilfe eines solchen Modells können wir mögliche Trans­forma­tions­pfade mit dem Ziel Klima­neutra­lität bis 2045 beschreiben und bewerten“. Bislang fördert das BMBF im Rahmen von SEKO vier Teil­projekte mit einem Volumen von 6,5 Millionen Euro. Diese adres­sieren mit Blick auf die Sektoren­kopplung unter anderem die elek­trischen Verteil­netze, den Gebäude­wärme­sektor, Techno­logien zur Gasver­sorgung sowie Infor­mations- und Kommuni­kations­techno­logien für ein intel­li­gentes, stabiles und sicheres Energie­system.

Mit der Budgetauf­stockung können nun zwei weitere Arbeits­pakete starten, die zum einen auf die gebäude­inte­grierte CO2-Abscheidung und Umwandlung, zum anderen auf einen neu­rtigen Power-to-Liquid-Prozess fokus­sieren. Beim ersten Arbeits­aket stehen der System­entwurf, das Betriebs­verhalten und der Energie­bedarf einer neuen Generation von Klima- und Lüftungs­anlagen im Mittel­punkt, die Gebäude durch direkte Luft­filtration zu CO2-Senken machen könnten. Beim zweiten Arbeits­paket wird in einer Pilot­anlage erstmals ein inte­grierter Prozess validiert, der die Produktion von synthe­tischem Methanol aus CO2 von Biogas­anlagen oder Klär­werken sowie grünem Wasser­stoff aus der Elektrolyse synergetisch kombiniert.

Das Forschungs­vorhaben SEKO läuft inklusive der Aufstockung noch bis März 2023. Beteiligt sind seitens des KIT die Institute für Mikro­verfahrens­technik, für Automation und Angewandte Informatik, für Technische Chemie, für Elektro­energie­systeme und Hoch­spannungs­technik sowie für Technische Physik, das Elektro­technische Institut, das Licht­technische Institut und das Engler-Bunte-Institut.

KIT / RK

Weitere Infos

• Forschungsvorhabens SEKO, Karlsruher Institut für Technologie