Vernetzte Forschung für die Energiewende

Die Energie der Zukunft wird flexibel und vernetzt: Strom, Wärme und Kälte, Gase und Kraftstoffe bilden dann ein durch Informations­technik verknüpftes intelli­gentes Gesamt-Energie­system. Die Techno­logien dazu entwickeln das Karlsruhe Institut für Techno­logie KIT und seine Partner im Projekt Energy Lab 2.0, das von Bund und Land Baden-Württem­berg mit rund 22 Millionen Euro gefördert wird. Der erste Gebäude- und Labor­komplex des auf 20 Jahre angelegten Projektes wurde nun mit einem Spaten­stich auf den Weg gebracht.

„Das KIT leistet maßgeb­liche Beiträge zu den gesell­schaftlichen Heraus­forderungen in den Feldern Energie, Mobilität und Inform­ation“, sagt Holger Hanselka, Präsident des KIT und Vize­präsident der Helmholtz-Gemein­schaft für den Forschungs­bereich Energie. „Doch die Antworten auf die Zukunfts­fragen lassen sich nur an den Schnitt­stellen der Diszi­plinen finden. Genau hier – zwischen Energie und Information - setzt das KIT mit dem Energy Lab 2.0 an.“ „Die große Heraus­forderung der Energie­wende ist es, fluk­tuierende Energie­quellen so einzubinden, dass Energie bezahlbar und zuverl­ässig bleibt“, unter­streicht Joachim Knebel, der am KIT den Bereich „Maschinen­bau und Elektro­technik“ leitet. „Das Energy Lab 2.0 als „Reallabor“ und Simulations­plattform macht es möglich, neue Ansätze zur Integration unter­schiedlichster Techno­logien in das Energie­system zu erproben.“

Dafür werden erstmals größere Versuchs­anlagen zur Erzeug­ung erneuer­barer elek­trischer Energie, zur Speicherung und Um­wandlung in Gas, Kraft­stoffe und Wärme sowie zur Rück­verstromung chemischer Energie­träger mit­einander vernetzt. So lassen sich Entwürfe für ein zellu­lares, flexibles und intelli­gentes Gesamt­system zur Energie­versorgung ableiten und umfassend unter­suchen. Neben der Ver­knüpfung der elek­trischen, thermischen und che­mischen Energie­ströme und -speicher liegt das Haupt­augenmerk auf neuer Informa­tions- und Kommunikations­techno­logie zur Steuerung verknüpfter Energie­netze. Die Verknüpfung zu einem intelli­genten Gesamt­system geschieht dabei im „Smart Energy System Simulation and Control Center (SEnSiCC)“, für welches das neue Gebäude nun gebaut wird. Es entstehen rund 800 Quadrat­meter Expe­rimentier- und Labor­fläche.

Als Entwicklungs­umgebung für die Steuerung und Regelung lokaler intelli­genter Energie­systeme bietet das SEnSSiCC ein Experimen­tierfeld mit allen relevanten Kompo­nenten im Labor­maßstab. Hier können standardi­sierte aber auch ins­besondere kritische Betriebs­zustände studiert und Schulungen durch­geführt werden. Ein weiterer Bestand­teil ist ein Labor zum rea­listischen, aber sicheren Testen elek­trischer Betriebs­mittel in Echtzeit mit hoher elek­trischer Leistung. Im SEnSSiCC können außerdem mehr­skalige Energie­systeme verschiedener Energie­träger in direkter Kombi­nation erforscht und simu­liert werden. Das SEnSSiCC setzt sich aus vier Teil­projekten zusammen.

Das „Power-Hardware in the Loop (PHIL) System“ kann einzelne reale elek­trische Kompo­nenten bis ein MVA Leistung wie Trafos, Wechsel­richter oder Strom­begrenzer in einem simu­lierten, komplexen elek­trischen Netz mitsamt ihrer Rück­wirkung testen. Auch könnte ein realer Generator wie etwa ein Solar­zellenmodul einen vir­tuellen Akku eines Elektro­autos laden oder ein simu­liertes Wohn­gebiet versorgen. Das „Smart Energy System Control Labora­tory“ wird Energie­netze im Leistungs­bereich von 100 bis 200 kVA am Rand der Stabilität untersuchen. Es enthält reale Maschinen, Geräte und Anlagen, um Stromnetze mit Wärmenetzen zu verbinden, etwa Wärmepumpen, Elektroheizungen, gasbe­triebene Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen bis hin zu Gleich­strom­motoren und intelli­genten Haus­geräten.

Das Teil­projekt „Leit­stellen und Control Center“ (Control, Moni­toring and Visua­lisation Center, LCC) ist schließlich für den Aufbau des Leit­stellen­systems zum grund­sätzlichen Moni­toring und zur Betriebs­unterstützung der Anlagen im Energy Lab 2.0 sowie für die Er­forschung neuar­tiger Planungs- und Optimierungs­tools für den Betrieb und die Planung von „Smart Grid“-Gesamt­lösungen zuständig. Im Teil­projekt „Model­lierung, Simu­lation und Opti­mierung“ (Energy Grids Simulation and Analysis Labora­tory) werden ablauf­fähige Software­modelle für energie­technische Anlagen und kom­plexere Smart Grids entwickelt.

Die Finan­zierung des Gebäudes erfolgt durch die insti­tutionellen Förder­gelder des BMBF mit 1,4 Millionen Euro und des MWK mit 0,6 Millionen Euro im Rahmen des Projektes Energy Lab 2.0. Von der gesamten Investitions­summe mit 22 Millionen Euro werden 16,75 Millionen Euro am KIT inves­tiert. Die Helmholtz-Gemein­schaft bringt insgesamt 15 Millionen Euro in das Energy Lab 2.0 ein. Mit drei Millionen Euro fördert das Land Baden-Württem­berg das Energy Lab 2.0. Das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter­stützt das Projekt mit zusätz­lichen 2,5 Millionen Euro, das Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit 1,5 Millionen Euro. Das Energy Lab 2.0 ist für einen Betrieb über 20 Jahre ausgelegt.

KIT / JOL