Ziele

Das zentrale Ziel des Forschungsprojektes ist es, technische und organisatorische Lösungen zu entwickeln, mittels derer Industriebetriebe als energieflexibles, aktives Regelelement zeitgleich Energiekosten einsparen und einen Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes liefern können. Aufgabe ist es, einen dynamischen, an die Netz- und Erzeugerkapazität angepassten Leistungsbezug der Fabrik zu realisieren, um das lokale Verteilnetz funktional zu stützen. Untersucht und entwickelt werden technische und organisatorische Systeme, um sowohl Wirk- als auch Blindleistungsflüsse bedarfsgerecht zu beeinflussen und die Versorgungsqualität sowie die Versorgungssicherheit innerhalb des Fabrik- und Campusnetzes zu erhöhen. Die Ziele des übergeordneten Energiemanagements untergliedern sich dabei in die folgenden vier Kategorien:

1

Optimierung von Leistungskosten

2

Optimierung von Arbeitskosten

3

Zusatzerlöse durch Systemdienstleistungen

4

Verbesserung der Netzqualität

Ziel 1
Optimierung von Leistungskosten

  • null

    Spitzenlastglättung

    Hohe Leistungsspitzen resultieren aus dem gleichzeitigen Betrieb großer Verbraucher und können im ungünstigsten Fall erhebliche Auswirkungen auf die Jahres- oder Monatsleistungskosten des Fabrikbetreibers haben und Pönale für Mehrleistung verursachen.

    Durch ein integriertes Lastmanagement unter Einbezug von dezentralen Erzeugern, Speichern und flexiblen Verbrauchern sollen Lastspitzen in der PHI-Factory signifikant geglättet und implizit die Leistungskosten drastisch reduziert werden. Ferner können Fluktuationen durch dezentrale, regenerative Erzeugungsanlagen ausgeglichen und die Möglichkeiten zum Ausgleich von Fahrplanabweichungen erhöht werden. Außerdem können die weniger belasteten energietechnischen Anlagen (z.B. Transformatoren) besser auf einen effizienten Arbeitspunkt dimensioniert und ggf. Neuinvestitionen in größere Betriebsmittel vermieden werden.

  • null

    Verbesserung von Lastgangprognosen

    Durch ein intelligentes Energiemanagement unter Einsatz flexibler Erzeuger und Speicher sowie mit verbesserten Prognosealgorithmen auf Basis von umfassenden Energie- und Betriebsdaten soll die Qualität von Lastgangprognosen signifikant erhöht werden.

    Auf diese Weise wird die Gefahr von Pönalen reduziert, die bei Über- oder Unterschreitung des vereinbarten Fabriklastganges häufig fällig werden. Zudem eröffnet dies die Chance auf günstigere Arbeitspreise, wenn engeren Leistungstoleranzen zugestimmt wird. Die verbesserten Lastgangprognosen ermöglichen es zudem den Netzbetreibern die Erzeugungsressourcen besser zu allokieren

Ziel 2
Optimierung von Arbeitskosten

  • null

    Energieeffiziente, bedarfsorientierte Energiebereitstellung

    Versorgungssysteme (z.B. Druckluft, Kälte/Wärme) werden häufig unabhängig vom tatsächlichen Bedarf auf einem definierten Sollwert geregelt. Produktionsanlagen verweilen zudem vielfach auch in Pausen- und Wartezeiten in einem betriebsbereiten Zustand. Diese Standby-Verluste machen einen nicht unerheblichen Energieverbrauch aus und stellen entsprechend einen relevanten Energiekostenanteil in der industriellen Produktion dar. Durch energieflexible Anlagen der Versorgungs- und Produktionstechnik lassen sich diese Systeme in der PHI-Factory bedarfsorientiert in verschiedene Energiemodi versetzen, sodass die Wirkarbeitskosten signifikant reduziert und die Energieeffizienz erhöht wird.

  • null

    Energiebeschaffungs- und Eigenverbrauchsoptimierung

    Vor dem Hintergrund volatiler Energiepreise an der Strombörse bzw. verschiedener Tarifzeiten können durch energieflexible Anlagen und Produktionsprozesse Strombedarfe unter Beachtung der Wechselwirkungen mit den Leistungskosten (s. Ziel 1) aus Hochpreisphasen in energetisch günstige Zeiten verschoben werden. Durch verschiedene Regelstufen soll dafür aktiv die elektrische Leistungsaufnahme der PHI-Factory beeinflusst werden.

    Ziel ist es, auf Basis von Energiepreisprognosen sowie Vorhersagen für den Verbrauch und die Eigenerzeugung den Energieeinkauf an der Strombörse gezielt zu optimieren. In diesem Zusammenhang werden im Rahmen des Projektes optimierte Betriebsstrategien der Anlagen und eine energieadaptive Produktionsplanung sowie die Ausnutzung von Arbitrageeffekten durch Preisdifferenzen an den Strombörsen (Intraday- und Day-Ahead-Markt) untersucht.

Ziel 3
Zusatzerlöse durch Systemdienstleistungen

  • null

    Regelleistung / Frequenzhaltung

    Häufig lassen sich Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) wie dezentrale Erzeuger, Speichersysteme, aber auch Lüftungsanlagen oder Kompressoren sowie ganze Produktionsprozesse in gewissen Grenzen flexibel betreiben. Die PHI-Factory soll einerseits Dienstleistung innerhalb des Werksnetzes anbieten, andererseits auch Systemdienstleistungen gegenüber dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (Netzbetreiber) bereitstellen. Durch die Teilnahme am Regelenergiemarkt (Demand Response) können diese energieflexiblen Potenziale vermarktet und ein Zusatzerlös generiert werden. Ziel der PHI-Factory ist es, die verschiedenen Flexibilitätspotenziale der TGA und Produktionsanlagen für die Regelleistung-Flexibilitätsmärkte (insbesondere Sekundärregelleistung und Minutenreserve) in Anlagenpools zu erschließen. Dafür gilt es die Energieflexibilitätsmaßnahmen adäquat technisch sowie ökonomisch zu bewerten, einen Marktzugang herzustellen und den Abruf der Flexibilitäten in die Betriebsstrategie und Leitsysteme zu implementieren.

  • null

    Spannungshaltung

    Durch die Möglichkeit  Blindleistung (kapazitiv/induktiv) zu erzeugen bzw. zu kompensieren (s. Ziel 4), ist es prinzipiell der Fabrik möglich, bei der Spannungshaltung im Verteilnetz zu unterstützen. Im Rahmen der PHI-Factory soll untersucht werden, welchen Einfluss eine dynamische Blindleistungsregelung zur Spannungshaltung auf das öffentliche Verteilnetz hat. Die Fabrik trägt auf diese Weise zur Stabilität des Netzes bei und kann sich diese Systemdienstleistung in Zukunft potenziell durch den Verteilnetzbetreiber vergüten lassen.

Ziel 4
Verbesserung der Netzqualität

  • null

    Dynamische Kompensation von Blindleistung

    Anlagen mit aktiven Netzwechselrichtern bieten das Potenzial, im Teillastbereich dynamisch Blindleistung (induktiv/kapazitiv) zu erzeugen. Da diese Netzpulsstromrichter auch während des Produktionsbetriebes häufig nur zu einem Bruchteil der Anschlussleistung ausgelastet sind, können die Zusatzfunktionalitäten ohne Einschränkungen im Betrieb und zumeist mit wenig Aufwand zur Verfügung gestellt werden.

    Durch eine dynamische Blindleistungskompensation vorhandener Netzwechselrichter soll die Verschiebungsblindleistung am Netzanschlusspunkt dynamisch auf cos φ größer 0,99 kompensiert oder bei externer Anforderung zur Spannungshaltung bereitgestellt werden.

    Durch die reduzierte Blindleistung werden Blindarbeitskosten vermieden und Auslastung des Versorgungsnetzes reduziert. Zudem können die weniger belasteten energietechnischen Anlagen (z.B. Transformatoren) besser auf einen effizienten Arbeitspunkt dimensioniert werden.

  • null

    Dynamische Kompensation von Oberschwingungen & Unsymmetrie

    Im Zuge der verstärkten informations-, kommunikations- und steuerungstechnischen Vernetzung der Produktion steigt die Anfälligkeit gegenüber Netzstörungen. Eine Vielzahl nicht-linearer Verbraucher, schaltbarer Lasten und aktiv einspeisender Systeme belasten jedoch zunehmend die Netzqualität.

    Durch eine Funktionserweiterung  vorhandener Netzwechselrichterin Produktions-, Speicher- und Erzeugeranlagen können Netzoberschwingungen und Netzunsymmetrien dynamisch kompensiert werden. Ziel ist es dabei, ohne hohe Investitionen in neue Leistungselektronik und ohne Beeinträchtigung des primären Nutzens der Anlagen, eine signifikante Verbesserung der fabrikinternen Versorgungsqualität zu erreichen.

  • null

    Erhöhung der Netzverfügbarkeit

    Für die PHI-Factory wird ein Notstromkonzept entwickelt, welches bei kurz- und mittelfristigen Netzeinbrüchen einen Inselbetrieb bis zu 1h ermöglicht. Durch die Priorisierung der Verbraucher und intelligente Regelung der Erzeugerleistung des hybriden Speichers und dezentraler Erzeuger können zu jedem Zeitpunkt kritische Prozesse und Komponenten versorgt werden. Eine Beschädigung sensibler Komponenten oder kostspieliger Produktionsausschuss kann dadurch effektiv vermieden werden.