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Klimaneutrale Produktionsinfrastruktur

Wärme- und Kälteversorgungssysteme weisen mit 76 % den größten Anteil am industriellen Endenergiebedarf in Deutschland auf, wobei über 70 % dieses Bedarfs mit fossilen Energieträgern gedeckt werden. Sie sind damit das Schlüsselelement der Produktionsinfrastruktur und die Grundvoraussetzung für die klimaneutrale Produktion der Zukunft. Aus diesem Grund beschäftigt sich der gleichnamige Forschungsschwerpunkt mit den folgenden Themenfeldern.

1 | Modellbasierte Planung


Die wesentlichen Stellhebel auf dem Weg zu einer klimaneutralen Produktionsinfrastruktur bestehen in der Planungsphase, da in dieser Phase elementare Entscheidungen über Systemtopologie, Technologieauswahl und Regelstrategie getroffen werden. Hierfür werden im Schwerpunkt modellbasierte Ansätze durch dynamische Simulation und mathematische Optimierung erforscht. Die Entwicklung digitaler Planungstools unterstützt dabei die Bewertung techno-ökonomischer und ökologischer Kriterien bei der Neu- und Bestandsplanung von Produktionsinfrastruktursystemen. Im Zentrum steht dabei die (Weiter-)Entwicklung eines virtuellen Abbilds der gesamten Versorgungs- und Gebäudetechnik der ETA-Fabrik. Durch die Integration von Daten, Algorithmen und Services, welche in den angrenzenden Schwerpunkten erarbeitet werden, wird das Ziel eines vollständigen digitalen Zwillings verfolgt.

2 | Technologiebenchmarking


Die Umsetzung einer klimaneutralen Produktionsinfrastruktur kann nur mithilfe von ausgewählten und innovativen Technologieformen gelingen. Sowohl für die Planung von neuen Systemen als auch für die nachträgliche Befähigung von bestehenden Anlagen muss der Markt nach passenden Technologien untersucht und die Ergebnisse entsprechend einer gemeinsamen Zielvorgabe verglichen und bewertet werden. Die Zielvorgabe ist hierbei meist die Erfüllung einer bestimmten Funktion. Die Zielgrößen werden im Schwerpunkt der klimaneutralen Produktionsinfrastruktur hauptsächlich in Bezug auf Energieeffizienz oder Energieflexibilität verglichen und bewertet.

3 | Topologieplanung


Neben der Auswahl geeigneter Erzeuger- und Speichertechnologien ist die Topologieplanung von Produktionsinfrastruktursystemen vor dem Hintergrund der Klimaneutralität von entscheidender Bedeutung. Hierbei beeinflussen Grundsatzentscheidungen wie Zentralität oder Dezentralität sowohl ökologische, ökonomische als auch technische Kriterien. Im Schwerpunkt wird erforscht, welche Topologievarianten im jeweiligen Anwendungsfall entsprechend den oben genannten Kriterien geeignet sind. Modellbasierte Ansätze unterstützen hierbei bei der Bewertung der Effizienz und Flexibilität, der Wirtschaftlichkeit sowie der Resilienz des Systems.

4 | Multimodale Vernetzung


Um das Zielbild einer klimaneutralen Produktionsinfrastruktur zu erreichen, ist der rationelle Umgang mit der Ressource Energie von zentraler Bedeutung. Hierbei steht die Nutzung emissionsarmer Energieformen wie industrieller Abwärme sowie erneuerbarer Energien im Vordergrund. Auf der Ebene des Produktionsstandortes müssen Maßnahmen erfolgen, welche es ermöglichen, diese Energieformen Verbrauchern zur Verfügung zu stellen. Gleichermaßen erfordert das Zielbild der Klimaneutralität eine Abkehr von isolierten Betrachtungen des industriellen Sektors, hin zu einer Betrachtung als integraler Bestandteil des Gesamtenergiesystems. Beispielhafte Forschungsfelder des Schwerpunktes sind hierbei die Kopplung von Produktionsstandorten mit regionalen Wärmenetzen sowie Maßnahmen zum netzdienlichen Betrieb der elektrischen Infrastruktur.

5 | Regelbasierte Betriebsstrategien


Neben dem Technologieportfolio sowie der Verteilsystemtopologie ist die Betriebsstrategie von zentraler Bedeutung zum energieoptimierten Betrieb von Versorgungssystemen. Im Schwerpunkt liegt der Fokus dabei auf der Entwicklung regelbasierter und modularer Betriebsstrategien, welche zunächst konzeptioniert, in Simulationsstudien getestet (bspw. HiL-Simulation) und anschließend für die realen Anlagen implementiert werden. Insbesondere Versorgungssysteme mit komplexen Prosumer-Strukturen, welche für ein klimaneutrale Produktionsinfrastruktur unverzichtbar sind, erfordern erweiterbare und resiliente Betriebsstrategien, was ein zentrales Forschungsthema bei der Programmentwicklung darstellt.

Überblick

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