Forschungsziel: Smart Energy für Zweckgebäude

Das Karlsruher Institut für Technologie, kurz KIT, ist eine Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft. Mit rund 10 000 Mitarbeitern ist es eine der größten Wissenschaftseinrichtungen Europas. Prof. Dr.-Ing. Thomas Leibfried, der Leiter des Instituts für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik, beschreibt die Besonderheit des Standorts: „Das KIT ist sowohl Universität als auch Helmholtz-Zentrum. Die Helmholtz-Gemeinschaft betreibt Großforschung und versucht, gesellschaftliche Probleme zu lösen, etwa die Energiewende. Wir sind der Universitätsteil, also vorwiegend für die Lehre zuständig. Beide Institutionen sind jedoch eng verwoben.“

Vom Haus zum Gebäude

T. Leibfried forscht schon seit vielen Jahren zum effizienten Energieeinsatz in Gebäuden. Ein erstes Projekt war das Energy Smart Home Lab (ESHL), ein Container mit einer 60 m2 großen Wohnung, die zeitweise wie eine ganz gewöhnliche Immobilie genutzt wird. Dazu gehört eine Photovoltaikanlage, ein Blockheizkraftwerk, ein Heimspeicher, eine Wärmepumpe und die üblichen Haushaltsgeräte. Unter realen Bedingungen kann hier der Energieverbrauch eines Haushalts gemessen und die Auswirkungen auf das Stromnetz untersucht werden. Das Projekt ist inzwischen gut erforscht.

Der logische nächste Schritt war eine große, gewerblich genutzte Immobilie, wie ein Bürogebäude. Was war naheliegender als das eigene Institut zu nutzen? Unter dem Projektnamen Smart Energy Office Building (SEOB) sollte es zum smarten Gebäude werden. Mit Büros, Werkstätten, Prüftechnik und Prüfhallen für Experimente bietet es ein vielfältiges Spektrum an Verbrauchern mit einem entsprechend hohen Energiebedarf, der zukünftig möglichst ressourcenschonend gedeckt werden soll. M. Sc. Daniela Eser betreut als wissenschaftliche Mitarbeiterin die Messtechnik des Projekts. Sie beschreibt den grundsätzlichen Lösungsansatz: „Ziel von Smart-Building-Systemen ist, die Autarkie des Gebäudes zu steigern. Das heißt, den Selbstverbrauch maximieren und das Netz möglichst wenig belasten. Dazu gibt es zwei Wege: Insgesamt weniger Energie vom Netz zu beziehen oder die Zeitpunkte der Netzbelastung abzustimmen. Dafür wollen wir eine intelligente Ansteuerung für alle Komponenten finden. Wir könnten das zwar simulieren, aber unser Gebäude als Reallabor ist der Simulation letztlich überlegen. Das liegt in der Natur der Sache.“

Simuliertes Netz trifft auf reale Verbraucher

An dieser Stelle muss eine Besonderheit des Projekts beschrieben werden. Das Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) ist eine Echtzeit-Simulationsumgebung. Reale Anlagen werden zum Testen mit einem in Echtzeit simulierten Stromnetz verbunden. Vereinfacht gesagt, wird die Energie wie gewohnt vom Verteilnetz bezogen, aber so gesteuert, als ob sie von einer PV- oder Windenergieanlage kommt. Die Parameter des simulierten Netzes lassen sich in kurzer Zeit variieren, wobei der Einsatz echter Hardware für eine hohe Genauigkeit der Tests sorgt. Damit lassen sich Erkenntnisse zum bestmöglichen Einsatz neuartiger Energieträger gewinnen.

Grund für den Aufwand sind die Wechselwirkungen von Lasten, die sich weit komplexer verhalten als die typischen Anlagen und Geräte von Wohneinheiten. So nutzen Maschinen verschiedene Kommunikationsprotokolle, die zu Latenzzeiten führen, wenn sie verbunden werden. Dazu kommt die Dynamik der Anlagen. Im SEOB gibt es neben einer simulierten PV-Anlage einen realen Batteriespeicher und ein reales Wasserstoff-Speichersystem: Mit überschüssigem Strom wird per Elektrolyseur Wasserstoff erzeugt und gespeichert. Bei Bedarf lässt sich mit ihm eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung betreiben. Diese Art der Speicherung weist hohe Umwandlungsverluste auf, eignet sich aber gut als Langzeitspeicher.T. Leibfried erläutert: „Uns interessiert auch die Dynamik: Wie reagiert ein Elektrolyseur auf den Betrieb mit PV-Strom, der bei Wetteränderungen oder Abschattungen durch Wolken stark schwankt?“ D. Eser fasst zusammen: „Wir gehen nicht bei jedem Konzept in die Tiefe, sondern sehen uns eher verschiedene Optionen an. Uns interessiert die Sektorenkopplung mit Wasserstoff als chemischen Speicher, einem Batteriespeicher und auch E-Mobilität: Wann wird geladen, wann ist das Auto verfügbar und wie viel Reichweite müssen wir zurückhalten?“ Das war bei dem Altbau aus den sechziger Jahren nicht ganz einfach. Einerseits musste die Bestandsanlage nachträglich mit zahlreichen Sensoren ausgerüstet werden. Andererseits war es nicht möglich, beispielsweise in die Heizung einzugreifen. Allerdings ist die Isolation des Gebäudes ohnehin so minimal, dass ein sinnvolles thermisches Management nicht umzusetzen war. Seine großen Stärken demonstriert PHIL beispielsweise bei der Photovoltaik, wie D. Eser erklärt: „Wir haben leider keine eigene Anlage, beziehen aber Daten aus der Anlage eines Nachbargebäudes. Damit können wir das Verhalten unterschiedlich großer Anlagen hochrechnen.“

Die Kombination aus realem und errechnetem Netz erfordert vor allem Rechenleistung: „Das ist eine relativ neue Methode in der Energietechnik, um das Systemverhalten einzelner Komponenten in einer Umgebung zu untersuchen“, so T. Leibfried. „Der Echtzeitrechner gibt einem Umrichter bestimmte errechnete Signale. Der stellt sie je nach Betriebsmodus als Strom oder Spannung ein und gibt sie an das „Device under Test“. Dieses reagiert auf die gestellte Größe (Strom oder Spannung) und die daraus resultierende Größe (Spannung oder Strom) wird gemessen. Diese Daten werden wieder an den Rechner gegeben, wobei die Simulation in Echtzeit berechnet wird. Für eine möglichst genaue Abbildung der Realität, muss der Loop sehr schnell ausgeführt werden.