In dem Forschungsprojekt „iHEM“ wird für den Wohnungsbau eine integrierte Energieversorgung unter Nutzung von Solarenergie entwickelt. Ein eigens entwickeltes Energiemanagement koordiniert die Systeme zur Solarstrom- und Solarwärmeerzeugung mit Strom- und Wärmespeichern sowie mit einem Mikro-BHKW. Das zugrundeliegende Managementkonzept basiert auf dynamisch erzeugten Prognosen für die Erzeugungs- und Bedarfsprofile.

Bei der Versorgung von einzelnen Gebäuden mit solarer Energie kommt es aufgrund wechselnder Wetterlagen und dem Tag-Nacht-Zyklus immer wieder zu Versorgungslücken, sofern keine weiteren Maßnahmen wie Energiespeicherung oder Energiemanagement ergriffen werden. Auch mit der Integration einzelner Gebäude in Strom- und Wärmenetze, die künftig einen höheren regenerativen Anteil aufnehmen sollen, kommt den Netzen ein solches Management und eine erzeugungs- und bedarfsabhängige Betriebsweise der Anlagen zugute.

Bei sinkenden Einspeisevergütungen, wegen Netzüberlastung zeitweise erzwungener Abregelung von kleinen, netzgekoppelten PV-Anlagen und bei tendenziell steigenden Strompreisen wird der direkte Verbrauch oder die Speicherung von Solarstrom am Ort der Erzeugung wirtschaftlich immer attraktiver. Hierfür sind effektive und kostengünstige Energiespeichertechnologien sowie ein intelligentes Erzeugungs- und Lastmanagement gefragt.

Forschungsfokus

Ziel des Verbundvorhabens ist die Erforschung, Entwicklung und Evaluation eines modularen Energiemanagementsystems, das sowohl in Neubauten als auch im Gebäudebestand einsetzbar ist. Dafür wird das komplexe System zunächst komponentenweise und anschließend in seiner Gesamtheit simuliert. Im Labor soll ein vollständiges System zu Testzwecken aufgebaut werden. Anschließend soll ein „echtes“ Gebäude zu Demonstrationszwecken mit dem neuen Energiemanagementsystem ausgerüstet werden.

Besonderes Merkmal des Konzepts ist die Verknüpfung von elektrischer und thermischer Energieversorgung. Synergieeffekte sollen optimal genutzt werden, um eine weitgehend dezentrale Energieversorgung zu ermöglichen. Dafür soll das System unter Einbeziehung von dynamischen Wetterdaten, Leistungsprognosen und Verbraucherverhalten kontinuierlich optimiert werden.

Die Schwerpunkte liegen hierbei auf der Simulation des gesamten Systems, auf der Hardware-Entwicklung für die Steuereinheit einschließlich aller Kommunikationsschnittstellen, auf der Erstellung von Algorithmen für dynamische Prognosen des Erzeugungs- und Verbrauchsverhaltens, auf der Verknüpfung einzelner Gebäude zu virtuellen Quartieren, auf dem optimierten Betrieb der Lithium-Ionen-Akkus als elektrische Energiespeicher und des Warmwasserspeichers für die verschiedenen thermischen Systeme und Kreisläufe. Auch sollen geeignete Geschäfts- und Betreibermodelle analysiert werden, die einen wirtschaftlichen Betrieb der Systeme gewährleisten können.

Insgesamt neun Partner aus Wirtschaft und Forschung arbeiten daran, Solarstrom und Solarwärme zur nachhaltigen Energiegewinnung für einzelne Gebäude zielgerichteter zu nutzen. Eine Kombination von elektrischen und thermischen Energiespeichern soll eine energieeffiziente und netzdienliche Energieversorgung unterstützen. Eine mit Erdgas betriebene Brennstoffzelle soll in den besonders sonnenarmen Zeiten für Strom und Wärme sorgen.

Erfolge

Die Auslegung des Gesamtsystems ist erfolgt. Dafür wurden bestehende Energiepotenziale und die System- und Anlagentechnik untersucht. Als Grundlage für die Gesamtsystemsimulation wurden alle Komponenten modelliert. Die Modellierungen wurden für verschiedene Gebäudetypen wie Alt- und Neubau sowie Ein- und Mehrfamilienhaus, für die Brennstoffzelle, den Batteriespeicher, Solarthermie- und Photovoltaikanlagen und den thermischen Speicher angepasst und bereitgestellt. Die Hardware-Entwicklung der Steuereinheit konnte einschließlich der notwendigen Kommunikationstechnik und eines Entwurfs zur Komponentenansteuerung abgeschlossen werden.

Zudem wurden die dazugehörige Software und das User-Interface definiert. Die Kopplung von verschiedenen Datenquellen mit intelligenten, statistischen Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsvorhersage wurde erfolgreich umgesetzt. Im Prüflabor wurden alle Komponenten als Prototypen aufgebaut. Aktuell wird an der Einbindung der Leistungselektronik, des Batteriespeichers und der Managementkomponente gearbeitet. Während der Testphase werden Brennstoffzelle, Solarthermie- sowie Photovoltaikmodule simuliert.

Aktuell wird ein Demonstrator-System bei der Firma Sailer in Ehingen aufgebaut, getestet und wissenschaftlich evaluiert.

Anwendung

Einzelne Komponenten von iHEM sind bereits marktverfügbar:

BlueGEN ist ein Brennstoffzellen-Heizgerät zur Versorgung von Wohngebäuden und kleinen Gewerbeeinheiten mit Strom und Wärme. Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) des Herstellers SOLIDpower GmbH hat eine elektrische Leistung von nominal 1,5 kW bei einem sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60%. Deshalb wird das Aggregat stromgeführt betrieben. Die thermische Leistung liegt bei 0,6 kW. Derzeit wird die Brennstoffzelle mit Erdgas betrieben. Mit Einführung von Power-to-Gas-Technologien (P2G) kann die Brennstoffzelle zukünftig mit erneuerbaren Energien betrieben werden.

Lithium-Ionen-Batteriespeicher: Bei der im Projekt iHEM eingesetzten, modular aufgebauten Batterie handelt es sich um einen Lithium-Ionen Batteriespeicher mit einer Nennspannung von 358 V, einer Nennkapazität von 24 Ah und einer Nennenergie von 8,4 kWh. Durch die Modularität ist die Anpassung an unterschiedliche Anlagengrößen gegeben.  Weitere besondere Eigenschaften der eingesetzten Lithium-Eisenphosphat-Graphit-Zellchemie von Sony sind die Entladetiefe von knapp 100% und eine Lebensdauer von bis zu 10.000 Ladezyklen. Diese Attribute unterstützen ein effizientes Wirtschaften mit der selbst erzeugten Elektrizität.

Zuletzt aktualisiert am:
12.07.2021

EnOB/EnBop: Verbundvorhaben Intelligentes Heimenergiemanagement (iHEM)

För­der­kenn­zei­chen: 03ET1205A-K

Projektlaufzeit
01.07.2014 31.12.2017 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Heizen, Lüften, Kühlen, Gebäudebetrieb & Gebäudeautomation, Energiespeicherung, Betriebsführung & Energiemanagement, Lastmanagement, Solare Wärme, Solarstrom

För­der­sum­me: 2.401.256 €

Kontakt 

Koordination
Hochschule Ulm - Institut für Energie- und Antriebstechnik
http://www.hs-ulm.de/Institut/IEA

Tel.: +49(0)731-50-28360

Koordination und Entwicklung der Steuereinheit
meteocontrol GmbH
http://www.meteocontrol.de

Tel.: +49(0)821-34666-0

Aufbau, Lebenszyklusbetrachtung und Simulation Batteriespeicher
TU München, Institut für Energiespeichertechnik
http://www.ees.ei.tum.de

Tel.: +49(0)89-289-26967

Gesamtsystemsimulation und Optimierungsalgorithmen
OFFIS e. V.
http://www.offis.de

Tel.: +49(0)441-9722-0

 Betriebsführungsstrategien
ProCom GmbH
http://www.procom.de

Tel.: +49(0)241-51804-0

Entwicklung Warmwasserspeicher
SAILER GmbH
http://www.sailergmbh.de

Tel.: +49(0)7391-5002-0

Entwicklung Leistungselektronik
Steca Elektronik GmbH
http://www.steca.com

Tel.: +49(0)8331-8558-0

Energiemeteorologie
Universität Oldenburg, Institut für Physik, Abteilung Energie- und Halbleiterforschung
http://www.uni-oldenburg.de/ehf

Tel.: +49(0)441-798-3402

 

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Klimaneutrale Wärme

Über die Hälfte der Energie in Deutschland nutzen wir, um unsere Häuser, Büros und Geschäfte zu heizen und um Wärme für Gewerbe und Industrie bereitzustellen. Der Übergang hin zu erneuerbarer Wärme, unvermeidbarer Abwärme und CO2-freien Brennstoffen muss organisiert werden.

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