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Energiesystemintegration ESI

Energiesystemintegration ESI
Projektteam:

Poganietz, Witold-Roger (Projektleitung); Annika Weiss; Jens Schippl

Förderung:

Helmholtz-Gemeinschaft

Starttermin:

2017

Endtermin:

2020

Projektpartner:

Forschungszentrum Jülich (FZJ), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ)

Forschungsbereich:

Energie - Ressourcen, Technologien, Systeme und Innovationsprozesse und Technikfolgen

Projektbeschreibung

Allgemeine Beschreibung von ESI

Energiesystemintegration befasst sich mit den Aspekten des Energiesystems, die alle Einzelkomponenten zu einem Ganzen zusammenfassen, d. h. alle physikalischen und IT-gestützten Verbindungen sowie deren Strukturen und Verhaltensweisen. Es ist Teil der umfassenderen Herausforderung, die Ressourcen Energie, Materialien und die natürliche Umwelt kohärent zu bewirtschaften. Darüber hinaus sind auch die Schnittstellen zur „Umwelt“ des Energiesystems, wie etwa der Kreislaufwirtschaft, von großer Bedeutung. Die systemischen und somit auch die transtechnologischen Ansätze, die hier verfolgt werden, beinhalten die Analyse und Optimierung von ausgewählten Wertschöpfungsketten und Nachhaltigkeitspfaden, die auch die von den Helmholtz-Zentren untersuchten Technologien und ihre eigenen realen Datensätze mit einbeziehen. Ziel ist es, durch die Integration und Kombination einzelner Technologien und Branchen ein umweltverträgliches, tragfähiges, flexibles, stabiles und ressourceneffizientes Energiesystem zu gestalten. Die Wechselwirkungen innerhalb des Energiesystems werden durch Modelle dargestellt, für eine Vielzahl von Szenarien simuliert und durch reale Datensätze verifiziert. Durch die Modellierung von der Komponentenebene über die Prozessebene bis hin zur Energiesystemebene erhält man detaillierte Erkenntnisse und anwendbare Werkzeuge. Management, Kontrolle und Optimierung des Gesamtsystems und einzelner Untersysteme haben entscheidenden Einfluss sowohl auf die Stabilität und Verfügbarkeit (Robustheit und Widerstandsfähigkeit) als auch auf die Wirtschaftlichkeit und Ökologie des Systems. Die oben genannten Aspekte sind Gegenstand von drei Arbeitspaketen (AP1 – AP3), die der Reihe nach im weiten Kontext der multimodalen Energiesystemmodelle und auf der höheren Ebene der konsistenten Energieszenarien bearbeitet werden. AP1 „Multimodale Energiesysteme 2050+“ beschäftigt sich mit der Planung und Optimierung von Systemkonzepten für die Kopplung multimodaler Netzwerke, die physische Infrastrukturen (Strom, Gas, Wärme und Materialflüsse) mit IT-Infrastrukturen zu einem zuverlässigen, effizienten und nachhaltigen Energiesystem verbinden. Im AP2 „Flexibilität von grundlegenden industriellen Prozessketten zur Bereitstellung dynamischer Systemdienstleistungen“ wird untersucht, was flexible ressourcenintensive Branchen zur Dienstleistung „Systemstabilität“ beitragen können und welche technologischen Innovationen dazu erforderlich sind. AP3 „Herausforderungen der Energiesystemintegration auf der Markt-, Regulierungs- und sozio-ökonomischen Ebene“ untersucht im Rahmen von abschließenden Langzeitszenarien die Transformation des Energiesystems hin zu einem System, dessen Versorgung hauptsächlich auf regenerativen Quellen und zentralen/regionalen Strukturen basiert und durch äußerst flexible Nachfrage gekennzeichnet ist. Das in diesem Dokument vorgestellte zentrale künftige Forschungsprojekt „Energiesystemintegration“ ist ein wichtiger Bestandteil der strategischen Entwicklung des Forschungsbereichs „Energie“. Es eröffnet neue, innovative Forschungsgebiete für Systemlösungen und stellt ein Schlüsselelement im Energiesystemintegrations-Programm dar. das in POF IV neu verankert werden soll.

ITAS im ESI-Projekt

Eine Möglichkeit, die fluktuierende Versorgung durch erneuerbaren Energien zu umgehen, ist die Verwendung von Batterie-Technologien. Bisher stellten dabei allerdings die vergleichsweise hohen Kosten und die geringe Energiedichte solcher Batteriesysteme ein Problem dar. Beide Faktoren konnten jedoch in den letzten Jahren stark verbessert werden, so dass mittlerweile auch Batterien für private Haushalte, meist in Verbindung mit Solarpanelen, auf den Markt kommen. Die großflächige Nutzung von batteriebasierten PV-Systemen, z. B. in Privathaushalten, könnte einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtgestaltung von Energieinfrastrukturen haben. Durch eine weitere Verbreitung könnte die Dezentralisierung vorangetrieben werden und so autonome oder halb-autonome lokale Energiesysteme ermöglicht werden. Die Beweggründe hierfür können vielfältig sein (wirtschaftliche oder soziale), ebenso wie das technisch-wirtschaftlich-rechtliche Marktdesign (Energiekooperativen, lokale Versorgungsunternehmen etc.). Der Einfluss auf das zukünftige Energiesystem hängt jedoch entscheidend vom Diffusionsprozess der Technologie ab, der von einem dynamischen soziotechnischen Rahmen bestimmt wird. Der sich verändernde soziotechnische Kontext des Prozesses wird nicht nur die Diffusion der Technologie beeinflussen, die Technologie wird auch Einfluss auf die soziotechnischen Rahmenbedingungen haben. Die Auswirkungen dieser Wechselwirkung auf die Energiezukünfte werden in Kontextszenarien erfasst.

Der Schwerpunkt der ITAS-Arbeiten liegt hierbei auf der langfristigen Relevanz von Batterien, die PV-Systeme in Energiesystemen nutzen. Das vorgeschlagene Vorhaben kombiniert zwei verschiedene Ansätze, um mehr über die Wechselwirkungen zwischen Innovationsprozessen und deren dynamischen gesellschaftlichen Rahmenbedingungen zu erfahren. Der erste Ansatz untersucht dabei die fördernden und hemmenden Faktoren bei der Verbreitung der batteriebasierten Solartechnologie in Wohngebieten. Zu Vergleichszwecken werden auch ausgewählte Gewerbe- und Industriegebäude untersucht. Nach dem Ansatz von Rogers wird mithilfe von Methoden der qualitativen sozialwissenschaftlichen Forschung (wie Umfragen und Fokusgruppen) die Motivation der Haushalte untersucht, die sich schon früh für eine Investition in Batteriespeicher entschieden haben. Mit diesem Ansatz können die Eigenschaften und Beweggründe dieser frühen Anwender (und vielleicht auch derjenigen, die diesen sogenannten „Early Adopters“ als erste nachfolgen) in diesem Bereich besser verstanden werden. Der zweite Ansatz zielt auf die Entwicklung eines CIB-basierten Kontextszenarios. In einem ersten Schritt wird, unter anderem unter Verwendung der Ergebnisse der Diffusionsanalyse, eine CIB erstellt. Die Wechselwirkung zwischen den oben genannten Faktoren ist jedoch, anders als im typischen Ansatz, zeitabhängig und wird sich (teilweise) während der verschiedenen Stufen des Diffusionsprozesses verändern. Auf Grundlage der zeitabhängigen CIB-Matrix werden Kontextszenarien entwickelt und analysiert. Die wichtigsten dabei gewonnenen Erkenntnisse sind eine oder mehrere Handlungsoptionen, die die verschiedenen gesellschaftlichen Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche oder misslungene Innovation der untersuchten Technologie abstecken.

Kontakt

Dr. Witold-Roger Poganietz
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS)
Postfach 3640
76021 Karlsruhe

Tel.: 0721 608-28180
E-Mail