Energiemanagement in SmartGrids am Beispiel eines Waschtrockners (itsowl-EMWaTro)

Problemstellung
Die Stromversorgungsstruktur in Deutschland besteht bisher aus relativ wenigen, dafür leistungsstarken Kraftwerken, deren Stromproduktion sich an den tageszeitlich schwankenden Verbrauch anpasst. Die aktuelle Gesetzeslage sorgt dafür, dass der Anteil regenerativer Energien am Strommix in Deutschland kontinuierlich steigt. Problematisch bei regenerativem Strom ist die nur sehr eingeschränkte Steuerbarkeit: Stromüberproduktionen bzw. -engpässe sind die Folge. Die Nachfrage wird sich dem schwankenden Angebot anpassen müssen. Das ist die Grundidee von SmartGrids. Darin bilden sich die Strompreise basierend auf der aktuellen Stromverfügbarkeit, d.h. aufgrund von Angebot und Nachfrage (vergleichbar einer Börse). Die Energieversorgungsunternehmen (EVU) passen ihre Tarife entsprechend des Börsenpreises an und kommunizieren diese an die Verbraucher. Das Problem ist: SmartGrids existieren noch nicht. Deren Verhalten unter realen Bedingungen und in Extremsituationen wie lokalem Nachfrageüberschuss ist daher unbekannt. Die zentrale Fragestellung betrifft die Netzstabilisierung durch Sekunden- und Minutenreserve auf Anbieterseite einerseits und Lastbegrenzung und -abwurf auf Verbraucherseite andererseits. Es fehlen außerdem Hausgeräte, die auf geänderte Rahmenbedingungen reagieren können. Es besteht Handlungsbedarf, die möglichen Lastszenarien zu ermitteln sowie daran anpassungsfähige Hausgeräte zu entwickeln.

Projektziele
Ziel dieses Verbundprojektes ist die Entwicklung von SmartGrid fähigen Hausgeräten am Beispiel eines Waschtrockners, der auf schwankende Stromverfügbarkeit und -preise reagiert und seine Prozessabläufe selbständig anpasst. Dazu wird ein Energiemanagementsystem für Privathaushalte entwickelt, das im Zusammenspiel mit verfahrensflexiblen Hausgeräten in der Lage ist, bei sich verändernden Stromverfügbarkeiten und -preisen Energieverbrauch, Kosten und Komfort zu optimieren. Es kommuniziert mit Anbietern elektrischer Energie wie dem regionalen Energieversorger oder der hauseigenen Photovoltaikanlage sowie mit allen angeschlossenen Verbrauchern und passt Energieangebot und -nachfrage einander an. Zudem wird das Hausgerät mit einer selbstoptimierenden Steuerung versehen, die unter Berücksichtigung der jeweiligen Zielsetzung autonom in den Verfahrensablauf eingreifen kann: Die Möglichkeiten reichen von einer Prozessunterbrechung über veränderte Parameter (z. B. Temperatur oder Luftstrom) bis zu einer Veränderung der technischen Wirkstruktur durch Wechsel oder Kombination von verschiedenen Wirkprinzipien. Um das Gesamtziel zu erreichen, wird neben dem Energiemanagementsystem und dem verfahrensflexiblen Waschtrockner noch eine Validierungsumgebung entwickelt, die die schwankenden Strompreise in einem SmartGrid sowie eine eigene, solare Energieerzeugung simuliert.

Vorgehensweise
Die Arbeiten im Verbundprojekt unterteilen sich in vier fachliche Teilprojekte, die jeweils durch einen Partner verantwortlich geleitet werden. Die Teilprojekte stellen inhaltlich abgeschlossene Aufgaben mit unterschiedlichen Kompetenzanforderungen dar, die für das Erreichen des Gesamtziels notwendig sind. Die Teilprojekte werden in Kooperation mit den Projektpartnern als auch mit Partnern von Cluster-Querschnittsprojekten (CQP) durchgeführt. Insbesondere die CQP Energieeffizienz und Systems Engineering stellen eine technologische Basis dar, auf die im Rahmen dieses Verbundprojekts zurückgegriffen wird. Bindeglied zu den CQP sind die am Projekt beteiligten wissenschaftlichen Partner. Projektbegleitend wird der Ergebnistransfer durch Unterstützung relevanter Querschnittsprojekte und Nachhaltigkeitsmaßnahmen des Clusters sichergestellt. Am Projekt sind zwei Partner und ein Fraunhofer-Institut im Unterauftrag beteiligt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Um die Funktionsfähigkeit nachzuweisen, wird das Gesamtsystem bestehend aus Energiemanagementsystem, verfahrensflexiblem Waschtrockner und Validierungsumgebung anhand eines Simulationsszenarios mit Demonstrator realisiert und evaluiert. Als Ergebnis wird ein lauffähiges System vorliegen, dass die Anpassbarkeit der Verfahrensprozesse und das Energiemanagementpotential demonstriert. Durch das Projekt wird aufgezeigt, wie Hausgeräte auf die Rahmenbedingungen von SmartGrids reagieren und eigenständig ihr Energiemanagement optimieren können. Die Kombination von intelligenter Software mit energieeffizienten Technologien (z.B. Wärmespeicher) soll den Energieverbrauch um ca. 40 v.H. reduzieren und gleichzeitig den Komfort für die Nutzer erhöhen. Miele plant, die Ergebnisse des Projektes für die Weiterentwicklung der Waschtrockner zu verwenden. Dieser könnte ca. 2020 in den Markt kommen, ein Zeitpunkt, der auch für die Einführung von SmartGrids realistisch erscheint. Die Ergebnisse und Erkenntnisse können auf andere Hausgeräte sowie auf komplexere Verbraucherstrukturen wie Mehrfamilienhäuser bis hin zu industriellen Betrieben übertragen werden und fließen darüber hinaus in Lehrveranstaltungen der Hochschule ein.

• Miele & Cie. KG
• Universität Paderborn