energy4CHP

Ganzheitliche Wärmeversorgungslösung mit H2

Projekttitel:
energy4CHP - CO2-neutrale Energieversorgung in energieintensiven Gewerbebetrieben – Wasserstoffbasierte Sektorenintegration in der Wärme- und Strombereitstellung

Fördernde Einrichtung:
Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR)

Projektdauer:
01.06.2023 – 31.12.2025

Leiter des Projekts:
Prof. Dr. Mark Jentsch

Projektpartner:
An dem Vorhaben ist neben der Professur Energiesysteme der Bauhaus-Universität Weimar der WIR!-Bündnispartner Wissenschaftlich-Technisches Zentrum für Motoren- und Maschinenforschung Roßlau gGmbH beteiligt. Die Hyrican Informationssysteme AG tritt als assoziierter Partner auf.

Am Projekt beteiligte Personen der Professur:
Artjom Kolwa M.Sc., Dipl.-Ing. Christian Gebhardt-Scholz, Benjamin Breuer M.Sc., Kaspar Schmädicke B. Sc., Nicole Meyer M. Sc.

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird ein neuartiges System zur CO2-neutralen Energieversorgung von Gewerbebetrieben entwickelt, umgesetzt und erprobt. Untergebracht ist dieses System zur kombinierten Strom- und Wärmeversorgung in der sogenannten Energy-Station, einem Demonstrationsgebäude beim Projektpartner WTZ Roßlau gGmbH.

Das System kombiniert fünf Hauptkomponenten: Eine Elektrolyseanlage zur H2-Erzeugung und ein Bifuel-Blockheizkraftwerk (BHKW), das sowohl mit Erdgas als auch mit Wasserstoff betrieben werden kann, mit einer Photovoltaikanlage sowie einer Wasserstoffspeicherinfrastruktur und einem Fundamentwärmeübertrager mit Wärmepumpe.

Zur optimalen Verschaltung einzelner Wärmequellen und -senken dient hierbei ein neu konzipiertes intelligentes Wärmeverteilungsnetzwerk (Thermodynamische Weiche). Abbildung 1 fasst das Konzept des Projektes energy4CHP zusammen.

Beschreibung des Schaubilds zur konzeptionellen Energieversorgung eines Gebäudes: Das Schaubild veranschaulicht die verschiedenen Ebenen der Energieversorgung eines Gebäudes. Es zeigt, wie elektrische Energie, Wasserstoff sowie Wärme in einem integrierten System zusammenwirken. Elektrische Energieversorgung: Eine Photovoltaik-Anlage speist elektrische Energie in einen zentralen Energieverteiler ein. Auch das öffentliche Stromnetz ist als mögliche Einspeisequelle angebunden. Zusätzlich ist ein Batteriespeicher integriert, der Energie sowohl aufnehmen als auch abgeben kann. Aus dem Energieverteiler wird der elektrische Bedarf des Gebäudes – etwa für Beleuchtung und IT-Infrastruktur – gedeckt. Wasserstoffsystem: Ein Elektrolyseur nutzt elektrische Energie, um Wasserstoff zu erzeugen. Dieser wird in einem LOHC-Speicher (Liquid Organic Hydrogen Carrier) zwischengespeichert. Bei Bedarf versorgt der Speicher ein BHKW (Blockheizkraftwerk) auf Basis eines Bifuel-Argon-Power-Cycle-Motors mit Wasserstoff. Als Back-UpOption ist der Betrieb des BHKW mit Erdgas bzw mit einer Zumischung von Erdgas zum Wasserstoff im Bifuel-Argon-Power-Cycle-Motor möglich. Optional kann auch der im Elektrolyseprozess erzeugte Sauerstoff gespeichert und dem BHKW zugeführt werden. Wärmeversorgung: Der Elektrolyseur, der LOHC-Speicher und das BHKW geben thermische Energie an einen Wärmeverteiler ab. Dieser verteilt die Wärme bedarfsgerecht im Gebäude und kann zusätzlich mit verschiedenen Wärmequellen und -senken interagieren – etwa einem Wärmespeicher (Pufferspeicher), einem Fundamentwärmeübertrager, einer Wärmepumpe oder einem Rückkühler. So wird der Wärmebedarf des Gebäudes gedeckt. Energiesteuerung: Die gesamte Anlage wird durch ein intelligentes Energiemanagementsystem gesteuert. Dieses System verbindet die elektrische und thermische Energieverteilung mit der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik aller Komponenten. Dadurch wird ein effizienter, koordinierter Betrieb des gesamten Energieversorgungssystems gewährleistet.
Abb. 1 - Schaubild des integrierten Gesamtsystems

Die Professur Energiesysteme der Bauhaus-Universität Weimar verantwortet im Projekt die folgenden Projektinhalte:

Thermodynamische Weiche (multivalentes Wärmenetzwerk)

Eine hybride Wärmeversorgung, bestehend aus einer Vielzahl an Wärmequellen und -senken, erfordert eine dynamische Anpassung an sich ändernde Bedingungen, z.B. im Dargebot von Umweltwärme (z.B. aus der Luft oder dem Boden). Zur optimalen Umverteilung thermischer Energie (Wärme) kann z. B. ein mehrdimensionales Wärmeverteilungsnetzwerk, eine sog. Thermodynamische Weiche, genutzt werden.

Ein solches multivalentes Netzwerk besteht aus einer Vielzahl von Knotenpunkten, wobei jeder Knotenpunkt eine bestimmte Verteilungsfunktion übernimmt. Innerhalb des multivalenten Wärmenetzes lassen sich somit parallele Fluidkreisläufe bilden und zielgerichtet leiten. Das Pfadoptimum wird in Abhängigkeit vorhandener Temperaturen und Leistungen ermittelt. Dadurch lassen sich unterschiedlich geartete Wärmequellen und -senken gezielt und dynamisch miteinander verschalten (siehe Abb. 2).

Abb. 2 -Schaubild des entwickelten multivalenten Wärmenetzwerks

Fundamentwärmeübertrager

Gewerbebetriebe sind historisch bedingt oft durch belastete Böden charakterisiert. Die Nutzung von Erdwärme (z.B. durch Erdwärmesonden) ist an solchen Standorten somit stark reglementiert. Aus diesem Grund wurde ein innovativer Fundamentwärmeübertrager zur Ein- und Auskopplung von Wärme in oberflächennahe Bodenschichten entwickelt und umgesetzt (siehe Abb. 3).

Die Skizze zeigt den schematischen Aufbau einer Fundamentplatte mit den Maßen von 10 x 2,5 Meter und einer Höhe von 30 cm. In dieser Bodenplatte sind in zwei Kreisen mit jeweils unterschiedlichen Abstand Wärmeträgerrohre platziert. Ebenfalls sind die Lage der Thermoelemente markiert. Wobei sich ein Teil der Thermoelemente in der Bodenplatte befinden, in Teil am Ein- bzw. Ausgang der Wärmeträgerrohre. Zudem sind unterhalb der Fundamentplatte Thermoelemente in unterschiedlicher Tiefe angeordnet.
Abb. 3 – Schaubild mit Messtellenübersicht des Ende 2024 am Standort Dessau-Roßlau installierten Fundamentwärmeübertragers

Der Fundamentwärmeübertrager ist von dem darunterliegenden Boden thermisch nicht getrennt, weshalb die (Gesamt-)Wärmespeicherkapazität größer als die des reinen Bauteils ausfällt. Zu den Seiten und nach oben wurde das Bauteil durch Wärmedämmplatten thermisch weitgehend entkoppelt.

Das 10 x 2,5 x 0,3 Meter messende Bauteil wurde Ende 2024 beim Projektpartner errichtet (siehe Abb. 4).

links: Das Foto zeigt die Schalung der Bodenplatte und die Bewährungsgitter in der Vorbereitung. mitte: Das Foto zeigt eine Person mit einer großen Menge an Kabeln für die Thermoelemente. rechts: Detail einer Bewährungsmatte in dem die Wärmeträgerrohre verlegt sind.
Abb. 4 - Fundamentwärmeübertragerelement - vorbereitet für die Betonage

Intelligente Steuerung

Das Gesamtsystem wird mithilfe einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) überwacht und gesteuert. Die von der SPS ausgelesenen und ausgewerteten Prozess-Messwerte werden gebündelt und über entsprechende Kommunikationsprotokolle an ein übergeordnetes Datenmanagement- und Steuerungssystem übertragen. Zusätzlich erfolgt der Datenaustausch mit einer Wetterstation sowie den übrigen Komponenten des Gesamtwärmeversorgungssystems (z.B. BHKW, Elektrolyseur, etc.). Basierend auf den empfangenen Messdaten erfolgt die Evaluierung der jeweiligen Betriebsszenarien infolge einer implementierten intelligenten Steuerungslogik.

Abb. 5 - Schaubild der Gesamtsystemintegration der Energiesteuerung und der Interaktion der einzelnen Komponenten

Ausblick

Die Inbetriebnahme erster Systemteile – wie Wärmepumpe, Speicher und Verteilsystem – ist für das 3. Quartal 2025 geplant. Das Ziel des Forschungsprojektes energy4CHP ist es zu demonstrieren, inwieweit klimaneutrale Energieversorgung für Industrie und Forschung in der Praxis umgesetzt werden kann.