In Energietechnik, Finanzwirtschaft und Logistik sind Vorhersagen und Entscheidungen auf Basis komplex interagierender Variablen zu treffen. Bei der mathematischen Modellierung solcher Systeme treten oft gleichartige Strukturen auf, wie z.B. Netzwerke, Entscheidungsbäume oder Differentialgleichungen. Lösungen für diese Modelle erfordern wiederum den Einsatz von Optimierungsalgorithmen oder rechenintensive Simulationen.

Die Industriepartner im Josef Ressel Zentrum für angewandtes wissenschaftliches Rechnen waren: Gebrüder Weiss, Hypo Vorarlberg Bank AG, infeo, myPEX, Vorarlberger Kraftwerke AG und Vorarlberger Landesversicherung.

Um entsprechende Experten aus den unterschiedlichen Anwendungsgebieten zusammenzubringen, arbeiteten im Josef Ressel Zentrum Forscher aus den Forschungszentren Energie und Prozess- und Produkt-Engineering der Fachhochschule Vorarlberg zusammen. Hier soll lediglich ein Überblick über die Arbeiten des Teilprojekts Energiemodellbibliothek gegeben werden. Weitere Informationen zu den anderen Arbeitsbereichen und allen Zentrumsmitarbeitern entnehmen Sie bitte der Projektseite unter www.fhv.at/forschung/energie/josef-ressel-zentrum-fuer-angewandtes-wissenschaftliches-rechnen/  

Projektziel

Die elektrische Energieversorgung und -wirtschaft befindet sich im Wandel: Die Digitalisierung auf der einen Seite, sowie die Liberalisierung der Energiemärkte und der voranschreitende Ausbau regenerativer Energieerzeugung in Europa auf der anderen Seite, fördern und bedingen dabei die Entwicklung neuer Technologien und Geschäftsmodelle. Im Zuge dieser Entwicklung findet Demand Side Management (DSM) seit den 2010er Jahren ein stark wachsendes Interesse. Schon in den 1970er Jahren wurde erstmals die Problemstellung der Adaption des Verbrauchs an die Erzeugung formuliert. Die Fülle der möglichen Konzepte als Antwort auf diese werden unter dem Begriff DSM zusammengefasst. DSM beinhaltet eine Vielzahl technischer und ökonomischer Steuerungsmechanismen, von den permanenten Energieeffizienzmaßnahmen wie Gerätetausch, über zeitvariable Energietarife, bis hin zu Steuer- und Regelungskonzepten für Energiespeichersysteme.
Die Forscher im Bereich Energie haben sich vorwiegend mit der Entwicklung von autonomen Algorithmen für dezentrale Energiespeichersysteme befasst. Der dabei verfolgte Ansatz wird als autonomes DSM (ADSM) bezeichnet. Dabei wird basierend auf einer Anreizfunktion die Speicherbewirtschaftung autonom optimiert. Daraus ergibt sich eine Vielzahl ergiebiger wissenschaftlicher Themenfelder und Fragestellungen, die behandelt wurden.
Elektrische Warmwasserspeicher weisen eine Jahrzehnte-lange Geschichte als verschiebbare Last auf. Durch den klassischen Nacht-Betrieb hat sich das Kapazität-zu-Leistungsverhältnis dahingehend entwickelt, dass diese sich sehr gut für die Lastverschiebung über den Tag hinweg eignen. Sie boten die Blaupause zur Entwicklung der Methode, die später auch auf elektrochemische Speicher übertragen wurde. Im Rahmen des Ressel Zentrums wurde die Dissertation von Peter Kepplinger
zu ADSM mit elektrisch betriebenen Warmwasserspeichern abgeschlossen. Diese geht im Besonderen auf die Möglichkeit ein, mittels möglichst reduzierter Messtechnik und Rechenkapazitäten den aktuellen Systemzustand zu schätzen. Dadurch wird es möglich, den Speicher auch im Retrofit für die optimale Einsatzplanung mittels ADSM zu ertüchtigen.
Stationäre Batteriespeicher stellen durch ihre rasant zunehmende Verwendung (auch aufgrund der Elektromobilität) ein großes zukünftiges Potenzial für DSM dar. Im Rahmen der Dissertation von Bernhard Fäßler wurde ADSM stationärer Batteriespeicher als 2nd use case für ausgemusterte Batterien aus Elektrofahrzeugen untersucht. Algorithmen zur autonomen Einsatzoptimierung anhand Echtzeit-Marktpreisen wurde entwickelt und gemeinsam mit der Vorarlberger Kraftwerke AG (VKW) auf einem realen Testsystem umgesetzt.
Um die Auswirkungen der autonomen Algorithmen auf die elektrischen Niederspannungsnetze zu untersuchen, wurde im Rahmen einer Masterarbeit eine Software zur Netzsimulation entwickelt. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Parallelisierbarkeit über das im Josef Ressel Zentrum entwickelte Distributed Execution Framework (DEF) gerichtet. Die Netzsimulation lies es zu, ADSM stationärer Speichersysteme im Netz hinsichtlich ihrer Netzdienlichkeit zu untersuchen. Die Ergebnisse konnten die enormen Nachteile von autonomen Systemen bei ungünstiger Wahl von Anreizfunktionen aufzeigen. So konnten beispielsweise überregionale Preise als nachteilig für die Netzinfrastruktur identifiziert werden. Diese Erkenntnis bestätigte sich ebenso für den konkreten Fall von Ladelastmanagement von Elektrofahrzeugen via ADSM. Sie führte zur Forschungsfrage nach besser geeigneten Anreizfunktionen zur Incentivierung des Betriebs autonomer Energiespeichersysteme.
Als mögliche Alternative zur Kostenoptimierung wurde fortan die Möglichkeit untersucht, einem vorgegebenem Leistungssignal unter Ausnutzung der Speicherflexibilität möglichst optimal zu folgen. Der Vorteil gegenüber der Kostenoptimierung liegt dabei in der vollen Ausschöpfung der zur Verfügung stehenden Flexibilität. Trotz der verbesserten Steuerbarkeit der autonomen Lasten, bleibt das dezentral zu lösende Optimierungsproblem linear und damit mit geringen Kapazitäten vor Ort techno-ökonomisch umsetzbar.
Insgesamt haben die Arbeiten gezeigt, dass ADSM als Konzept eine mittelfristige Lösung zur Einbindung von dezentralen Energiespeichern zur Verbraucherflexibilisierung auf dem Weg zum Smart Grid bieten kann. In einem wissenschaftlichen Überblicksartikel wurden die entstandenen Arbeiten zusammengefasst (Kepplinger, P., Fässler, B., Huber, G. et al. Autonomes Demand Side Management verteilter Energiespeicher. Elektrotech. Inftech. 137, 52–58 (2020)  https://doi.org/10.1007/s00502-019-00782-9

Förderprogramm

Die Projektlaufzeit umfasste 5 Jahre, von 01.01.2015 bis 31.12.2019.
Josef Ressel Zentren sind 5-jährige Forschungsprojekte welches gemeinsam vom Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMWD) und den Unternehmenspartnern gefördert wird. Die Christian Doppler Forschungsgesellschaft übernimmt dabei die Koordination dieser Public Private Partnership.

 

Kontaktpersonen Forschungszentrum Energie

Prof. (FH) Dr.-Ing. Markus Preißinger
illwerke vkw Stiftungsprofessor für Energieeffizienz, Leiter Forschungszentrum Energie

+43 5572 792 3801
markus.preissinger@fhv.at

E1 03

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DI Helena Gössler
Assistenz

+43 5572 792 3800
helena.goessler@fhv.at

E1 02

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