visualisierungs- und beratungstool · zum break-even 13,73 jahre 10,97 jahre kosten bis zum...
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„Systemintegration Elektromobilität in dezentralen
Energieversorgungsstrukturen und Energiemanagement“
- Visualisierungs- und Beratungstool -
Prof. Dr. rer. nat. F. Weidhase: Brandenburgische Technische Universität und
EBZ-Elektrobildungs- und Technologiezentrum e. V., Dresden
Expertenkreis „Energie- und Umwelttechnik“ sowie „Bau- und Restaurierungstechnologien“
Hannover 07.07.2015
Innung für Elektro- und
Informationstechnik
München
Innung für Elektro- und
Informationstechnik
Nürnberg/Fürth
1) Kurze persönliche Vorstellung
2) Bezug zu laufenden Projekten
3) Stark fluktuierende Energieströme Erneuerbarer Energien
4) Visualisierungs- und Beratungstool
5) Bewertung ökonomischer Effekte
6) Der Einfluss steuerlicher Effekte (Subvention)
7) Weiterentwicklung zur Sammlung von Tools
8) Nutzungsdauer von Stromspeichern
9) Energiemanagementsystem des EBZ Dresden
10) Optimale Größe von Stromspeichern
11) Realisierung im Cloud
12) Weitere Entwicklung „Digitalisierung Mittelstand 4.0“
07.07.2015 Prof. F. Weidhase BTU Cottbus-Senftenberg und EBZ Dresden 2
Inhalt
Prof. Weidhase forscht und lehrt an der neu, modern
und großzügig eingerichteten Brandenburgischen
Technischen Universität (BTU).
Im Lehrstuhl „Funkbasierte und optische
Kommunikationssysteme“ werden zahlreiche
anwendungsbezogene Projekte mit KMU-Unternehmen
und dem Handwerk realisiert.
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Persönliche Vorstellung Brandenburgische Technische Universität
Verbundprojekt
„Smart Advisor“: Gewerkeübergreifendes
Weiterbildungsprogramm der
Bildung im Handwerk zum
Berater/in für Elektromobilität
(HWK)
„Aufbau einer innovativen
Systemplattform
Elektromobilität für die
Weiterbildung sowie
Forschung & Entwicklung in
KMU – Unternehmen
(SELFE)“
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Einbindung in
Projekte
• Schulungen zum Berater/in für Elektromobilität (HWK) in Verbundprojekt „Smart Advisor“
• KMU-Betriebe mit eigenen F&E-Aktivitäten wurden unterstützt.
• Insbesondere wurden „Multiplikatoren“ unterstützt, d.h. Partnern, welche selbst andere Ausbilden oder leitend tätig sind.
Das Angebot an
Erneuerbarer Energie
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Es gelangt nur ein Teil der eingestrahlten
Energie durch die Atmosphäre bis auf den
Erdboden, ohne zuvor absorbiert oder reflektiert
zu werden. http://www.solaranlage-ratgeber.de/solarenergie/energiequelle-sonne
Die auf die Erde auftreffende
Energiemenge (1,5 x 1018 kWh/Jahr)
rund 10.000 Mal höher ist, als der
Energiebedarf der gesamten
Menschheit (1,4 × 1014 kWh/Jahr).
Stark fluktuierende
Energieströme
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Erneuerbare Energien weisen
ein krasses Missverhältnis
von Energieangebot und
Bedarf auf!
Erneuerbare Energien stehen nur sehr stark fluktuierend zur Verfügung. Es gibt gravierende zeitliche Unterschiede zwischen Angebot und Bedarf. Der Begriff Residuallast (lat. residuum „Rest“) bezeichnet die in einem Elektrizitätsnetz nachgefragte Leistung (Last) abzüglich eines Anteils fluktuierender Einspeisung von nicht steuerbaren Kraftwerken wie z.B. Windkraft. Zu Zeiten des höchsten Angebotes besteht die geringste Nachfrage.
Tool zur Untersuchung fluktuierender Energieströme
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Zugang über: http://visit.no-ip.info/EBZ/Vistool/ http://visit.ebz.de/Vistool/
Typischer tageszeitlicher Verlauf
mit Stromspeicherung
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Monitoring und
Elektromobilität
Das EBZ-Elektrobildungs- und
Technologiezentrum e. V.,
Dresden hat ein gut ausgebautes
Monitoring und Ansätze zum
Energiemanagement.
Diese Daten werden über das
Internet zugängig gemacht und
können als Quelldaten für das
Visualisierungs- und Beratungs-
Tool genutzt werden.
Lokale Visualisierung &
Bilanzierung der
Energiedaten von energetisch
relevanten Komponenten des
Hauses.
Die Systemintegration Erneuerbarer Energien für die Elektromobilität
schließt Photovoltaik und Stromspeicherung ein.
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Darstellung des Optimums
der Wirtschaftlichkeit
Es ist üblich, die Wirtschaftlichkeit einer
Investition an Hand des Break-Even zu
beurteilen.
Der Break-Even-Point bezeichnet den
Schnittpunkt von Kosten und Einnahmen
über die Zeit.
Resümee:
Die mehrdimensionale Darstellung des Break-
Even ist wesentlich aussagekräftiger als die
klassische Form als Schnittpunkt zweier
Geraden.
Das Optimum befindet sich auf dem Gipfel der
als 3D-Gebirge dargestellten Wirtschaftlichkeit.
Die Darstellung links beinhaltet über 750 Einzelpunkte.
Quelle: http://svr-weidhase2.informatik.fh-lausitz.de/weidhase/Skripten/2011_Solar_Meeting_Langfassung.pdf
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Rentabilität von
Stromspeichern
Parameter Mit Ohne
Speicherung
Zeitdauer bis zum Break-Even
13,73 Jahre 10,97 Jahre
Kosten bis zum Break-Even
18.712,33 € 13.631,45 €
Wertung ökologischer ökonomischer
• Wir stehen gegenwärtig an der Schwelle zur
Rentabilität des Einsatzes von Stromspeichern.
• Eine detaillierte Abstimmung aller Komponenten
ist erforderlich.
• Der Markt springt an
Die Stromspeicherung kann z.Z. noch unrentabel sein!
Aussagen zur Wirtschaftlichkeit
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Aussagekräftiger ist der Cash-Flow (dt.
Kassenzufluss) bzw. das Return of Investment
(Anlagenrentabilität).
Die prognostische Darstellung des Cash-Flow erfasst
über einen längeren Zeitraum (typisch 20 Jahre) alle
Ein- und Ausgaben. Eventuell ergeben sich auf diese
Weise mehrere Break-Even.
Im abgebildeten Fall sind alle sieben Jahre
Zusatzausgaben für neue Akkumulatoren zu
erkennen.
Der Break-Even (Gewinnschwelle) ist in der
Wirtschaftswissenschaft der Punkt, an dem Erlös und
Kosten gleich hoch sind und somit weder Verlust noch
Gewinn erwirtschaftet wird. Zu diesem Zeitpunkt hat
sich eine Investition amortisiert. Die eindimensionale
Darstellung des Break-Even wird von Ökonomen am
häufigsten genutzt. Aus technischer Sicht haben wir
es aber oft mit vielen Parametern zu tun, welche bei
der Optimierung berücksichtigt werden sollten.
Prof. F. Weidhase BTU Cottbus-Senftenberg und EBZ Dresden
Ökonomische Effekte
13 18.12.2014 13
Quelle: http://visit.no-ip.info/EBZ/Vistool/Tool/Main/
Alleinstellung: • Es lassen sich mehrfache
Break-Even ermitteln.
Noch vorhandener Mangel: • Aber steuerliche Effekte
werden noch nicht erfasst.
• Steuerliche Effekte können die Amortisationszeit mehr als halbieren.
Steuerliche Effekte werden in der nächsten Arbeitsetappe eingearbeitet.
Prof. Dr. F. Weidhase Brandenburgische Technische Universität 14
Der Einfluss steuerlicher
Effekte (Subvention)
Steuerliche Effekte (Subventionen) können ggf. den Amortisationszeitraum mehr als halbieren!
Prof. F. Weidhase BTU Cottbus-Senftenberg und EBZ Dresden
Verifizierung der
Ergebnisse
15 18.12.2014 15
Quelle: http://visit.no-ip.info/EBZ/Vistool/Tool/Main
Die Ausgabe von Detaildaten direkt in Excel erlaubt die Verifizierung und Weiterverarbeitung der Daten.
Das Lastverschiebungspotential der Industrie und Haushalte
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1 Person 2-3 Personen 4+Personen
(kWh/a) (kWh/a) (kWh/a)
Kühlschrank 93,50% 336 403 645
Geschirrspüler 65,00% 173 242 339
Wäschetrockner 39,40% 179 251 351
Waschmaschine 95,80% 89 125 175
Wärmepumpen 10,00% 340 476 666
Raumklimatisierung 5,00% 1.643 2.300 3.220
Nachtspeicherheizung 6,10% 11.094 15.532 21.745
Kühl/Gefrierkombination 106,00% 336 403 645
Warmwassererzeugung 21,70% 900 1.440 1.728
Gefrierschrank/-truhe 55,00% 325 390 624
Verbrauch der Haushalte
Basisszenario Durchdringung
Die Nutzung von Lastverschiebungspotential bietet oftmals eine kostengünstige Alternative zur Speicherung des elektrischen Stroms.
Große Industriebetriebe energieintensiver Branchen (z. B. Zement, Chlor, Chemie, Aluminium, Stahl, Papier) nehmen bereits heute am Regelenergiemarkt für Minutenreserve teil und bieten schätzungsweise rund 500 MW positive bzw. 125 MW negative Regelleistung an.
Aber auch in der Summe aller Haushalte liegt ein bedeutendes Lastverschiebungspotential.
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Vervollkommnung zur
Sammlung von Tools
http://visit.no-ip.info/EBZ/Vistool/MyHome/Uebersicht
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Energiemanagementsystem
des EBZ-Dresden
Am Elektrobildungs- und Technologiezentrum e. V. Dresden wurde über Jahre hinweg ein umfassendes Energiemanagementsystem aufgebaut. Auf Basis dessen können alle Energieflüsse des Hauses erfasst und beeinflusst werden. Ansätze zur smarten Steuerung und dem Einsatz von Optimierungstools gibt es durch online-Zugriff auf die erfassten Daten.
http://visit.no-ip.info/EBZ/Live/ http://visit.ebz.de/Live/
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Roh-Daten-Bereitstellung
für Berechnungen
Zu jedem Generator Erneuerbarer Energie und zu jedem Großverbraucher gibt es Übersichten der Parameter. Deren Download führt bis auf ein sich automatisch öffnendes EXCEL-Sheet. In verschiedenen Zeitmaßstäben lassen sich Daten der Historie darstellen und ausgeben.
Ein gutes Monitoring steht und fällt mit der Visualisierung sowie dem Komfort des Daten-Handlings.
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Tool zur Abschätzung der
Nutzungsdauer von Stromspeichern
http://visit.ebz.de/Vistool/Akku/Lebensdauer
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Lebensdauer von
Stromspeichern
Achtung, Achtung!
„Die Performancetests am KIT haben gezeigt, dass einige Zellen schon nach 1.000 Vollzyklen 30 Prozent ihrer Kapazität verlieren. Mit diesen Kapazitätseinbrüchen lassen sich stationäre Speicher nicht mehr wirtschaftlich betreiben. ... Neben der Zyklenfestigkeit spielt für die Performance eines Speichersystems auch der Innenwiderstand der Zellen eine wichtige Rolle. Die Alterung der Batterien lässt sich demnach an zwei wichtigen Merkmalen ablesen: Die Kapazität nimmt ab oder der Innenwiderstand der Zellen steigt“.
Quelle: http://www.kit.edu/downloads/pi/KIT_PI_2015_057_Intersolar_-_sichere_und_effiziente_Heimspeicher_finden.pdf
Der Alterungsprozess eines Speichersystems setzt sich aus zwei Faktoren zusammen: Kalendarische Alterung und Zyklenalterung. Die meisten Hersteller nennen jedoch nur Letztere. Das hat zur Folge, dass die Lebensdauer zu optimistisch errechnet wird. Während die Zyklenalterung für den Kapazitätsverlust durch Be- und Entladen der Batterie steht, bezeichnet die kalendarische Alterung den Leistungsabfall aufgrund chemischer Zerfallsprozesse, die das Anoden- und Kathodenmaterial oder das Elektrolyt angreifen. Beide Alterungsprozesse müssen beim Batteriekauf berücksichtigt werden, denn sie addieren sich. Gibt der Hersteller beispielsweise für eine Batterie eine Lebensdauer von 2.500 Zyklen sowie eine kalendarische Alterung ohne Benutzung von zehn Jahren an, bedeutet das, dass das Lebensende der Batterie nicht etwa nach zehn, sondern bereits nach fünf Jahren erreicht sein wird. Denn die eine Hälfte der zur Alterung verfügbaren Kapazität wird durch die kalendarische Alterung verbraucht, die andere Hälfte durch die Zyklisierung.
http://www.energy20.net/pi/index.php?StoryID=317&articleID=238572
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Optimale Größe von
Stromspeichern
Nach Quaschning et. al.: http://www.volker-quaschning.de/artikel/2013-06-Dimensionierung-PV-Speicher/index.php sowie eigenen Rechnungen zur mehrdimensionalen Darstellung und Verifizierung, siehe http://svr-weidhase2.informatik.fh-lausitz.de/weidhase/Skripten/2011_Solar_Meeting_Langfassung.pdf
Unter pauschalisierten Annahmen für typische Haushalte (analog Standardlastprofil H0) kann überschlagsmäßig eine optimale Größe für Stromspeicher in Verbindung mit PV-Anlagen empfohlen werden.
Beim gegenwärtigen Preisniveau geht die Empfehlung von einer Ladung pro Tag aus.
Mit dem Tool zur Bestimmung der optimalen Speichergröße können unterschiedliche Zielvorgaben interaktiv vorgegeben werden.
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IT-Lösungsansatz des Visualisierungs- und Beratungstools
Prof. Dr. F. Weidhase / Hochschule Lausitz und EBZ-Dresden e.V.
Im Browser lauffähiges Tool in hoher Performance, Aussagekraft und Bedienerfreundlichkeit.
Hohe Verfügbarkeit und Performance bietet ein Cloud-Double mit einem Server am EBZ-Dresden und einen an der Brandenburgischen TU.
Alle Wartungsarbeiten können mit minimalen Aufwand zentralisiert erfolgen.
Die Nutzung ist in Form von „Software-as-a-Service (SaaS)“ bis 8/2017 für das Handwerk gesichert.
Zur Laufzeit des Projektes smartAdvisor (bis 12/2015) haben Projektbeteiligte kostenlosen Zugang.
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Vor- und Nachteile von
Clouds
• Unsere Lösung vereint als Hybrid-Cloud die positiven Eigenschaften ohne deren Nachteile.
• Es gibt keine Daten-Auslagerung an „Fremde“.
• Abhängigkeiten werden vermieden.
Derr Entscheidende Lösungsansatz ist, dass Cloud-Betreiber und Cloud-Nutzer vereint sind.
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Erschließen der Potenziale von
,Industrie 4.0‘ im Mittelstand
Quelle / Studie: http://www.bmwi.de/DE/Mediathek/publikationen,did=716886.html
• Für den Mittelstand, speziell
auch für die Digitalisierung
der Wertschöpfungs- und
Marktprozesse im
Handwerk, wird seitens der
Regierung ein
außergewöhnlich hohes
Potential an neuen
Geschäftsbereichen in der
Wertschöpfungskette
gesehen.
• Arbeiten in dieser Richtung
werden in zahlreichen
Projekten gefördert.
• Das gilt insbesondere für
Einsatzfälle in der Produktion
aber auch in der beruflichen
Bildung.
Bezugnehmend auf die Pressemittelung (24. Juni 2015) von
Staatssekretär Machnig zur Unterstützung kleinerer und mittlerer
Unternehmen bei der Digitalisierung
• sehen wir unsere Aufgabe besteht darin, KMU-Unternehmen zu informieren und
beraten, sie für die Digitalisierung zu sensibilisieren und sie bei Fragen der
Qualifikation sowie durch konkrete Anschauungs- und Erprobungsmöglichkeiten zu
unterstützen.
• Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen KMU-Unternehmen den Weg der digitalen
Transformation gehen und die Chancen von ‚Industrie 4.0‘ erkennen und nutzen.
Unser Ziel ist es, KMU-Unternehmen durch Vermittlung von Erfahrungen und der
fachlichen Begleitung auf dem Weg zur Digitalisierung zu helfen.
Mit den hier vorgestellten Vorarbeiten, bestehenden Infrastrukturen
und Know-How sehen wir uns hierfür gut gerüstet.
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Informations- und Demonstrationszentrum
„Digitalisierung im Handwerk
Mittelstand 4.0“
18.12.2014 Prof. F. Weidhase BTU Cottbus-Senftenberg und EBZ Dresden 27
Ansprechpartner:
Prof. Dr. rer. nat. Frieder Weidhase
Brandenburgische Technische Universität
Cottbus-Senftenberg (BTU C-S)
Lehrstuhl: „Funkbasierende und optische
Kommunikationssysteme“
Mail: [email protected] Telefon: 0351/2679501
Für Hinweise bin ich jederzeit dankbar.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!