COMET-Programm

Die strategischen Zielsetzungen von COMET sind der Aufbau neuer Kompetenzen durch die Initiierung und Unterstützung einer langfristig ausgerichteten Forschungszusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft auf höchstem Niveau sowie der Aufbau und die Sicherung der Technologieführerschaft von Unternehmen. Durch die Weiterentwicklung und Bündelung existierender Stärken und die Einbindung von internationalem Forschungs-Know-how soll der Forschungsstandort Österreich nachhaltig gestärkt werden.

Das Kompetenzzentrum BEST - Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH wird im Rahmen von COMET - Competence Centers for Excellent Technologies durch BMK, BMAW und die Länder Wien, Niederösterreich und Steiermark gefördert. Das Programm COMET wird durch die FFG abgewickelt.

Als Bindeglied zwischen akademischer Forschung und industrieller Technologieentwicklung ist es unsere Vision, nachhaltige und zirkuläre Bioraffinerieprozesse und -technologien zur Herstellung von grünen Gasen, grünen flüssigen Kraftstoffen und grünen Produkten zu entwickeln und zu demonstrieren, um den Übergang zu einer klimaneutralen und von fossilem Kohlenstoff freien Wirtschaft zu unterstützen. Daher wird die Ressourcenbasis auf organische Reststoffe, Abfälle und CO2 erweitert. Umwandlungstechnologien werden weiterentwickelt oder neu konzipiert, um einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen und eine angemessene Systemintegration der Wertschöpfungskreisläufe auf Basis neuer Rohstoffe zu ermöglichen. Durch die Nutzung unserer hervorragenden experimentellen Einrichtungen, die vom Labor bis zur Pilot- und Demonstrationsanlage reichen, ist es unser Ziel, angewandte Forschung von höchster wissenschaftlicher Qualität durchzuführen.

Fortschrittliche digitale Methoden setzen wir für die Technologieentwicklung ein und nutzen diese auch für die Basisautomatisierung, die Optimierung und die Überwachung des Betriebs von Einzeltechnologien und von Gesamtanlagen. Mit Hilfe holistischer und technologieneutraler Planungswerkzeuge sichern wir die bestmögliche Integration von Bioraffinerien und Energiebereitstellungstechnologien in ein nachhaltiges, erneuerbares Energie- und Ressourcensystemsystem.

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ÖKO-OPT-QUART

Ökonomisch optimiertes Regelungs- und Betriebsverhalten komplexer Energieverbünde zukünftiger Stadtquartiere.

In zukünftigen Stadtquartieren wird zunehmend auf die gezielte Kombination verschiedener, nach Möglichkeit erneuerbarer Energiequellen gesetzt. Die daraus entstehenden Energieverbünde werden jedoch zunehmend komplexer. Diese zunehmende Komplexität resultiert dabei im Wesentlichen aus der Abhängigkeit der regenerativen Energiebereitstellung von nicht beeinflussbaren, variierenden Umwelteinflüssen wie Wind und Sonne, der zunehmenden Dezentralisierung und dem steigenden Effizienzdruck. Die derzeit angewandten Steuerungsverfahren sind jedoch noch nicht in der Lage, solche komplexen Systeme zuverlässig und effizient zu betreiben. Um geeignete Regelstrategien zu entwickeln, die ein robustes und effizientes Betriebsverhalten gewährleisten, sind detaillierte Simulationsmodelle erforderlich. Jedoch sind solche Modelle aufgrund der hohen Systemkomplexität bisher nur in Ansätzen verfügbar.

Im Projekt ÖKO-OPT-QUART wurde eine modellprädiktive Regelung (Model Predictive Control, MPC) auf Basis eines energietechnischen und ökonomischen Simulationsmodells entwickelt. Die entwickelte MPC wurde für die geplanten Stadtteile Q1 und Q4 des zukünftigen Stadtteils Graz-Reininghaus in Graz, Österreich, untersucht. Mit diesem Ansatz konnte die Investitions-, Installations- und Betriebsstrategie mit dem größten wirtschaftlichen Nutzen eindeutig identifiziert und zuverlässig bewertet werden. Zusätzlich zu den methodischen Erkenntnissen wurde ein Sekundärnutzen generiert. Die Bewertung der Entwicklungen anhand realer Randbedingungen ermöglichte es, das erworbene Wissen direkt in die reale Entwicklung des Stadtquartiers einfließen zu lassen.

Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Modelle (energiebasiert, ökonomisch und regelungstechnisch) für komplexe Energienetze in Stadtquartieren entwickelt. Die energiebasierte Modellierung beschreibt detailliert sowohl das thermische als auch das elektrische Verhalten eines urbanen Energieverbundes. Die ökonomische Modellierung ermöglicht eine kontinuierliche wirtschaftliche Bewertung der Betriebsart, indem sie die Möglichkeit bietet, die entstehenden Kosten zu verfolgen und zu analysieren. Das regelungstechnische Modell besteht entweder aus einer konventionellen Regelstrategie oder der im Projekt entwickelten MPC (siehe Abb. 1) für den Betrieb komplexer Energieverbünde in Stadtquartieren. Damit ist es möglich, die Effizienz beider Regelstrategien durch umfangreiche Simulationsstudien zu vergleichen.

Anschließend wurden die energiebasierten, ökonomischen und regelungstechnischen Modelle zu einem interdisziplinären Gesamtmodell (Co-Simulation) zusammengefasst, das die Simulation verschiedener Regelungsstrategien für die jeweiligen Stadtquartiere unter verschiedenen Randbedingungen ermöglicht.

Durch dieses Gesamtmodell war es erstmals möglich, den wirtschaftlichen Nutzen einer MPC für die Betriebsweise von Energieverbünden realistisch zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde eine Methodik zur systematischen Entwicklung einer MPC für komplexe Energieverbünde entwickelt.

Ausblick

Mit Hilfe der entwickelten MPC wurde für die betrachteten Stadtteile ein jährliches Einsparpotenzial der Gesamtkosten von bis zu 6% (75 k€) aufgezeigt.

Die modulare Implementierung der MPC ermöglicht eine einfache Anpassung an andere Stadtteile und Energiekonfigurationen.