Visualisierungs- und Beratungstool · zum Break-Even 13,73 Jahre 10,97 Jahre Kosten bis zum...

„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.


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)“


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


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).

http://www.solaranlage-ratgeber.de/solarenergie/energiequelle-sonne








Stark fluktuierende

Energieströme


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


Zugang über: http://visit.no-ip.info/EBZ/Vistool/ http://visit.ebz.de/Vistool/

http://visit.no-ip.info/EBZ/Vistool/




http://visit.ebz.de/Vistool/

Typischer tageszeitlicher Verlauf

mit Stromspeicherung



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.


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

http://svr-weidhase2.informatik.fh-lausitz.de/weidhase/Skripten/2011_Solar_Meeting_Langfassung.pdf








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


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.

http://visit.dyndns.info/ebz/tool/




Das Lastverschiebungspotential der Industrie und Haushalte


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.


Vervollkommnung zur

Sammlung von Tools

http://visit.no-ip.info/EBZ/Vistool/MyHome/Uebersicht






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/

http://visit.no-ip.info/EBZ/Live/




http://visit.ebz.de/Live/

http://visit.ebz.de/Live/


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.


Tool zur Abschätzung der

Nutzungsdauer von Stromspeichern

http://visit.ebz.de/Vistool/Akku/Lebensdauer




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

http://www.kit.edu/downloads/pi/KIT_PI_2015_057_Intersolar_-_sichere_und_effiziente_Heimspeicher_finden.pdf







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.

http://www.volker-quaschning.de/artikel/2013-06-Dimensionierung-PV-Speicher/index.php



















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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.


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.


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.

http://www.bmwi.de/DE/Mediathek/publikationen,did=716886.html

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.


Informations- und Demonstrationszentrum

„Digitalisierung im Handwerk

Mittelstand 4.0“


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!

mailto:[email protected]

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