DEFT: Dezentrale Energiespeicher zur Flexibilitätssteigerung von Thermoprozessen
Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF), 01. September 2026 – 31. August 2028
Projektbeschreibung
Der Prozesswärmebedarf der deutschen Metall‑, Glas- und Keramikindustrie macht rund ein Drittel des industriellen Energieverbrauchs aus und wird zu über 90 % durch fossile Brennstoffe gedeckt. Mit der Energiewende werden Prozesse zunehmend (teil-) elektrifiziert, wodurch die Stromnachfrage steigt. Gleichzeitig erhöht der Ausbau erneuerbarer Energien durch volatile Netzauslastung und Strompreise das Risiko der Energieversorgung. Daher müssen Prozesse flexibler werden, um sich an schwankende Bedingungen anzupassen. Eine Strategie ist die Installation dezentraler Energiespeicher und deren Integration in die Prozesse. Das schafft neue Herausforderungen für Anlagenbetreiber, Netzbetreiber und Lieferanten, eröffnet aber auch Marktpotenziale.
Projektziele
Im Projekt werden Nutzungsmöglichkeiten von Energiespeichern in der Thermoprozesstechnik untersucht. Dazu wird geprüft, welche Speichertechnologien (z. B. Natrium-Schwefel- und Lithium-Ionen-Batterien sowie sensible keramische Wärmespeicher) Thermoprozesse verschiedener Branchen am besten ergänzen. Virtuelle Unternehmensstandorte werden als mathematische Modelle lokaler Strom- und Wärmesysteme aus Quellen, Speichern und Prozessen abgebildet und hinsichtlich Prozessführung und Wirtschaftlichkeit analysiert. Ziel ist zu bestimmen, wann Speicher sinnvoll und rentabel sind, daraus Auslegungsrichtlinien und Betriebsstrategien abzuleiten und Regelkonzepte abhängig von Versorgungsbedingungen zu entwickeln. Zudem wird die Netzreaktion auf den breiten Einsatz dezentraler Speicher untersucht.
Das Projekt teilt sich in drei Teilprojekte auf:
EcoDEFT
Das Teilvorhaben EcoDEFT verfolgt das Ziel, den Einsatz dezentraler Energiespeicher in Verbindung mit Thermoprozessen wirtschaftlich zu bewerten und daraus Entscheidungshilfen für Investition und Betrieb abzuleiten. Dabei werden sowohl technische Prozessanforderungen als auch aktuelle und zukünftige Entwicklungen des Energiemarkts berücksichtigt.
Im Projekt werden zunächst verfügbare Speichertechnologien anhand technischer und wirtschaftlicher Kennzahlen charakterisiert und hinsichtlich ihrer Eignung für industrielle Thermoprozesse bewertet. Parallel wird ein Strommarktmodell zur integrierten Einsatzplanung industrieller Verbraucher weiterentwickelt und um verschiedene zukünftige Energiemarktszenarien ergänzt. Auf Basis der Prozessanforderungen und Speicherkennzahlen werden geeignete Prozess-Speicher-Kombinationen ausgewählt und dimensioniert. Anschließend werden unterschiedliche Betriebsszenarien wirtschaftlich bewertet und mit dem Stand der Technik verglichen. Sensitivitätsanalysen dienen dazu, wesentliche Einflussgrößen auf die Wirtschaftlichkeit des Speicherbetriebs zu identifizieren.
Aus den Ergebnissen wird eine übertragbare Entscheidungshilfe für die Auswahl, Dimensionierung und wirtschaftliche Betriebsweise von Energiespeichern abgeleitet. Das Ergebnis ist ein praxisorientierter Leitfaden, der Empfehlungen für zukünftige Investitions- und Betriebsentscheidungen zusammenfasst und mit den Ergebnissen der verknüpften Teilvorhaben zusammengeführt wird.
ModelDEFT
Das Teilvorhaben ModelDEFT verfolgt das Ziel, eine Energiesystem-Simulationsumgebung für Thermoprozessketten weiterzuentwickeln und darauf aufbauend Prozess- sowie Speichermodelle zu implementieren, zu validieren und für technische Handlungsempfehlungen nutzbar zu machen.
Im Projekt wird zunächst das vorhandene FOCUS Framework, eine Open Access Software zur Simulation von Energiesysteme, zu einer modularen Simulationsumgebung ausgebaut. Anschließend werden Modelle zur Abbildung der für die Thermoprozesstechnik relevanten Systeme entwickelt. Dies umfasst die Implementierung von Prozessmodellen für exemplarische Thermoprozessschritte, elektrochemischen Speichermodellen sowie von thermischen Speichermodellen. Modelle beider Speicherarten werden zusätzlich durch Auslegungstools ergänzt. Die Einzelmodelle werden in die Simulationsumgebung integriert und zu vollständigen lokalen Energiesystemmodellen zusammengeführt. Die entstehenden Modellketten werden in Kurzzeitsimulationen überprüft. Anschließend erfolgen Rechenzeitoptimierungen und Langzeitsimulationen verschiedener Prozess- und Speicherkonfigurationen.
Die Simulationsergebnisse werden technisch ausgewertet und in Handlungsempfehlungen überführt. Basierend darauf werden Empfehlungen zur Speicherdimensionierung und zum Speicherbetrieb definiert. Das Ergebnis ist ein Leitfaden, der die Erkenntnisse aus dem Teilvorhaben sowie den verknüpften Teilvorhaben bündelt.
ProcessDEFT
Das Teilvorhaben ProcessDEFT verfolgt das Ziel, Thermoprozesse und dezentrale Energiespeicher durch modellbasierte Prozessintegration, Automatisierung und Optimierung flexibel zu koppeln und einen technisch sowie wirtschaftlich optimierten Betrieb zu ermöglichen. Hierzu werden standardisierte Datenstrukturen, Entscheidungs- und Optimierungsmodelle sowie ein digitales Assistenzsystem entwickelt.
Im Projekt werden zunächst die funktionalen, datenbezogenen und automatisierungsrelevanten Anforderungen für den gekoppelten Prozess-Speicher-Betrieb definiert. Darauf aufbauend werden strukturierte Daten- und Metadatenmodelle sowie AAS-Submodelle entwickelt, die eine standardisierte und interoperable Nutzung von Prozess‑, Speicher- und Energiesystemdaten ermöglichen. Eine durchgängige Datenpipeline dient der automatisierten Erfassung, Aufbereitung und Bereitstellung der benötigten Betriebsdaten. Ergänzend werden Entscheidungslogiken und Optimierungsalgorithmen entwickelt, die Prozesszustände, Speichergrenzen sowie technische und wirtschaftliche Kennzahlen berücksichtigen. Die Modelle werden mit den Simulationen aus ModelDEFT und den energiewirtschaftlichen Eingangsdaten aus EcoDEFT verknüpft.
Die entwickelten Methoden werden in einem digitalen Assistenzsystem zusammengeführt, das Prozess- und Speicherzustände visualisiert, Kennzahlen auswertet und Handlungsempfehlungen für den Betrieb bereitstellt. Das Ergebnis ist ein praxisorientierter Leitfaden zur Datenintegration, Automatisierung und optimierten Kopplung von Thermoprozessen und Energiespeichern.
Projektpartner
- RWTH Aachen University
IOB – Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik - RWTH Aachen University
IAEW – Elektrische Anlagen & Netze, Digitalisierung & Energiewirtschaft - RWTH Aachen University
ISEA – Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe - RWTH Aachen University
IAT – Lehrstuhl für Informations- und Automatisierungs-systeme für die Prozess- und Werkstofftechnik
Kontakt
Manuel Sanders, M.Sc.
+49 241 80–26066
Jan Erik Menzler, M.Sc.
+49 241 80–25944
Luis Schrade, M.Sc.
+49 241 80–25925
Kalyan Yarramsetty, M.Sc.
+49 241 80–28921
Felix Kaiser, M.Sc.
+49 241 80–25943
Förderung
EcoDEFT
Das Forschungsvorhaben EcoDEFT (Vorhaben-Nr. 01IF008AE) als Teil des Leittechnologievorhabens DEFT wurde über die Forschungsgemeinschaft für elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.V. (FGH) eingereicht. Es wird über den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und ‑entwicklung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages finanziell gefördert.
ModelDEFT
Das Forschungsvorhaben ModelDEFT (Vorhaben-Nr. 01IF008BE) als Teil des Leittechnologievorhabens DEFT wurde über die Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V. (FOGI) eingereicht. Es wird über den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und ‑entwicklung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages finanziell gefördert.
ProcessDEFT
Das Forschungsvorhaben ProcessDEFT (Vorhaben-Nr. 01IF008CE) als Teil des Leittechnologievorhabens DEFT wurde über die Forschungsvereinigung Elektrotechnik beim ZVEI e.V. eingereicht. Es wird über den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und ‑entwicklung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages finanziell gefördert.