Die Motivation für das Projekt EnergyHub

Die Verkehrswende und die Energiewende sind zwei Herausforderungen, denen sich Deutschland und Gesamt-Europa gegenübergestellt sieht. Unter der Voraussetzung, dass die Energie für Mobilität aus erneuerbaren Quellen erschlossen werden soll, sind diese Herausforderungen untrennbar miteinander verbunden und können nur zusammen gelöst werden. Eine spezielle Hürde stellt dabei jedoch die Branche der Logistik dar. Denn hier stehen einem enormen Energiebedarf und der Notwendigkeit großer Speicher und hohen Ladeleistungen diverse Potentiale für Prozessoptimierungen gegenüber. Einerseits bieten die bebauten Flächen umfangreiche Möglichkeiten zur Erzeugung von erneuerbarer Energie mittels Photovoltaik, andererseits erscheint der Aufbau einer Infrastruktur für die Wasserstofferzeugung und -betankung ebenfalls vielversprechend.

Mehrere Lkw fahren auf einer Autobahn durch grüne Landschaft bei sonnigem Wetter.
Solarmodule einer Freiflächenanlage in grüner Landschaft bei sonnigem Wetter.
Wasserstofftank mit Windrädern im Hintergrund bei Sonnenuntergang, Beschriftung „zero emission“.

Zielbild des Projektes

Energetische Transformation im Logistiksektor im Einklang mit den Verteilnetzen

  1. Wirtschaftlich orientierte Sektorenkopplung von Mobilität und Energie (PV, Speicher, E-LKW, Ladeinfrastruktur, …)
  2. Entwickeln einer Simulations- und Optimierungsplattform für nachhaltige Energiesysteme für Logistikhöfe zusammen mit nachhaltigen Mobilitätskonzepten (E-Mobilität, H2-Mobilität)
  3. Integration des Transport-Management-Systems in das Energie-Managementsystem zur Sicherstellung des wirtschaftlichen Betriebs des Logistikstandorts
  4. Umsetzung und Evaluierung einer Demonstrationsanlage in einem Logistikhof

Ablauf des Projektes

Die Arbeit im Projekt erfolgt grob nach dem skizzierten Phasenplan.

Nach dem Zusammentragen der Grundlagen und Randbedingungen werden diese in konkrete Anforderungen an das Tool mit seinen vier Modulen überführt. Darauf aufbauend wird die Software mit ihren vier Modulen entwickelt und abschließend in einem Feldversuch in der Praxis erprobt und evaluiert werden.

Strukturierung des Software-Tools

Das zu entwickelnde Software-Tool lässt sich dabei in vier miteinander verknüpfte Module einteilen:

  1. Das Standortplanungsmodul übernimmt die dynamische Planung und Dimensionierung der elektrotechnischen Anlagen wie den Ladesäulen und der Infrastruktur für Wasserstoff an einem Logistikstandort. Aus der Planung soll ein Tool zur Konzeptionierung hervorgehen, welches sowohl die logistischen Randbedingungen (wie z.B. die Logistikmanagementsoftware) als auch die energietechnischen Randbedingungen (bspw. vorhandene Lastgänge und energiemarktwirtschaftlichen Daten) an dem Logistikstandort berücksichtigt. Vor allem soll die Auslegung des Netzanschlusses und die Dimensionierung sowie Optimierung lokaler erneuerbarer Energieanlagen und stationärer Speicher automatisiert und standardisiert werden.
  2. Das Dispositionsmodul ermittelt den zeitlich aufgelösten Elektro- oder Wasserstoff-Energiebedarf der Fahrzeuge in der Logistikaufgabe und die darauf aufbauenden Transportpläne sowie die Lade- bzw. Tankvorgänge.
  3. Das Netzmodul dient zur Einbindung der energiemarktspezifischen Ist- und Planparametern in das Energiemanagement. Berücksichtigt werden unter anderem die aktuelle und prognostizierte Einspeisesituation und die aktuelle und prognostizierte Energiemarktsituation an den Netzverknüpfungspunkten.
  4. Das Energiemanagementmodul entscheidet in Echtzeit über die energetisch- und logistisch optimalen Energieflüsse im Energy Hub, weshalb dieses eng mit dem Netz- und dem Dispositionsmodul verknüpft ist. Als Basis für die Optimierung der Energieflüsse dienen die aktuellen und prognostizierten Randbedingungen des Netzmoduls und der Einsatzplan der Logistikmanagementsoftware. Zur Optimierung der Energieflüsse bestimmt das Modul die Nutzung stationärer Energiespeicher, die Lade- bzw. Entladeleistung an den Ladepunkten sowie die Leistung der Elektrolyseeinheiten zur Produktion von Wasserstoff. Des Weiteren bindet das Modul begrenzende Parameter wie den Verschleiß, den Alterungszustand und das Abschreibungsziel eines jeden aktiven Anlagenteils in die Entscheidungsfindung ein. Ziel soll es sein, neben der energetischen Optimierung des Logistikstandorts eine ökonomisch optimale Ausnutzung der Energieanlagen über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten.

Aufbau des Gesamtenergiesystems

Schematische Darstellung eines Energie- und Lademanagementsystems mit Fahrzeugflotte.
Das Schaubild zeigt ein vernetztes Energie- und Lademanagementsystem. Im Zentrum steht eine Middleware- / Entwicklungsplattform, an die mehrere Subsysteme angebunden sind: • Strommarktdaten fließen in das System ein. • Das Energiemanagement koordiniert Einspeisung, Verbraucher, Speicher, öffentliche Netze sowie Ladeinfrastruktur. • Die Ladeinfrastruktur wird vom Ladebackend gesteuert, das ebenfalls an die Middleware angebunden ist. • Eine Fahrzeugflotte aus E-PKWs und E-LKWs (als mobile Speicher) ist über das Ladebackend integriert. • Das Transportmanagement steuert und überwacht die Fahrzeugflotte. • Energieflüsse sind durch farbige Pfeile visualisiert: z. B. orange für Strombewegung, türkis für Informationsflüsse. Ziel ist ein ganzheitlich gesteuertes System zur Nutzung, Verteilung und Speicherung elektrischer Energie in einem intelligenten Netz.

Bei der elektrischen Logistik treten komplexe Problemstellungen auf, wie z.B. dynamische Tourenplanung und Fahrzeugdisposition oder Abstellortplanung sowie Kommissionierung. (Transport Management) Um diese Herausforderungen umweltschonend und effizient zu bewältigen, können erneuerbare Energien genutzt werden, welche einerseits lokal am Standort erzeugt und gespeichert oder andererseits aus dem öffentlichen Netz bezogen werden können. (Energiemanagement) Werden Logistikstandorte mit energetischen Anlagen nachgerüstet oder sogar neue Logistikanlagen konzipiert und gebaut, müssen die eingangs genannten Planungs- und Betriebsparameter berücksichtigt werden, damit ein funktionaler sowie umweltschonender und wirtschaftlicher Logistikstandort entsteht. In Kombination mit elektrischen Fahrzeugen sowie zugehöriger Ladeinfrastruktur und Ladeplanung kann die Energie ökologisch und wirtschaftlich genutzt werden. (Ladebackend) Um all die oben genannten Aspekte vereinen und optimieren zu können, soll in diesem Forschungsprojekt eine Entwicklungsplattform realisiert werden, die als Middleware alle Komponenten miteinander vernetzt.

Funktionsweise der Softwaremodule zur Optimierung des Systems

Viele der notwendigen Einzeltechnologien zur Bewältigung der Herausforderungen sind bereits technisch ausgereift oder werden in den nächsten Jahren großflächig verfügbar sein. Das Projekt EnergyHub konzentriert sich auf die zu erwartenden Auslegungs- und Planungsaufgaben sowie die Realisierung eines energetischen sowie ökonomischen Betriebs von Logistikzentren. Dabei sollen Fahrzeugkonzepte für LKW als BEV (Battery Electirc Vehicle) sowie FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) betrachtet werden. Zur Optimierung des Energiesystems wird neben stationären Speichern sowie lokalen Energie- und Wasserstofferzeugungsanlagen auch die Stabilisierung des Netzes untersucht.

Im Projekt soll als Lösungsansatz eine modulare Software-Werkzeugkette „Green Logistics Toolset“ entstehen, welche sowohl für die Planung und Auslegung (Standortplanungsmodul) als auch für den energetisch und wirtschaftlich optimalen Betrieb derartiger Logistikhöfe genutzt werden soll. (Dispositionsmodul) Zur Berücksichtigung des dynamischen Energiemarkts und insbesondere der erneuerbaren Energien wird zusätzlich ein Netzmodul entwickelt. Darüber hinaus soll mithilfe eines weiteren E-Managementmoduls sichergestellt werden, dass die Energie bedarfsgerecht und effizient zwischen den Fahrzeugen und stationären Verbrauchern aufgeteilt wird. Verwenden lassen soll sich das Toolset nicht nur als Gesamtpaket, sondern jedes der Module soll eigenständig und unabhängig zur Planung und Optimierung genutzt werden können.