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Connect_Hydro Erhöhung der Energieproduktion von Kleinwasserkraftanlagen durch eine vernetzte intelligente Steuerung

Ein neues intelligentes Vernetzungssystem bezieht aktuelle Kraftwerksdaten einer Kette von KWKWs an einem Fluss ein und ermöglicht eine optimale Gesamtsteuerung und somit eine gemeinschaftliche Regelung von Kleinwasserkraftwerken anstelle einer reinen singulären Regelung. Die Vernetzung sieht somit die Sammlung und Auswertung aktueller Daten von Kleinst- und Kleinstwasserkraftwerken in Kraftwerksketten (z.B. Leistungsdaten, Pegelstände, Maschinenparameter) in Echtzeit vor. Intelligentes Verhalten soll dabei Steuerinformationen zur Leistungsoptimierung und bedarfsgerechten Produktion für die beteiligten Kraftwerke bereitstellen. Auch externe Daten wie z.B. Niederschlagsdaten können dabei automatisiert miteinfließen. Ein solches automatisches Kontroll- und Vernetzungssystem, das im Projekt als wissensbasiertes System konzipiert wurde, kann die Kosten der Energieproduktion erheblich senken, in dem es den Instandhaltungsaufwand vermindert und die Verlässlichkeit erheblich gesteigert werden. Darüber hinaus lässt es die Turbinen effizienter arbeiten und die Energieproduktion ohne Eingriff in die Natur aus dem zur Verfügung stehenden Wasserangebot deutlich steigern. Intelligente Kontrollsysteme ermöglichen eine ferngesteuerte Überwachung der Anlagen, wodurch eventuelle Störungen schneller zu beheben sind und dadurch eine zusätzliche Effizienzsteigerung zu generieren ist.

Ausgangssituation

Kleinst- und Kleinwasserkraftanlagen (KWKWs) decken in etwa 9% des österreichischen Strombedarfs und nehmen durch ihre dezentrale Energieversorgung einen hohen Stellenwert für die Versorgungssicherheit und Regionalwirtschaft ein. Eine stetige Abwärtsentwicklung der Stromhandelspreise aufgrund von Marktverwerfungen sowie hohe Anforderungen durch die EU-Wasserrahmenrichtlinie führen jedoch zu einer Gefährdung des Betriebs der Anlagen, sodass vermehrt alternative Technologie- bzw. Verwertungskonzepte überlegt werden. Ein Großteil der KWKWs ist nach wie vor mit veralteten Regeleinrichtungen ausgestattet, wobei alleine durch die Modernisierung der Steuerung die Energieausbeute deutlich erhöht werden könnte. Zudem handelt es sich bei der KWKW-Steuerung meist um eine Insellösung, auch weil an einem Fluss meist verschiedene Kraftwerksbetreiber tätig sind. In der Vernetzung bzw. koordinierten Steuerung und Optimierung analog zu großen Kraftwerksketten besteht somit ein erhebliches Potential, dass bislang für Kleinwasserkraftwerke nicht betrachtet wurde. Dazu bedarf es jedoch einer übergeordneten Logik, welche durch ein wissensbasiertes System bereitgestellt werden kann. Als Teilgebiet der Künstlichen Intelligenz befasst sich das wissensbasierte System mit der Automatisierung von intelligentem Verhalten. Im Vergleich zu einem rein algorithmischen Lösungsansatz sind diese Systeme meist einfacher verständlich und zudem besser zu warten. 

Projektverlauf

In der Sondierung eines neuen intelligenten Vernetzungssystems für Kleinst- und Kleinwasserkraftanlagen (KWKWs) ergaben sich für das Projekt folgende Analyseschritte:

  • Erstellung eines Grobkonzepts in einer frühen Projektphase

Für die Erstellung des Grobkonzepts wurde zunächst ermittelt, welche Daten von den im Rahmen des Projekts analysierten KWKWs und anderen Quellen prinzipiell bereitgestellt werden können und welche Maßnahmen nötig sind, um diese Daten auch nutzen zu können. Weiters wurde analysiert, welche Daten für die intelligente Vernetzung von KWKWs nötig sind. Ausgehend  von diesen Anforderungen an die Daten wurden die potentiell nutzbaren Daten zugeordnet und wenn keine direkte Zuordnung möglich war, ein Weg zur Ableitung der gewünschten Daten gefunden. Des Weiteren wurde eine Grobdefinition der Anforderungen an eine intelligente Vernetzungslösung vorgenommen und die Systemgrenzen formuliert. 

  • Erarbeitung eines Umsetzungskonzeptes für das Informationssystem anhand der im Zuge des Projekts gewonnenen Informationen

Um aus dem formulierten Grobkonzept ein Umsetzungskonzept ableiten zu können, wurden die Anforderungen an die intelligente Vernetzungslösung in Bezug auf die benötigten Hardware- und Softwarekomponenten näher betrachtet. Dazu wurden einerseits eine Analyse und Bewertung der am Markt verfügbaren Hard- und Softwarekomponenten anhand eines zuvor definierten Kriterienkatalogs vorgenommen. Andererseits wurden die im Grobkonzept definierten Anforderungen verfeinert bzw. vervollständigt und es wurden Lösungskonzepte für die jeweiligen Anforderungen entwickelt. Abschließend wurden die Anforderungen, Lösungskonzepte und die getroffene Auswahl für die zur Lösung zu verwendenden Hard- und Softwarekomponenten in ein Gesamtkonzept zusammengefasst.

  • Techno-ökonomische Bewertung sowie Potentialanalyse in Hinblick auf die österreichische Kleinwasserkraft

Im Zuge der techno-ökonomischen Bewertung erfolgte eine Gegenüberstellung der durch das wissensbasierte System vernetzten Kleinwasserkraftwerke mit dem Status quo um daraus energetische, betriebs- sowie volkswirtschaftliche Größen abzuleiten. Dabei erfolgte mithilfe der vorherigen Ergebnisse in einem ersten Schritt eine Potentialabschätzung unter Berücksichtigung der topografischen Möglichkeiten zur intelligent vernetzten Kette von Kleinwasserkraftwerken an den oberösterreichischen und österreichischen Fließgewässern. Die Hochrechnung erfolgte für Oberösterreich auf Basis der Ergebnisse aus Vorprojekten und für Österreich anhand von Statistiken. Parallel dazu erfolgte in Kooperation mit den Projektpartnern die ökonomische Analyse in Abhängigkeit der Ergebnisse der Potentialanalyse. Demnach wurden nach dem Prinzip der Lernrate unterschiedliche Varianten (verkaufte Einheiten an Vernetzungslösungen) techno-ökonomisch bewertet. Schließlich erfolgte zur Vervollständigung der ökonomischen Analyse eine volkswirtschaftliche Betrachtung der Ergebnisse, im Zuge dessen makro-ökonomische Parameter wie z.B. Bruttowertschöpfung, Investitionen der Unternehmen, energetische Importe, usw. quantifiziert wurden.

 

Meilensteine
1 Erarbeitung des Status quo der Regelung und Steuerung von KWKWs
2 Durchführung der Anforderungsanalyse inkl. Anforderungsabgrenzung und Ableitung Grobkonzept
3 Erstellung Datenbank durch Erhebung relevanter Daten
4 Durchführung Datenanalyse
5 Erstellung Kriterienkatalog für die verwendeten Hard- und Softwarekomponenten
6 Ableitung Umsetzungskonzept
7 Durchführung techno-ökonomische Bewertung
8 Durchführung Potentialanalyse und makroökonomische Analyse
Ergebnisse

Das Projekt Connect_Hydro setzt sich intensiv mit der Möglichkeit einer intelligenten Vernetzung von Kleinst- und Kleinwasserkraftanlagen (KWKWs) auseinander. Der Stand des Wissens bezüglich einer Vernetzung sowie die allgemeinen Problemstellungen von Kleinwasserkraftanlagen werden dabei klar und deutlich ersichtlich. Trotz des hohen Stellenwerts für die Versorgungssicherheit und Regionalwirtschaft sind gerade kleine Wasserkraftanlagen besonders stark von der Abwärtsentwicklung der Stromhandelspreise sowie der hohen Anforderungen durch die EU-Wasserrahmenrichtlinie betroffen. Ein Großteil der KWKW ist zudem mit veralteten Regeleinrichtungen ausgestattet, die meist als Insellösungen betrieben werden, auch weil an einem Fluss meist verschiedene Kraftwerksbetreiber tätig sind. Vor diesem Hintergrund ergibt sich ein erhebliches Potential für alternative Technologie- bzw. Verwertungskonzepte.

Durch das Projekt wurde die Situation bzw. Problemlage von Kleinwasserkraftanlagen jedenfalls ersichtlicher und klarer, was v.a. auf die intensive Einbindung von Betreibern zurückzuführen ist. Auf Basis dessen konnten die Anforderungen einer Vernetzung definiert werden sowie Hard- und Software für die Datenaufzeichnung und –analyse entwickelt werden. Zudem wurde der Beweis erbracht, dass durch eine intelligente Vernetzung bzw. ein entsprechendes Informationssystem eine Optimierung der Energieproduktion und somit eine Steigerung des Stromoutputs erreicht werden kann. Eine Potentialabschätzung zeigt zudem erhebliche Potentiale für Vernetzungslösungen in Österreich sowie aus wirtschaftlicher Sicht geringe Gestehungskosten bei steigender Anzahl an umgesetzten Vernetzungslösungen.

Das Ziel, ein Umsetzungskonzept  für die Vernetzung von KWKWs zu erstellen wurde erreicht. In diesem Kontext ergeben sich jedoch weitere Forschungsfragen bzw. Aufgabenstellungen die in zukünftigen anwendungsorientierten F&E-Aktivitäten in diesem Bereich zu bearbeiten sind. Vordergründig soll aufbauend auf das im Zuge des Projektes erarbeitete Umsetzungskonzept u.a. eine prototypische Umsetzung implementiert und getestet werden. Zudem gilt es noch weitere Aspekte des Umsetzungskonzepts zu betrachten, wie z.B. die Festlegung der Anforderungen Dritter. 

Steckbrief

Projektnummer
853694
Koordinator
Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz
Projektleitung
Robert Tichler, tichler@energieinstitut-linz.at
Partner
nextsoft it GmbH
Drack Elektrotechnik
Verein Kleinwasserkraft Österreich
JKU Linz, Institut für Anwendungsorientierte Wissensverarbeitung (FAW)
Schlagwörter
Wasserktraft Kleinwasserkraft Intelligente Vernetzung Erneuerbare Energie
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
03.2016 - 04.2017
Budget
271.558 €