Methodik zur Implementierung energieflexibler Betriebsstrategien für raumlufttechnische Anlagen im Produktionsumfeld

Der fortschreitende und für die Erreichung der Klimaziele essenzielle Ausbau erneuerbarer Energien führt zu einer zunehmenden Volatilität der Großhandelspreise und der CO2-Emissionsfaktoren des deutschen Strommixes. Bleibt das Verbrauchsverhalten unverändert, resultieren daraus steigende Stromkosten sowie erhöhte, mit der Energiebereitstellung verbundene CO2-Emissionen. Zudem verschärft das Ungleichgewicht zwischen Stromerzeugung und -nachfrage die Belastung der Stromnetze. Energieflexibilitätsmaßnahmen bieten einen Lösungsansatz, um diese Herausforderungen zu adressieren und wirtschaftliche sowie ökologische Potenziale zu erschließen. Durch eine gezielte Verlagerung des Strombezugs in Zeiten niedriger Preise und Emissionsfaktoren lassen sich gerade bei energieintensiven Prozessen erhebliche Einsparungen erzielen. Dazu zählen auch die in dieser Arbeit untersuchten raumlufttechnischen Anlagen und deren Kältebereitstellung, die einen signifikanten und weiter wachsenden Anteil am industriellen Endenergiebedarf einnehmen. Die Umsetzung energieflexibler Betriebsstrategien ist jedoch komplex. Sie erfordert neben einem fundierten Systemverständnis auch die Entwicklung und Anwendung geeigneter Regel- und Optimierungsalgorithmen, um die elektrische Last bedarfsgerecht anzupassen, ohne definierte Komfortgrenzen – etwa hinsichtlich Raumlufttemperatur oder Luftqualität – zu überschreiten. Anders als bei etablierten Energieeffizienzmaßnahmen bestehen in diesem vergleichsweise jungen Forschungsfeld noch erhebliche Anwendungshürden, unter anderem aufgrund fehlender Erfahrungen, mangelnder Demonstrationsvorhaben und begrenzter Expertise im automatisierten, energieflexiblen Anlagenbetrieb. Zur Überwindung dieser Hürden wird in der vorliegenden Forschungsarbeit eine systematische Methodik zur Implementierung energieflexibler Betriebsstrategien entwickelt und exemplarisch an einem realen Demonstrator in der ETA-Fabrik der Technischen Universität Darmstadt angewendet. Nach einer physischen sowie informations- und kommunikationstechnischen Systembefähigung gelingt es, mittels eines entwickelten Fuzzy-Reglers die Ventilatorleistung sowie den Betriebsmodus des Kälteversorgungssystems flexibel an volatile Preissignale und CO2-Emissionsfaktoren anzupassen. Ein neuartiger Phasenwechselmaterial-Speicher mit hoher Speicherdichte und stabiler Kühlleistung wird dabei gezielt in die Regelstrategie eingebunden. Durch die Anwendung der Methodik am Demonstrator konnten unter einem dynamischen Stromtarif 28,2 % der Bruttostromkosten (beziehungsweise 52,1 % im Vergleich zu einem Festpreistarif) sowie 27,3 % der CO2-Emissionen eingespart werden – bei vollständiger Einhaltung aller Komfortgrenzen. Im abschließenden Schritt der Methodik wird der entwickelte Fuzzy-Regler standardisiert und als kostenfreier Node-RED-Flow veröffentlicht, um die Übertragbarkeit auf weitere industrielle Systeme mit minimalem Anpassungsaufwand sicherzustellen. Die Kombination aus validierter Methodik und offen zugänglichem Regler stellt ein strukturiertes Vorgehen zur Umsetzung energieflexibler Betriebsstrategien bereit und kann – gemeinsam mit dem in dieser Arbeit realisierten Demonstrationsvorhaben – als praxisnaher Umsetzungsleitfaden dienen. Die Methodik ist dabei nicht auf raumlufttechnische Anlagen beschränkt, sondern grundsätzlich auch auf andere flexibilisierbare Systeme übertragbar.

The ongoing and essential expansion of renewable energy sources – critical for achieving climate targets – is leading to increasing volatility in wholesale electricity prices and the CO2 emission factors of the German power mix. If consumption behavior remains unchanged, this results in rising electricity costs and higher CO2 emissions associated with energy provision. Furthermore, the imbalance between generation and demand places additional stress on the power grid. Energy flexibility measures offer a promising approach to address these challenges while unlocking economic and ecological potential. By shifting electricity consumption to periods of lower prices and emission factors, significant savings can be achieved, especially in energy-intensive processes. This includes the air handling systems and associated cooling supply examined in this study, which account for a significant and growing share of industrial final energy demand. However, implementing energy-flexible operation strategies is complex. It requires not only a deep understanding of system behavior but also the development and application of appropriate control and optimization algorithms that adapt the electrical load to the situation without violating defined comfort constraints – such as indoor air temperature or air quality. Unlike well-established energy efficiency measures, this relatively new research field still faces considerable implementation barriers, including limited practical experience, a lack of demonstrator projects, and scarce expertise in automated, energy-flexible system operation. To overcome these challenges, this thesis presents a systematic methodology for the implementation of energy-flexible operation strategies, which is applied to a real-world demonstrator at the ETA Factory of Technical University of Darmstadt. Following physical as well as information and communication technology system enablement, a supervisory fuzzy controller is used to flexibly control fan power and the operating mode of the cooling supply system in response to volatile price and CO2 signals. A novel phase change material thermal energy storage with high energy density and stable cooling performance is purposefully integrated into the control strategy. The results demonstrate average savings of 28.2 % in gross electricity costs compared to a dynamic tariff (52.1 % compared to a fixed tariff) and 27.3 % in CO2 emissions – all while fully maintaining comfort boundaries. In the final step of the methodology, the fuzzy controller is standardized and made openly available as a Node-RED flow to enable easy transfer to other industrial systems with minimal effort. The combination of a validated methodology and openly accessible control solution provides a structured approach for implementing energy-flexible operation strategies. Together with the demonstrator presented in this study, it serves as a practical implementation guide. The methodology is not limited to air handling systems but is generally transferable to other flexible energy systems.