Den goda nyheten är att förnybar energi står för nästan 50 procent av den el som produceras i Tyskland. Den dåliga nyheten är att de saknar flexibiliteten att anpassa sig till dagens fluktuerande elbehov. De tillhandahåller bara elektrisk energi när vinden blåser eller solen skiner. I en perfekt värld, ingenjörer skulle hitta ett sätt att lagra de enorma mängder energi som genereras av förnybara energikällor och samordna kraftproduktion och lagring. Och det är precis vad ES-FLEX-INFRA, ett gemensamt projekt som leds av Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI, syftar till att göra.

Finansieras av delstaten Nordrhein-Westfalen, ES-FLEX-INFRA-projektets uttryckliga mål är att koppla samman energisektorer i ett försök att göra deras infrastruktur mer flexibel. Mjukvaran som utvecklats för detta syfte syftar till att göra det möjligt för kraftverk att analysera och flytta laster, och integrera lagringsanläggningar i den urbana infrastrukturen. Yrkeshögskolan TH Köln, Werusys GmbH &Co. KG och Rheinische NETZGesellschaft mbH har anslutit sig till Fraunhofer SCAI i denna satsning.

"Vad händer när efterfrågan på el är hög men solen inte skiner? Hur använder vi överskottsenergin när situationen är den vända? Om andelen förnybar energi fortsätter att växa, de enskilda energisektorernas konventionella ansträngningar för att optimera energianvändningen kommer inte längre att räcka. Istället, det kommer att bli nödvändigt att koppla samman energisektorer som elkraft, naturgas, fjärrvärme och transporter, säger Dr Bernhard Klaassen, som stödjer projektet på Fraunhofer SCAI. "Till exempel, det är mycket mer kostnadseffektivt och effektivt att flytta laster för att balansera ut elproduktion och förbrukning, använda industriell spillvärme och lagra värmeenergi än att lagra energi i form av el."

Öka effektiviteten med tvärenergihantering

När de olika energisektorerna väl är anslutna, denna sektorkoppling kan tjäna till att reglera produktion och lagring även av värme. En oundviklig bieffekt av att generera elektrisk kraft, värme kan vara så mycket mer än bara en restprodukt. När det är som bäst, denna typ av energiöverskridande hantering skulle vara en perfekt kombination av el- och värmegenerering i kombination med optimal lagring, distribution och användning av denna energi. Detta skulle göra strömförsörjningen baserad på förnybar energi mycket mer tillförlitlig och sätta den på vägen mot mainstream-acceptans som en livskraftig, långsiktig lösning.

Forskarna körde virtuella försök i simuleringar för att utveckla ES-FLEX-INFRA som en mjukvarustödd lösning, men de undersökte också Rheinische NETZGesellschafts verkliga nät under varierande belastningsförhållanden. Deras bedömning gällde den elektriska kraften, gas- och värmesektorerna.

Några av alternativen som kan göra infrastrukturen mer flexibel är:

• Med hjälp av värmepumpar, ackumulatorer eller galler för att ta vara på spillvärme och andra värmeflöden som vanligtvis inte används
• Att implementera kraft-till-gas-lösningar för att generera metan med överskottsel av el samtidigt som man tappar kraft-till-gas processvärme för användning i kraftvärmesystem
• Inköp och matning av metan till gasnät och lagringsanläggningar, och använda den i kraftvärmesystem
• kanalisering av överskottsel till elfordon eller, via el-till-gas, till fordon som körs på naturgas

Första industriella applikationen igång

"Efterfrågan på lagring och andra flexibla alternativ kommer att fortsätta att växa. Utträdet från fossila bränslen och kärnkraft kommer bara att bli effektivt och en ekonomisk framgång om vi lyckas koppla upp elen, värme, gas- och transportsektorerna — t.ex. genom elektrisk mobilitet eller fordon som drivs av naturgas – och dra nytta av lastflödes- och lagringssynergier, säger Klaassen.

Industrin upptäcker fördelarna med sektorkoppling. Företag undersöker simuleringsmjukvaran utvecklad av Fraunhofer SCAI för att stödja deras planeringsinsatser, till exempel, för vätetillämpningar. Tysklands ledande gasledningsoperatör, Essen-baserade Open Grid Europe GmbH (OGE), och andra använder det redan i industriella tillämpningar.