Energiesystemintegration und Sektorkopplung am Beispiel der Forschungsinfrastrukturen Energy Lab und Living Lab Energy Campus (SEKO)

Im Zuge der Energiewende und der ambitionierten Zielsetzung zur Dekarbonisierung der Wirtschaft gewinnt die ganzheitliche Betrachtung und Integration von Energiesektoren zunehmend an Bedeutung. Der stetig wachsende Anteil erneuerbarer Energien (EE) erfordert ein intelligentes, flexibles und sektorenübergreifendes Energiesystem, das Schwankungen in Erzeugung und Verbrauch ausgleichen kann. Um dies zu ermöglichen, ist die Sektorkopplung zentral: Die Verknüpfung von Strom, Wärme/Kälte, Gas/Wasserstoff, Energiespeichern, Kraftstoffen und chemischen Energieträgern. Diese Integration wird maßgeblich durch Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) ermöglicht und erfordert innovative Forschungsplattformen, die reale und simulierte Systeme kombinieren.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurden seit 2015 die Forschungsinfrastrukturen Energy Lab und Living Lab Energy Campus aufgebaut – heute weltweit einzigartige Reallabore, die es ermöglichen, zukünftige Energiesysteme unter realen Bedingungen zu erforschen, zu testen und zu optimieren. Diese Plattformen dienen als lebendige Forschungsumgebung, in der experimentelle und simulationsbasierte Ansätze kombiniert werden, um intelligente, auf erneuerbaren Energien basierende Systeme zu entwickeln und zu demonstrieren.

Das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Projekt „Energiesystemintegration & Sektorkopplung am Beispiel der Forschungsinfrastrukturen Energy Lab 2.0 und Living Lab Energy Campus (SEKO)“ hat sich seit Projektstart 2015 kontinuierlich weiterentwickelt. Es gliederte sich ursprünglich in vier Teilprojekte, die die Sektoren Strom, Wärme/Kälte, stoffliche Energieträger und deren IKT-basierte Verknüpfung untersuchten. Im Laufe der Projektlaufzeit wurden diese Teilprojekte erfolgreich abgeschlossen und durch mehrere Aufstockungen erweitert – zuletzt mit dem Abschluss der geförderten wissenschaftlichen Arbeiten und den Übergang in die Förderung des Reallabors im März 2023.

Erreichte Meilensteine und wissenschaftliche Fortschritte:

• Teilprojekt 1 (Strom & Sektorkopplung):
  Es wurden hochaufgelöste Simulationsmodelle für unsymmetrisch belastete Niederspannungsnetze entwickelt und in Echtzeitsimulationen integriert. Die sektorenübergreifende Optimierung im Energy Smart Home Lab (ESHL) ermöglicht die Erstellung von Fahrplänen für Batteriespeicher, Wärmepumpen und Blockheizkraftwerke, um den Netzaustausch zu minimieren. Zudem wurden Emulatoren für DC-basierte Technologien und eine leistungsfähige Messtechnik für Quartiersversorgung und Elektromobilität implementiert.
• Teilprojekt 2 (Wärme/Kälte & Gebäudeintegration):
  Ein baukastenartiges Gesamtmodell des thermischen Verhaltens der Living Lab-Gebäude wurde erstellt und mit realen Messdaten kalibriert. Die Integration von Wetterdaten und CO₂-Sensoren ermöglicht präzise Verbrauchsvorhersagen. Zudem wurden neue Forschungsansätze zur CO₂-Abscheidung aus Raumluft („Crowd Oil“) und zur direkten Verstromung von Wasserstoff in Forschungslaboren etabliert.
• Teilprojekt 3 (Stoffliche Energieträger & Power-to-X):
  Dynamische Modelle für Power-to-Gas-Prozesse wurden entwickelt und mit Messdaten der Pilotanlage zur Methanisierung validiert. Ein digitaler Zwilling der gesamten Prozesskette wurde etabliert. Zusätzlich wurde ein optimiertes Verfahren zur Bioslurry-Vergasung mit grünem Wasserstoff entwickelt. Neue Forschungsansätze zur CO₂-Elektrolyse und zur Synthese strombasierter Kraftstoffe wurden aufgenommen.
• Teilprojekt 4 (IKT, Cybersicherheit & Systemintegration):
  Die Datenerfassung und -visualisierung im Energy Lab wurde erweitert. Ein Co-Simulationsframework (PROOF) wurde weiterentwickelt, um komplexe Systeme performanter zu simulieren. Zudem wurden Sicherheitsarchitekturen für industrielle Steuerungssysteme (IACS) und teilautonom arbeitende Intrusion Detection Systeme (IDS) für Cybersicherheitsteams erforscht.

Erweiterung und Aufstockung des Projekts:

Aufgrund der dynamischen Entwicklung der Energiewende, neuer technologischer Durchbrüche und veränderter geopolitischer Rahmenbedingungen wurde das SEKO-Projekt in den Jahren 2021, 2022 und 2023 um weitere Forschungsschwerpunkte und Infrastrukturinvestitionen erweitert. Diese Aufstockung dient der Schaffung eines umfassenden, zukunftsfähigen Forschungsverbunds, der aktuelle und zukünftige Herausforderungen der Energiewende adressiert.

Zwei Hauptthemen der aktuellen Aufstockung:

1. Digitale Zwillinge und Co-Simulationen:
   Entwicklung von hochpräzisen, sektorenübergreifenden digitalen Zwillingen zur Abbildung komplexer Energiesysteme. Dazu gehören Echtzeit-Mess- und Simulationsplattformen, thermografische Prüfstände und Charakterisierungstools für multimodale digitale Modelle – exemplarisch am KIT-Campus Nord (Teilchenbeschleuniger) erprobt.
2. Wasserstoff & synthetische Kraftstoffe:
   Erweiterung der Forschung auf neue Technologien wie CO₂-Elektrolyse, Power-to-Methanol, bidirektionale AC/DC-Wandler und Brennstoffzellen-Netzintegration. Zudem wird die Dreiphasen-Methanisierung im Energy Lab um einen zusätzlichen Gaskreislauf und Messtechnik erweitert, um Hydrodynamik und Reaktionskinetik unter realen Bedingungen zu erforschen.

Neue Teilprojekte:
Im Rahmen der Aufstockung wurden sieben neue Teilprojekte etabliert, die den Forschungsverbund auf aktuelle Technologien und politische Anforderungen ausrichten – darunter V2G-Ladestationen, paketbasierte Stromnetze, autonome Cybersicherheitslösungen, Hochleistungsdatenbanken, Wasserstoff-Speichersysteme und Forschungslabore für CO₂-basierte Kraftstoffe.

Das SEKO-Projekt hat sich von einem initialen Forschungsvorhaben zu einem lebendigen, sich weiterentwickelnden Forschungsverbund entwickelt, der die Sektorkopplung und Systemintegration auf höchstem wissenschaftlich-technischem Niveau vorantreibt. Mit der Abschlussphase bis Juni 2026 und den laufenden Erweiterungen trägt das Projekt maßgeblich zur Beantwortung der Frage bei, wie die Energiewende und die Dekarbonisierung der Wirtschaft realisiert werden können. Die Forschungsinfrastrukturen Energy Lab und Living Lab Energy Campus dienen als Modell für zukünftige Energiesysteme – national und international – und stellen eine weltweit einzigartige Plattform für interdisziplinäre, praxisnahe Energieforschung dar.