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Energiewende

Das neue Kompetenzzentrum für Windenergie in Braunschweig

Mit ihrem neuen Kompetenzzentrum für Windenergie (CCW) erschließt die PTB technisches Neuland, um die deutsche Industrie beim Aufbau einer nachhaltigen Energieversorgung im Sinne der Energiewende noch besser unterstützen zu können. Mit dem Ziel, Messtechnik bereitzustellen, die den Betrieb von immer größeren und leistungsfähigeren Windenergieanlagen (WEA) ermöglicht, errichtet die PTB in zwei Bauabschnitten bis 2020 einen eigens für diesen Zweck konzipierten Gebäudekomplex.

Zu Beginn des Jahres 2018 wurde der erste Gebäudeteil (Euler-Bau I) auf dem PTB-Gelände in Braunschweig in Betrieb genommen. In ihm können ab sofort in einem neuen Groß-Koordinatenmessgerät (Groß-KMG) mit einem Messvolumen von 5 m x 4 m x 2 m große Bauteile von WEA wie beispielsweise Zahnräder, Lagerringe oder Wellen mit Durchmessern von bis zu vier Metern mit Anschluss an die SI-Einheiten dimensionell gemessen und kalibriert werden. Mit der neu aufgebauten Windkanalmesstechnik wird dort zudem das von der PTB entwickelte neuartige Lidar-System zur Windgeschwindigkeitsfernmessung validiert, um neue Standards für Windpotenzialanalysen setzen und verbessern zu können.

Im Euler-Bau II, der nach Abschluss des zweiten Bauabschnitts 2020 in Betrieb genommen werden soll, wird eine weltweit einzigartige, von der PTB selbst entwickelte Drehmoment-Normalmesseinrichtung (DM-NME) aufgebaut. Erstmals können damit Drehmomentaufnehmer für Drehmomente bis zu 5 Meganewtonmeter (MN∙m) und in einer späteren Ausbaustufe sogar bis zu 20 MN∙m kalibriert werden.

Das BMWi fördert das CCW, das ein Gemeinschaftsprojekt der PTB-Fachabteilungen 1 und 5 ist, über fünf Jahre hinweg (2016-2020) mit insgesamt ca. 9,5 Mio. Euro für die Anschaffung und den Aufbau der Messsysteme sowie für die Finanzierung technisch-wissenschaftlichen Personals. Für den Bau des CCW-Gebäudekomplexes und der für dessen Betrieb notwendigen Infrastruktur investiert die PTB Haushaltsmittel in Höhe von ca. 5,5 Mio. Euro.

Weitere Informationen u. a. hier:

Photovoltaik

Deutschlands Energieerzeugung wird aufgrund internationaler Vereinbarungen mittelfristig mehrheitlich auf erneuerbaren Energien basieren (BMWi; 2015: 32%, 2025: 40%, 2035: >50%). Sonne und Wind sind hierfür die wichtigsten Energiequellen . Deshalb wird es nicht nur weltweit riesige Zuwächse geben, sondern auch allein in Deutschland ist im Bereich der PV mit einem Zuwachs von 50 GW auf 150 GW bis 2035 zu rechnen. Dazu müssen bis zu 100 Mrd. Euro in Deutschland investiert werden; jedes Prozent Messunsicherheit führt daher zu einer finanziellen Unsicherheit von einer Mrd. Euro. Es ist deshalb notwendig und Aufgabe der PTB geeignete Messverfahren für die möglichst genaue messtechnische Rückführung zur Überwachung des PV-Ausbaus und zum zuverlässigen Betrieb zur Verfügung zu stellen, die dann subsidiär von Kalibrierlaboratorien und Ingenieurbüros genutzt wird.

Die PTB hat in den vergangenen Jahren die Metrologie für die weltweit genauste Bestimmung des Wirkungsgrads von Solarzellen entwickelt. Sie garantiert die zuverlässige Rückführung für die Photovoltaik mit weltweit geringster Messunsicherheit. Sie hat ihr Portfolio in den vergangenen Jahren kontinuierlich durch erfolgreich eingeworbene Forschungsprojekte erweitert. Die PTB arbeitet an einem Konzept zu einem „Kompetenzzentrum PV-Metrologie“ zur nachhaltigen Abdeckung der gesamten Wertschöpfungskette von der Solarzelle über das Modul bis zum Solarpark.

Von diesem Portfolio im Bereich der PV-Metrologie profitieren deutsche Kalibrierlaboratorien sowie die deutschen Messtechnikhersteller, die als Weltmarktführer ihre Kalibrier- und Prüfdienstleistungen sowie ihre Produktionsmesstechnik weltweit exportieren (z.B. deutsche Solarsimulatoren für die Zellmesstechnik mit 80% Weltmarktanteil in 2016).

Chemische Speicherung von überschüssigem Strom

Die PTB ist aktiv im Bereich der Metrologie für fluide Energieträger, u.a. im Kontext der chemischen Speicherung von überschüssigem Strom durch Wasserstofferzeugung („Power-to-gas“) und der Biokraftstoffe sowie bspw. bei der Konformitätsbewertung von Gaszählern für H2-Tankstellen und Biogasmessanlagen:

  • Metrologische Begleitung der Wertschöpfungsketten Rohstoff zu fluiden Energieträgern („Biokraftstoffe“) und elektrische Energie zu fluiden Energieträgern („Power-to-gas“, „Power-to-Liquid“) bis zur Verbrennung („Gas-to-Power“, „Liquid-to-Power“).
  • Sicherstellung der Messrichtigkeit bei der Messung des Energieinhaltes von Gasen und Flüssigkeiten für das gesetzliche Messwesen.
  • Sicherstellung der Messrichtigkeit bei der Messung des Volumens von Flüssigkraftstoffen für das gesetzliche Messwesen.
  • Entwicklung von Analysenverfahren für alternative Brenngasgemische.
  • Materialdaten für die Prozessoptimierung bei Herstellung, Verteilung und Verbrauch.
  • Daten zur Optimierung von Verbrennungsprozessen
  • Daten als Beitrag zur Schaffung einer neuen ISO-Norm für die Methanzahl als Kennzahl für verflüssigtes Erdgas (LNG)
  • Mitwirkung im DVGW zur Bestimmung des Abrechnungsbrennwertes bei Einspeisung von H2 in deutsche Gasnetze

Messverfahren:

  • Flüssigkeitsdichte und -viskosität als Transportparameter sowohl zur korrekten Mengenabrechnung als auch zur Prozesskontrolle. Verfahren sind mittlerweile etabliert und werden routinemäßig angewendet.
  • Direkte Bestimmung der Wärmekapazität von flüssigen Wärmeträgern für den Einsatz in Kraftwerken, Solarthermieanlagen, Wärmepumpen, Kälteanlagen mittels Differenzkalorimetrie.
  • Untersuchung von Verbrennungsprozessen von fluiden Energieträgern auf molekularer Ebene (Reaktionskinetik) zur Optimierung der Verbrennungseigenschaften eines Kraftstoffes/Kraftstoffgemisches und Reduktion von Schadstoffemissionen wie NOx, Ruß, Aldehyden.
  • Zertifizierung von Referenzgasgemischen hinsichtlich der Stoffmengenanteile aller Brenngaskomponenten (einschließlich Wasserstoff), des Brennwertes und der Normdichte zur Kalibrierung von Prozessgaschromatographen und anderen Gasbeschaffenheits- und Brennwertmessgeräten im gesetzlichen Messwesen.

Energieeffiziente Beleuchtung

Die PTB ist im Bereich der Charakterisierung energieeffizienter Beleuchtungsquellen aktiv. Beleuchtungsqualität und Energieeinsparung müssen dabei gemeinsam betrachtet werden: 

 

Energieeffiziente Lichtquellen
Beleuchtungsqualität Energieeinsparung
Optimale Anpassung an die jeweiligen Aufgaben (Tageslichtniveau im Arbeitsbereich, Beleuchtung im Freizeitbereich, Altersgerechte Beleuchtung (Schule vs. Seniorenheim)) Effizientere Beleuchtung insbesondere auf Basis von Halbleiter-Lichtquellen
Künstlerische Aspekte (Lichtdesign)Effizientere Displays

Licht unter Sicherheitsaspekten
-    Straßenbeleuchtung (Farbe, Lichtstärkeverteilung, Blendung)
-    Fahrzeugbeleuchtung (Blendung, Lichtstärkeverteilung)

Effizientere Signallichter
Vermeidung von „Lichtverschmutzung“Verbessertes Beleuchtungsmanagement
   Optimierte Lichtlenkung

Hieraus ergibt sich unmittelbar eine hohe Anforderung an die Messtechnik für die Realisierung, Verifizierung und Steuerung von neuen und energieeffizienten Licht- und Strahlungsquellen. Schwerpunkte dieses „Metrologiewandels“ sind:

  • Neue Messtechnik und neue Messverfahren
  • Kamerabasierte (ortsauflösender) Lichtmesstechnik, die zur quantitativen Bestimmung von Lichtverteilungen von der Industrie verwendet wird. Die Rückführung dieser Messtechnik auf die Basiseinheiten ist derzeit aufgrund der komplexen Einflussgrößen noch nicht vollständig gegeben.
  • Rückführung der Nahfeldgoniophotometrie die zur messtechnischen Verifizierung von Lichtstärkeverteilungskörpern (Strahlenkörper) von Lichtquellen benötigt wird. Auch hier ist eine Rückführung auf die Basiseinheiten derzeit aufgrund der komplexen Einflussgrößen noch nicht gegeben.
  • Korrekturen für spektrale Messungen von Array-Spektroradiometern, die zur spektralen Bewertung von Halbleiterlichtquellen unverzichtbar geworden sind.
  • Beschreibung von Korrelationen sowie von Messunsicherheiten datenkomprimierter multidimensionaler Messgrößen, z.B. 5-dimensionale Strahlenkörper mit 1 Mrd. Strahlen.
  • Neue Normative Vorgaben für Lichtquellen und deren Anwendungen sowie für die Metrologie.
  • Die Einhaltung der Normen muss messtechnisch (siehe oben) überprüfte werden können und erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen NMIs (PTB), Industrie und standardisierenden Gremien wie DIN, CEN, CIE, ISO, IEC auf nationaler und internationaler Ebene.
  • Entwicklung neuer Transferstandards für neue LED/OLED basierte Lichtquellen.
  • Maßgebliche Arbeiten wurden und werden hier über EMRP/EMPIR Projekte (z.B.: ENG62 „Metrology for Save and Innovative Lighting“[2013-2017] sowie 15SIB07 „Future photometry based on solid-state lighting products“ [2016-2019]) sowie durch einzelne Forschungsprojekte mit der Industrie finanziert.
  • Messtechnik für sehr hohe Bestrahlungsstärken (→Strahlung zur Härtung/Umwandlung von Materialien, UV-Strahlung zur Wasserentkeimung)

Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende (GDEW)

Folgende energiewende-relevanten Digitalisierungsbereiche können nach dem Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende (GDEW) unterschieden werden:

  1. Smart Metering/Sub-Metering
  2. Smart Grid
  3. Smart Mobility
  4. Smart Home/Building
  5. Smart Services

Die PTB erbringt derzeit Dienstleistungen in Forschung, Standardisierung und Konformitätsbewertung zu den Punkten Nr. 1, 2, 3. Zur Nr. 3 ist außerdem das Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien (EEG) einschließlich dem sogenannten Mieterstromgesetz für die Arbeit der PTB relevant, da in diesen Rechtsvorschriften Regelungen für die Ermittlung von Messergebnissen durch indirekte Messungen enthalten sind. Als ein Beispiel ist die PTB im Bereich Anbindung von Gaszählern an Smart Meter Gateway über Funk tätig.

Industriekooperation (Automobilität)

Die PTB ist in einer Industriekooperation (Automobilität) im Bereich der Messtechnik für die Batterieforschung aktiv. Dabei wurde bisher u. a. ein statistisches Verfahren entwickelt und validiert, mit dem anhand von einfach zu gewinnenden Messdaten der Gesundheitszustand einer Batterie ermittelt werden kann.