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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 zukünftig noch besser unterstützen zu können. Mit dem Ziel, Messtechnik zu entwickeln und bereitzustellen, die den Betrieb von immer größeren und leistungsfähigeren Windenergie¬anlagen (WEA) ermöglicht, entsteht derzeit auf dem PTB-Gelände in Braunschweig ein eigens für diesen Zweck konzipierter Gebäudekomplex.

In zwei Bauabschnitten (2016/17 und 2018/19) lässt die PTB ein zweiteiliges Funktionsgebäude bauen, das in drei unterschiedlich großen Hallen die messtechnische Infrastruktur für die rückgeführte hochgenaue Bestimmung dreier für die Errichtung und den wirtschaftlichen Betrieb von WEA entscheidender Messgrößen/Messaufgaben beherbergen wird. So können in einem neuen Groß-Koordinatenmessgerät (Groß-KMG) mit einem Messvolumen von 5 m x 4 m x 2 m zukünftig große Bauteile von WEA wie beispielsweise Zahnräder, Lagerringe oder Wellen mit Durchmessern von bis zu vier Metern mit Anschluss an die SI-Einheiten dimensionell vermessen und kalibriert werden. Mit neuer Windkanalmesstechnik soll das von der PTB entwickelte neuartige Lidar-System zur Windgeschwindigkeitsfernmessung validiert werden, um perspektivisch neue Standards für Windpotenzialanalysen setzen und verbessern zu können. Und in einer weltweit einzigartigen, von der PTB selbst entwickelten und konstruierten Drehmoment¬-Normalmess¬ein¬richtung (DM-NME) können zukünftig Drehmomentaufnehmer erstmalig 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.

Eine offizielle Einweihung des Euler-Baus I (1. Bauabschnitt) ist mit externen Gästen für Anfang 2018 geplant. (Groß-KMG und Windkanal sind in Betrieb genommen.)

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).

Meilensteine bis Mitte 2018:

  • Größtgerät LED-basierter Sonnensimulator in Betrieb genommen
  • Messmöglichkeiten für Solarzellen hinsichtlich der Ertragsprognose wird für Kunden angeboten und ist im offiziellen Dienstleistungsangebot der Abteilung aufgenommen
  • Planung des Kompetenzzentrums PV-Metrologie abgeschlossen
  • Start der Realisierung des Kompetenzzentrums PV-Metrologie (Vollausbau vorbehaltlich der Zuweisung der Stellen und Investitionsmittel durch BMWi)

Chemischen 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.

Meilensteine bis Mitte 2018:

  • Messung des Energiegehaltes von fluiden Energieträgern (Brennwertmessung) mit Gaskalorimetrie und Bombenkalorimetrie (für flüssige und feste Energieträger). Gaskalorimetrie etabliert für Standard-Kohlenwasserstoff-Gemische (Erdgase). Erweiterung auf Gemische mit Stickstoff und/oder Kohlendioxid wird zurzeit durchgeführt, mit Wasserstoff in Vorbereitung.
  • Bombenkalorimetrie im Aufbau, Fertigstellung der Messapparatur bis Mitte 2018, der Rückführung bis Ende 2020 geplant.
  • Aufbau einer umfassenden instrumentellen Analytik zur Messung wichtiger Reaktionsgrößen und Schadstoffkonzentrationen bei der Verbrennung unter unterschiedlichen Bedingungen; Fertigstellung bis 2020.
  • Überarbeitung der OIML R139 für Wasserstofftankstellen bis Ende 2018.
  • Erarbeitung einer einheitlichen Konformitätsbewertung von Wasserstofftankstellen mit LNE und AirLiquid, ein europäisches Projekt steht vor der Verabschiedung, kick off Ende 2017.

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)

Meilenstein bis Mitte 2018:

Um den Informationsfluss und die Koordination zwischen den internationalen Gremien einerseits und den nationalen Gremien sowie der Forschung und der deutschen Industrie andererseits zu verbessern, wurde beschlossen, das nationale Komitee der CIE mit dem Status eines eingetragenen Vereins rechtlich neu aufzustellen und am Standort der PTB als „CIE Germany e.V.“ zu gründen. Die Gründungsversammlung der Mitglieder soll noch vor März 2018 in Braunschweig stattfinden.

Vor dem Hintergrund der immer wichtiger werdenden internationalen Standardisierung und Normung im Bereich der Lichtmesstechnik soll, vorbehaltlich der Unterstützung des BMWi, die CIE Germany e.V. das aktive Bindeglied zwischen internationalen Aktivitäten im Bereich der Licht- und Strahlungsmesstechnik und der nationalen Forschung, den nationalen Gremien und der Industrie werden. Umgekehrt soll insbesondere auch kleineren Firmen über die CIE Germany e.V. der Zugang zu den internationalen Aktivitäten ermöglicht werden um Hürden bei der Vermarktung vorzeitig zu erkennen und zu umgehen.

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.

Meilensteine bis Mitte 2018:

  • Erste Baumusterprüfbescheinigungen für Intelligente Messsysteme nach dem Messstellenbetriebsgesetz
    Die im GDEW vorgesehenen intelligenten Messsystem sehen den Einsatz „moderner Messeinrichtungen“ und „Smart Meter Gateways“ vor. Diese Geräte führen messtechnische Funktionen aus, die in den Anwendungsbereich des Mess- und Eichgesetzes fallen. Aus diesem Grund muss der Hersteller dieser Produkte eine Konformitätserklärung betreffend die Erfüllung des MessEG abgeben. Eine notwendige Voraussetzung für eine derartige Konformitätserklärung ist das Vorliegen einer Baumusterprüfbescheinigung der PTB. Die Arbeiten an solchen Baumusterprüfbescheinigungen sind komplex, da sie in Abstimmung mit dem BSI erfolgen müssen. Für moderne Messeinrichtungen gibt es bereits Baumusterprüfbescheinigungen. Für Smart Meter Gateways sind die Arbeiten weit fortgeschritten. Die Zertifikate für die ersten drei Hersteller sind spätestens Q2/2018 zu erwarten.
  • Erste Baumusterprüfbescheinigungen für Elektroauto-Ladesäulen
    Ladesäulen und Ladesäulen-Parks und Ladesäulen-System führen messtechnische Funktionen aus, die in den Anwendungsbereich des Mess- und Eichgesetzes fallen. Aus diesem Grund muss auch hier der Hersteller der Produkte eine Konformitätserklärung betreffend die Erfüllung des MessEG abgeben. Die Besonderheit beim Stromverkauf über Ladesäulen besteht im ständigen Wechsel der Kunden, die über die Messgeräte in den Ladesäulen abgerechnet werden. Messwerte müssen und genau und für die Übertragung gesichert sein, sie müssen aber auch einem Rechnungsschuldner unabstreitbar zugeordnet werden können. Die einschlägige Industrie muss ihre Produkte entsprechend anpassen. Die Baumusterprüfbescheinigungen für die ersten fünf eichrechtkonformen Ladesäulen sind in Q1/2018 zu erwarten.
  • Anwendungsregel-Entwurf für die Messkonzepte in Anlagen nach dem EEG und Mieterstromgesetz
    Das EEG enthält zahlreiche Regelungen, die eine indirekte Ermittlung von Energiemesswerten erfordern. Indirekt heißt, die Messwerte werden aus Messwerten mehrerer Zähler rechnerischen ermittelt. Außerdem sieht das Gesetz vor, dass auf der Grundlage von Messergebnissen entgelt- und abgaberelevante Steuerungshandlungen in Erzeugungs- und Speicheranalgen erfolgen. Die eichrechtkonforme Realisierung solcher Konzepte kann sehr kostspielig sein. Die betroffenen Interessengruppen ringen daher mit der Clearingstelle EEG und den Eichbehörden um eine den Vermögensrisiken angemessene und verhältnismäßige Umsetzung des EEG in Sachen Messkonzepte. In Zusammenarbeit mit den Eichbehörden, dem VDE-FNN und der Clearingstelle EEG wird der Fachbereich 2.3 bis spätestens Q2/2018 eine Anwendungsregel für eichrechtkonforme Messkonzepte vorlegen, die nach öffentlicher Konsultation den Status einer Anerkannten Regel der Technik erhalten soll.

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.