Die nachhaltige Energieversorgung des Terminals soll über ein Zusammenspiel von Anlagen mit unterschiedlichen, sich ergänzenden Eigenschaften sichergestellt werden:
Die Stromproduktion ist durch PV-Anlagen sowie wasserstoffbetriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) und Brennstoffzellen gewährleistet. Mit einem Teil der Abwärme aus den BHKWs wird ein Bürogebäude auf dem Terminal beheizt. Darüber hinaus steht noch eine Wärmemenge zur Verfügung, mit der auch Verbraucher außerhalb des DGT versorgt werden könnten. Durch die Nutzung von Wasserstoff kann die Stromversorgung auch dann gewährleistet werden, wenn die PV-Anlagen keinen oder zu wenig Strom produzieren. Strom, den die PV-Anlagen dagegen zu machen Zeiten in so großer Menge produzieren, dass er nicht direkt genutzt werden kann, wird in Batteriespeichern zwischengespeichert. Zusätzlich wird die Versorgungssicherheit durch einen Anschluss an das öffentliche Stromnetz gewährleistet.
Der Betrieb des Energiesystems am Terminal wird an die Bedürfnisse der Krananlagen, der Landstromversorgung für Schiffe, der Ladestationen für PKW, der Gebäude am Terminal, der Beleuchtung und anderer kleiner Verbraucher angepasst. Hierbei können verschiedene Zielsetzungen verfolgt werden, z. B. Minimierung der CO2-Emissionen, Minimierung der Kosten, Mini- oder Maximierung der erzeugten Wärmemenge. Um die Betriebsstrategie an das jeweilige Ziel anzupassen, werden mathematische Optimierungen durchgeführt (vgl. Abschnitt “Die mathematische Modellierung”).

“Ein intelligentes lokales Energienetz koppelt und steuert erneuerbare Energieanlagen in Gestalt von Photovoltaik- und wasserstoffbasierten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit elektrischen und thermischen Energiespeichern, Wasserstoffspeichern und Verbrauchern wie Gebäuden, Landstrom, Ladesäulen und Krananlagen. Auch eine zukünftige Versorgung angrenzender Quartiere soll konzeptionell betrachtet werden.”
Alexander Garbar, Head of Corporate Development and Strategy, Duisburger Hafen AG

Der Betrieb der Anlagen im Microgrid wird so geplant, dass ausgewählte Ziele optimiert werden. Ein Ziel ist zum Beispiel, die geringstmöglichen CO2-Emissionen zu verursachen. Dazu wird beispielsweise immer dann, wenn die PV-Anlagen keinen Strom liefern, stromerzeugende Anlagen betrieben, die mit grünem Wasserstoff betriebenen werden. Damit sind jedoch auch Fragen der Wirtschaftlichkeit verknüpft, da die Nutzung von grünem Wasserstoff zwar Vorteile gegenüber dem Netzstrom in Bezug auf verursachte CO2-Emissionen hat, aber auch höhere Kosten durch zusätzlich erforderliche Umwandlungsschritte (Wasserstofferzeugung, Wasserstoff-verbrennung) verursacht.
Um die Auswirkungen verschiedener Betriebsziele zu untersuchen und einen optimalen Fahrplan der Anlagen für ein Betriebsziel zu identifizieren, wird deswegen das Microgrid in einem digital-mathematischen Modell mit seinen Randbedingungen und assoziierten Kosten abgebildet. Dieses setzt sich aus mathematischen Beschreibungen der Betriebsweisen der einzelnen Anlagen zusammen. Anschließend wird mit Hilfe von intelligenten Algorithmen der optimale Fahrplan unter Berücksichtigung eben jener Randbedinungen und Kosten identifiziert. Aus den Fahrplänen lassen sich dann die verursachten CO2-Emissionen und finanziellen Kosten für einen Betriebszeitraum ableiten.

“Durch das digital-mathematische Optimierungsmodell können wir Anlagenfahrpläne für ganz verschiedene Situationen erstellen, kritische Situationen vorab identifizieren und auftretende Fragen beantworten. So kann der Betrieb und sogar die Größe der Anlagen für verschiedene Zielvorgaben und Szenarien optimiert werden, wodurch Kosten und Emissionen eingespart werden können.”
M.Sc. Lennart Schürmann, Doktorand der Energiesystemoptimierung am Fraunhofer UMSICHT

Das DGT, auf dem das Microgrid entstehen wird, liegt in einem Gebiet mit vielen Hafenarealen, Unternehmen und Gewerbe- sowie Wohngebieten. Alle Menschen und Unternehmen dort haben die gleiche Aufgabe: die Energiewende zu meistern. Sie können das entweder einzeln tun, indem sie jeweils ihre eigene Strom- und Wärmeversorgung modernisieren. Oder sie suchen nach gemeinsamen Lösungen, bei denen sie so zusammenarbeiten, dass sie sich gut ergänzen (Synergie). Gemeinsame Lösungen sind effizienter und besser für die Umwelt, allerdings müssen oftmals größere Hemmnisse überwunden werden, beispielsweise bezüglich der Zeitpläne oder erforderlicher Infrastrukturmaßnahmen. Zudem müssen Geschäftsmodelle entwickelt werden, die alle mit einschließen.
enerPort II entwickelt Lösungen für zukünftige Quartiersanbindungen, um die verfügbare Energie bestmöglich zu nutzen. Beispielsweise prüfen wir, ob und wie kommunale oder industrielle Wärmebedarfe in der Umgebung mit Hilfe der am Terminal erzeugten Abwärme gedeckt werden können.
Das Energiesystem am Terminal ist modular aufgebaut. So ist es möglich, zukünftig bei Bedarf Erweiterungen vorzunehmen. Auch eine Übertragung des Systems auf andere Standorte ist möglich. Damit ist das enerPort II-Energiesystem ein wichtiger Baustein für die Zukunft der dezentralen Energieversorgung.

Das DGT ist umgeben von Industrieunternehmen, weiteren Gewerbegebieten und auch angrenzenden Wohngebieten. Hierin liegen Potenziale für die Realisierung einer gemeinschaftlich effizienten Energieversorgung.

“Der optimierte Betrieb flexibler lokaler Energiesysteme ist bereits ein großer Schritt in die richtige Richtung. Noch größere Chancen liegen jedoch in der gezielt kombinierten Versorgung mehrerer Verbraucher mit jeweils eigenen Bedarfsprofilen. So entstehen effiziente dezentrale Energiesysteme. Hierfür geeignete Wege aufzuzeigen ist die Idee, die der Entwicklung von Konzepten zur Quartiersanbindung in enerPort II zugrunde liegt.”
Ulrike Ehrenstein, Wissenschaftlerin am Fraunhofer UMSICHT