enerPort II
Optimierter Energieeinsatz im Hafen Microgrid @DGT
Im Duisburger Hafen entsteht mit dem Duisburg Gateway Terminal (DGT) das größte Containerterminal im europäischen Hinterland. Es ist das erste Terminal, das mit Hilfe von Wasserstoff vollkommen klimaneutral betrieben werden und intelligent vernetzt sein soll. An diesem Ziel arbeiten wir im Projekt enerPort II. Auch die Möglichkeiten zur Versorgung benachbarter Quartiere mit Energie untersuchen wir im Projekt. Damit gelten die Entwicklungen am DGT als Modellprojekt für die Zukunft der Logistik.
Termine
22.-26 April 2024, Hannover
enerPort II auf der Hannover Messe >
13.-15. Mai 2024, Rotterdam
enerPort II auf dem World Hydrogen Summit >
Im Rahmen des Messeauftritts wird enerPort im Gesamtkontext Duisburger Hafen vorgestellt.
Hannover Messe: Halle 013, Stand E35/2
Im Rahmen des Messeauftritts wird enerPort im Gesamtkontext Duisburger Hafen vorgestellt.
World Hydrogen Summit Halle 6 Stand C62
Wasserstoff in Bewegung
Hintergrund des Projektes
Am Anfang des Vorgängerprojekts »enerPort – Sektorenkopplung und effiziente Energieversorgung von Binnenhäfen am Beispiel des Duisburger Hafens« stand eine Bestandsanalyse: Wie lassen sich Binnenhäfen charakterisieren? Welche Handlungsfelder sind mit Blick auf die Energiewende erkennbar? Und wie sehen Anforderungen und Rahmen-bedingungen speziell am Duisburger Hafen aus? Auf Basis der Antworten entwickelten duisport und Fraunhofer UMSICHT technologieoffene und übertragbare Gesamtkonzepte zur Energienutzung und -versorgung von Binnenhäfen. Sie folgen einem cross-industriellen Ansatz zur Sektorenkopplung der Energiewirtschaft mit Produktion, Logistik, urbanem Raum und Mobilität, um übergreifend Synergien zu schaffen und die Potenziale der Standorte voll auszuschöpfen.
Zu diesem Projekt ist bereits die Metastudie
Binnenhäfen als Handlungsräume der Energiewende
erschienen
Am Beispiel des DGT soll aufgezeigt werden, wie die nachhaltige und systemdienliche Energieversorgung eines modernen Containerterminals gelingen kann. Hierbei wird auf ein lokales, wasserstoffbasiertes Energiesystem gesetzt, das verschiedene Energieumwandlungs- und speicheranlagen integriert und somit sowohl Strom als auch Wärme in nachhaltiger Weise bereit stellt. Zudem bieten sich auch Optionen zur Kopplung des Energiesystems mit umliegenden Quartieren oder Industrieunternehmen. In Form von Konzepten soll daher aufgezeigt werden, wo Synergiepotenziale mit umliegenden Akteuren bestehen, wie diese genutzt werden können und wo Hemmnisse die Umsetzung erschweren. Mit diesem Ansatz trägt das Projekt dazu bei, innovative Energieversorgungskonzepte auf lokaler Ebene zu entwickeln, in der Praxis zu testen und für die Umgebung anknüpfungsfähig zu machen.
„Binnenhäfen sind besondere Stadtquartiere mit eigenen energetischen Anforderungen. Sie bieten sowohl dem nationalen wie internationalen Gütertransport als auch weiteren Industrien und Gewerben eine Heimat und liegen zudem häufig in der Nähe von Wohngebieten. Ihre Weiterentwicklung muss folglich wirtschaftlichen ebenso wie Klima- und Umweltschutzanforderungen gerecht werden.“
Anna Grevé, Leiterin der Abteilung Elektrochemische Energiespeicher am Fraunhofer UMSICHT
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
Stand des Projekts
Das Projekt enerPort II startete am 01.12.2021 und hat eine Laufzeit von vier Jahren.
Am 3. März 2022 erfolgte der offizielle Spatenstich am Terminal DGT.
An dieser Stelle berichten wir regelmäßig über Neuigkeiten aus dem Projekt.
Hier bewegt sich was
Die Gesamtprojektleitung liegt bei duisport. Als Eigentums- und Managementgesellschaft des Duisburger Hafens verantworten wir die Infra- und Suprastruktur sowie das Ansiedlungsmanagement für den Hafen- und Logistikstandort und bieten Full-Service-Pakete an. Ebenso erbringen wir mit unseren Tochtergesellschaften logistische Dienstleistungen, wie beispielsweise Aufbau und Optimierung von Transport- und Logistikketten, Schienengüterverkehrsleistungen, Gebäudemanagement oder Kontrakt- und Verpackungslogistik. Als weltweit größter Binnenhafen zählen wir zu den international führenden Logistik-Drehscheiben für hochwertige Güter mit hoher Wertschöpfung. Mit den direkten Verbindungen zu Zielen in ganz Europa sind wir der zentrale Hinterland-Hub für die Logistik und haben wir eine Gateway-Funktion für die zentral- und mitteleuropäischen Wirtschaftsregionen.
Die Duisburger Hafen AG ist die Miteigentümerin des Duisburg Gateway Terminal (DGT), das im Projekt enerPort II als Projektstandort dient. Im Projekt richten wir die technischen Planungen für die Installation des neuen Energiesystems an den logistischen Kernaufgaben des Terminals aus. Eine Herausforderung liegt darin, dass das DGT aufgrund seiner räumlichen Lage nur über eine limitierte Fläche verfügt und das zu entwickelnde Energiesystem mit seinen verschiedenen Komponenten eigene Platzanforderungen mit sich bringt.
www.duisport.de
Die wissenschaftliche Leitung des Projekts liegt bei Fraunhofer UMSICHT. Wir entwickeln angewandte und industrienahe Verfahrenstechnik und bringen dabei umweltschonende Technologien für ein nachhaltiges Wirtschaften im Sinne des Klima- und Umweltschutzes voran. Ein Ziel unserer Arbeit ist die intelligente und effiziente Integration erneuerbarer Energien in bestehende und neue Versorgungssysteme. Dafür erarbeiten wir sektorenübergreifende Konzepte und setzen auf cross-industrielle Kooperationen, die lokale Synergien bestmöglich ausschöpfen.
Im Projekt enerPort II gehen wir der Frage nach, wie sich Photovoltaik, Brennstoffzellen, Wasserstoff-Blockheizkraftwerke sowie zugehörige Speicher zu einem intelligenten System verknüpfen lassen. Zu diesem Zweck werden mathematische Optimierungsmodelle entwickelt, die Aufschluss darüber geben, welche Dimensionierungen und Betriebsweisen der einzelnen Systemkomponenten geeignet sind, um die geforderte Versorgungsaufgabe optimal zu erfüllen. Darüber hinaus begleiten wir das Monitoring während der Inbetriebnahme und im Pilotbetrieb.
www.umsicht.fraunhofer.de
Die Netze Duisburg GmbH ist der Verteilnetzbetreiber für das Duisburger Stadtgebiet. Ein übergeordnetes Ziel ist für uns, an Szenarien für eine zukunftsfähige Nutzung der vorhandenen Infrastruktur bzw. an deren erforderlichem Ausbau aktiv mitzuwirken. Im Projekt enerPort II gehört es zu unseren Aufgaben, herauszuarbeiten, über welche Netzinfrastrukturen der Wasserstoff auf dem Gelände des Terminals DGT verteilt werden kann. In der Rolle des Verteilnetzbetreibers untersuchen wir die mögliche Netzinfrastruktur auf Grundlage der geplanten Anlagen und Energie-Abnehmer auf dem Hafengelände. Wir konzipieren dabei die benötigte Leitungsinfrastruktur. Darüber hinaus unterstützen wir bei der Ermittlung von weiteren Akteuren in der Umgebung des Terminals, mit denen sich ggf. Synergien bezüglich der Wärme- oder Wasserstoffversorgung ergeben könnten.
www.netze-duisburg.de
Welche Rolle Wasserstoff in der zukünftigen Energieversorgung des Container-terminals spielen wird, wird Rolls-Royce zeigen. Dazu wird das Unternehmen wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenaggregate für die Abdeckung von elektrischen Spitzenlasten sowie Wasserstoff-Blockheizkraftwerke für die elektrische Grundlast und die Wärmeversorgung installieren.
www.mtu-solutions.com
Die Stadtwerke Duisburg AG versorgen die Stadt Duisburg mit Strom, Gas, Wasser und Fernwärme. Als lokaler Versorger einer Großstadt in einem industriellen Ballungsraum gestalten wir die Energiewende im großen Maßstab mit. Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung haben wir im Jahr 2018 das Steinkohlekraftwerk HKWI stillgelegt und betreiben nun ein erdgasbetriebenes Heizkraftwerk, um die Stadt Duisburg mit Fernwärme aus Kraftwärmekopplung zu versorgen. Darüber hinaus investieren wir in den Ausbau erneuerbarer Energien sowohl in Duisburg als auch in den Windkraftausbau außerhalb des Duisburger Stadtgebiets und tragen dazu bei, die Elektromobilität in Duisburg voranzubringen. Im Projekt enerPort II beteiligen wir uns an der Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft in Duisburg. Wir erarbeiten ein Konzept zur Errichtung eines Elektrolyseurs zur Herstellung von Wasserstoff unter Verwendung von erneuerbarem Strom und einer darüber zu versorgenden Wasserstofftankstelle. Auch sollen mögliche weitere Abnehmer identifiziert werden, um die Nachfrage nach grünem Wasserstoff zu skizzieren. Eine Versorgung des Verkehrssektors mit grünem Wasserstoff ist dabei von zentraler Bedeutung für uns.
Als flexibles und innovatives Energiehandels- und Dienst-leistungsunternehmen ist die Stadtwerke Duisburg Energiehandel GmbH Dienstleistungspartnerin für Stadtwerke und Weiterverteiler-unternehmen in Deutschland. Als 100 %ige Tochter der Stadtwerke Duisburg AG optimieren und vermarkten wir das KWK-Kraftwerksportfolio sowie EEG-Anlagen des Gesellschafters. Zudem agieren wir u. a. für den DVV-Konzern als zentraler Marktzugang für Strom, Gas und CO2 und übernehmen Dienstleistungen im Bilanzkreismanagement sowie Portfoliomanagement für weitere Kunden.
Unsere Aufgabe im Projekt enerPort II ist der Part der Schnittstelle zu den klassischen Energiemärkten und Börsenhandelsplätzen, wodurch wir einen wirtschaftlich optimalen Betrieb eines sektoren-übergreifenden Energie-systems ermöglichen. Unser Ziel ist es, alle beteiligten Akteure in einen lokalen Handelsplatz einzubinden, um der komplexen Betreiberstruktur aus Hafen, Terminalanrainern, Energieversorger, Netzbetreiber und umliegenden Quartieren eine wirtschaftliche Basis zu geben.
Mit der Westenergie Netzservice GmbH, die eine 100-prozentige Tochter der Westenergie AG ist, firmieren wir seit dem 1. April 2021 als eigenständige Gesellschaft, um schneller und flexibler am Markt agieren zu können. Wir sind europaweit tätig und entwickeln intelligente, modern und maßgeschneiderte Lösungen für die Netzinfrastruktur von Kommunen, Unternehmen, Netzbetreibern und Stadtwerken. Zu einer modernen Infrastruktur gehören nicht nur Strom- und Gasleitungen: Kommunen, Unternehmen und Netzbetreiber benötigen schnelles und stabiles Internet für zukunftsfähige Arbeitsplätze sowie Lösungen für Elektromobilität, vernetzte Quartiere, Wasserstofflösungen und den digitalen Wandel. Im Projekt enerPort II wird ein Energiemanagementsystem (EMS) benötigt, das sämtliche Komponenten des neuen Energiesystems für das Terminal DGT miteinander koppelt (Sektorenkopplung). Wir sind im Projekt dafür zuständig, dieses Managementsystem zu entwickeln und zu installieren. Ziel ist dabei die Integration von Speicher- und Erzeugungsanlagen (H2-BHKW, Brennstoffzelle, PV-Anlagen) ins Microgrid – mittels intelligenter Steuerung unter Berücksichtigung der Anforderungen des Anlagenbetriebs.
Kontakt
Bei Fragen zum Projekt oder themenspezifischem Interesse, beispielsweise an der Transformation anderer Hafenstandorte, an einzelnen Technologien oder am Zusammenspiel der Technologien im Microgrid, schreiben Sie uns gerne an:
Projektförderung
Das Projekt „Verbundvorhaben: EnEff:Stadt: enerPort II – Optimierter Energieeinsatz im Hafen – Microgrid@DGT“ wird vom BMWK unter dem Förderkennzeichen 03EN3046 mit einer Laufzeit vom 01.12.2021 bis zum 30.11.2025 durch eine Zuwendung aus dem Sondervermögen „Energie und Klimafonds“ gefördert. Es ist auf der Seite energiewendebauen.de aufgeführt.