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## Tour
### Beschreibung
tour.description = Virtueller Rundgang durch das Forschungs- und Innovationsgebäude NEST von Empa und Eawag
### Titel
tour.name = Virtuelle NEST-Tour
## Skin
### Multiline Text
HTMLText_2F3CF651_3B29_5E19_41AE_24E12D9F9A16.html = Fragen und Feedback
Haben Sie konkrete Fragen oder möchten Sie uns eine Rückmeldung zum virtuellen NEST-Rundgang geben? Dann treten Sie mit uns in Kontakt.
Weitere Informationen
Möchten Sie regelmässig über die Aktivitäten im NEST und an der Empa informiert werden? Dann finden Sie hier unsere Medienabos.
viboo – intelligent buildings
Das Empa Spin-Off viboo entwickelt datengetriebene, prädiktive Regelalgorithmen für Gebäudeenergiesysteme. Mit Messdaten von nur einer Woche und Machine Learning wird das thermische Verhalten eines Gebäudes erlernt und unter Einbeziehung von Wetterdaten prädiktiv der Energieverbrauch sowie der Komfort für die Nutzer optimiert. Die Algorithmen wurden im NEST erprobt: 30% Energieeinsparung, 70% höherer Komfort. Die Regellösung ist neben den bereits erwähnten Vorteilen ausserdem äusserst flexibel, skalierbar und somit für zukünftig wichtige Aspekte wie variable Energiepreise, Lastenregelung und koordinierte Gebäuderegelung gewappnet. Unternehmen (z.B. Hersteller von vernetzten Thermostaten, Gebäudeautomationsunternehmen, usw.) können über eine intuitive API diese Algorithmen nutzen, in ihr Produktportfolio integrieren und somit ihren Kunden mit minimalem Aufwand zur Verfügung stellen.
Energy Hub: Innovative Energieforschung
Niedertemperaturnetz 8/14 Grad Celsius
Im NEST wird die Energie zwischen den einzelnen Units auf zweierlei Art verteilt: elektrisch oder in Form von Wärme. Das Niedertemperaturnetz dient zur Kühlung im Sommer. Abgeführte Wärme aus den Units wird mit Wärmepumpen den Speichern zugeführt. Die entnommene Wärme kann in saisonalen Wärmespeichern (Eisspeicher, Erdsonden) für kalte Jahreszeiten gelagert werden.
Speicherbatterie
Speicherbatterie des NEST mit 96kWh Speicherkapazität – vergleichbar mit der Batterie eines Tesla Model S oder zwei Renault Zoe. Im Normalbetrieb speichert die Batterie Solarstrom. Bei Versuchen wird sie auch eingesetzt, um elektrische Verbraucher zu simulieren, dann zieht sie Energie aus dem Haus ab. Ebenso kann sie an bewölkten Tagen den Eintrag von Solarstrom ins Haus-Netz simulieren.
Wärmemengenzähler
Die Wärmemengenzähler dienen dem Vergleich des Energieverbrauchs der einzelnen Units im NEST. Jede Unit hat sechs dieser Zähler – jeweils die warme und kalte Seite jedes der drei Heizkreisläufe. Gemessen wird die Temperatur und Wassermenge. Jeder Zähler hat eine eigene IP-Adresse und meldet seine Werte an den NEST Data Pool.
Hochtemperaturnetz 60/40 Grad Celsius
Im NEST wird die Energie zwischen den einzelnen NEST-Units auf zweierlei Art verteilt: elektrisch oder in Form von Wärme. Aus dem Hochtemperaturnetz entnimmt jede Unit die Energiemenge, die sie braucht. Mit dem Hochtemperaturnetz wird z.B. das Duschwasser erhitzt. Die Units können auch überschüssige Wärme wieder ins Netz einspeisen, damit Wärme untereinander gebraucht werden kann.
Die Steuerungszentrale des ehub
Von hier aus werden alle Anlagen bedient und koordiniert. Einzelne Anlagen können an Arbeitsgruppen auf der ganzen Welt für Forschungs- und Entwicklungszwecke zugänglich gemacht werden. Dann lassen sich Teile des NEST fernsteuern – aus Texas, Nairobi, Trondheim oder Moskau. So dient der ehub der Energieforschung auf der ganzen Welt.
Projekt: Intelligentes Laden von bidirektionalen Elektrofahrzeugen
Elektrofahrzeuge (EFs) mit bidirektionalem Laden können Energie aus ihrer Batterie sowohl laden als auch entladen. Richtig umgesetzt, kann das intelligente Laden dieser EFs Vorteile für den Energieverbrauch eines Gebäudes mit sich bringen. Zum Beispiel könnte das EF am Arbeitsort mit photovoltaischer Energie aufgeladen werden. Nachdem das Fahrzeug schliesslich von der Arbeit nach Hause zurückgekehrt ist, könnte die Energie aus der EF-Batterie zum Kochen oder zur Unterstützung des Heizungssystems verwendet werden. In diesem Projekt entwickelt das ehub-Team Steuerungen, die auf künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen basieren, mit denen die Verknüpfung der EF-Batterie mit der Raumtemperaturregelung optimiert wird.
Ein wichtiger Beitrag zur Energiewende
Mit der Unterzeichnung des Pariser Klimaabkommens hat sich die Schweiz dazu verpflichtet, die Treibhausgasemissionen massgeblich zu reduzieren. Mit der Energiestrategie 2050 will die Schweiz dieses Ziel erreichen. Als Stossrichtungen gelten dabei:
• der Atomausstieg
• die Steigerung der Energieeffizienz
• die Förderung von erneuerbaren Energien
Dieses ambitionierte Ziel kann nur durch grundlegende Änderungen im Energieökosystem erreicht werden. Mit NEST, ehub und move bietet die Empa Demonstrationsplattformen, die die Evaluierung von innovativen Technologien in einer realen Umgebung ermöglichen und leistet so einen wichtigen Beitrag zur Energiewende.
Energieflexibilität in Gebäuden
Energieflexibilität bezieht sich auf das Potenzial, konventionelle Energienutzung so zu ändern, dass sie zu einem nachhaltigen Energiesystem beitragen kann. Zum Beispiel können wir unseren Energieverbrauch in Zeiten verlagern, in denen die Energiekosten niedrig sind oder der CO₂-Fussabdruck der verbrauchten Energie gering ist. Energieflexibilität kann auch genutzt werden, um die Integration von Photovoltaik (PV) zu unterstützen, indem mehr Energie verbraucht wird, wenn die PV-Anlagen mehr produzieren. Daher erforschen die Empa-Forscher Methoden, um die Energieflexibilität in Gebäuden zu erhöhen und gleichzeitig den Komfort der Bewohner zu verbessern und ein stabiles Energiesystem zu erhalten.
Mitteltemperaturnetz 35/25 Grad Celsius
Im NEST wird die Energie zwischen den einzelnen Units auf zweierlei Art verteilt: elektrisch oder in Form von Wärme. Aus dem Mitteltemperaturnetz entnimmt jede Unit die Energiemenge, die sie braucht. Mit dem 35 Grad warmen Wasser werden die Units beheizt. Dazu dienen Decken- oder Fuss-bodenheizungen.
Wärmegewinnung aus Eis
Wie kann man dem Eis Wärme entziehen? Es klingt kontraintuitiv, aber im Eis ist eine Menge Energie gespeichert. Das Erhitzen von Wasser von 20°C auf 80°C erfordert die gleiche Energiemenge wie das Gefrieren von flüssigem Wasser bei 0°C. Um diesen Umstand zu nutzen, besitzt die ehub-Infrastruktur einen Eisspeicher. In dieser unterirdischen Zisterne befinden sich Wasser sowie Leitungsspiralen, durch die eine frostsichere Flüssigkeit zirkuliert. Mithilfe einer Wärmepumpe wird dem Wasser Energie entzogen, die für die Heizung oder auch zur Warmwasseraufbereitung verwendet werden kann. Dadurch gefriert das Wasser allmählich. Das gefrorene Wasser kann im Sommer zusätzlich für die Kühlung verwendet werden. Ein Projekt an der Empa befasst sich mit der mathematischen Modellierung von Eisspeichern, um die saisonalen Speichereffekte zu simulieren und für Planer besser anwendbar zu machen.
Superkapazitoren
Superkapazitoren können sehr hohe Lade-/Entladeleistungen aushalten ohne zu Altern. Sie ergänzen die Batterien, indem sie Leistungsspitzen abfangen und so die Lebensdauer der Batterien verlängern.
Sektorenkopplung
Menschen interagieren täglich mit verschiedenen Energieträgern wie zum Beispiel Strom für elektronische Geräte, Wärme für angenehme Raumtemperaturen oder (synthetische) Kraftstoffe für den Antrieb ihrer Fahrzeuge. Diese Energieströme scheinen getrennt und unabhängig voneinander zu sein. Ein effizientes Energiesystem integriert jedoch alle Energieströme. Durch gekoppelte Energieströme, Wärmepumpen oder Power-to-Gas-Systeme wird ein widerstandsfähigeres Energiesystem erreicht. Dies erfordert wiederum gekoppelte Ökosysteme und regulatorische Rahmenbedingungen. Am NEST erforscht das ehub-Team das Zusammenspiel mehrerer thermischer, elektrischer und gasbasierter Energieträger auf Quartiersebene.
Projekt: Bewohnerzentrierte datengesteuerte Regelung
Da wir mehr als 80% unserer Zeit in Innenräumen verbringen, wird der Nutzerkomfort zunehmend zu einem wichtigen Aspekt. Bei herkömmlichen Gebäudethermostaten sind die Temperatur-Sollwerteinstellungen festgelegt und der Benutzer ändert sie nur, wenn er sich unwohl fühlt. Dieses Projekt geht nun einen Schritt weiter und will die folgenden Fragen beantworten: Ist der Heizungsregler in der Lage, aus installierten Sensoren und vergangenen Änderungen der Temperatureinstellungen zu lernen, welche Temperaturen die Benutzer zu welcher Zeit wünschen? Hatten dabei die Wetterbedingungen einen Einfluss auf diese Änderungen?
Um diese Fragen zu beantworten, entwickeln die ehub-Forscherinnen und -Forscher Regler, die auf Methoden der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens basieren. Damit sollen individuell auf die Bewohner zugeschnittene Komfortbedingungen erreicht werden, während gleichzeitig deren Privatsphäre respektiert wird. Zudem sollen die Nutzerinnen und Nutzer nach wie vor die Möglichkeit haben, auf die vom KI-Regler vorgeschlagenen Einstellungen zu reagieren.
Projekt: Selbst optimierender Regler für eine Wärmepumpenanlage
Standard-Industrieregler sind so eingestellt, dass sie zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme einen optimalen Betrieb eines Systems gewährleisten. Im Laufe der Lebensdauer eines Gebäudes ändern sich jedoch aufgrund der Alterung oder des Austauschs einiger Komponenten die Bedingungen, was zu einer suboptimalen Leistung des Systems führt. Dies erfordert eine Neueinstellung der Regler, was eine kostspielige Aufgabe ist, die zudem eine hochqualifizierte Person erfordert. Eine Lösung für dieses Problem ist ein Regler, der sich automatisch und kontinuierlich nachjustieren kann, um die gewünschte Leistung wieder zu erreichen. In diesem Projekt entwickelte das ehub-Team eine Methode, die vergangene Prozessdaten nutzt, um die Reglerparameter während des normalen Betriebs des Systems zu aktualisieren.
Effiziente Kommunikation unter den Komponenten
Die Forschungs- und Innovationsinfrastruktur (NEST, move, ehub, dhub)
der Empa in Dübendorf erlaubt Energieforschung in einem belebten Quartier. Um den Gebäude- mit dem Mobilitätsbereich zu verbinden – und damit auch sämtliche Komponenten, die Energie produzieren, speichern, transportieren und umwandeln – setzt das ehub-Team auf das Kommunikationsprotokoll OPC-UA.
Die Sicht der Industrie auf die Energieforschung
Angewandte Forschung im Bereich Energie und Regelungstechnik kann nur dann der Gesellschaft nutzen, wenn die Ergebnisse in die Industrie transferiert werden. In gemeinsamen Projekten mit Industriepartnern identifiziert das ehub-Team aktuelle und zukünftige Herausforderungen. Diese werden dann mit wissenschaftlichen Ansätzen, Simulationen und realen Demonstrationen mittels der Empa-Demonstratoren angegangen. Das ehub-Team stellt den Industriepartnern sein Knowhow im Bereich Regelung und Energiemanagement zur Verfügung, mit dessen Hilfe sie ihre Produkte weiterentwickeln können. Gleichzeitig fördert es die Zusammenarbeit mit Forschungspartnern, die wertvolle Inputs für die Industrie liefern können.
ehub – die zentrale Energiedrehscheibe
Plattform zum Sammeln von Daten und zur Steuerung
Connect. Collect. Control.
ehub erlaubt nicht nur die Analyse der gesammelten Daten, sondern auch die aktive Übersteuerung der Anlagen mit eigenen Regel-Algorithmen. Dies ermöglicht den Partnern, neue Betriebskonzepte zu implementieren und in der Realität zu validieren.
ehub besteht aus einer Vielzahl von Komponenten und Technologien, die alle über einen standardisierten Datenaustausch miteinander kommunizieren. Alle Komponenten befinden sich in realen Nutzungsumgebungen und sind ständig in Betrieb.
Über 8'000 Datenpunkte liefern in Echtzeit Informationen zu einzelnen Komponenten, Teilsystemen oder ganzen Units. Diese werden im Minutentakt in der ehub-Datenbank gespeichert und stehen für die Analyse zur Verfügung.
Niedertemperatur-Wärmepumpe
Ein Glykolkreislauf bringt Wärme aus den Erdsonden und dem Eisspeicher zur Wärmepumpe. Die entnommene Wärme fliesst ins Mitteltemperaturnetz (35 Grad Celsius).
Projekt: Verbesserung der Nachhaltigkeit von Gebäuden durch Berücksichtigung des CO₂-Fussabrucks von Strom
Der Energieverbrauch von Gebäuden macht einen erheblichen Anteil an den globalen Treibhausgasemissionen aus. Um den CO₂-Fussabdruck zu reduzieren ist somit entscheidend, unsere Gewohnheiten beim Energieverbrauch anzupassen. Die Ergebnisse eines kürzlich durchgeführten Projekts zeigen, dass es grosse Schwankungen beim stündlichen Strom-Fussabdruck gibt (ein Beispiel ist in der Abbildung dargestellt). Forscher an der Empa arbeiten daran, solche elektrischen Fussabdrücke in Energiemanagementsysteme für Gebäude einzubinden. Diese passen die Energienutzung automatisch anhand von Vorhersagen zum Energiebedarf an und verlagern den Energieverbrauch in CO₂-arme Zeiträume.
Fehlerbehebung mithilfe von Augmented Reality
ReMaP – Grundlagen für das Energiesystem von morgen
Auf dem Weg zu einem nachhaltigen Energiesystem werden Technologien zur flexiblen Umwandlung und effizienten Speicherung von Energie immer wichtiger. Um diese drängenden Themen realitätsnah zu untersuchen, entwickelt das ehub-Team gemeinsam mit der ETH Zürich und dem Paul Scherrer Institut seit 2019 ReMaP, eine neuartige Forschungsplattform. Sie verbindet die verschiedenen Forschungsinfrastrukturen, damit diese genutzt werden können, um neue Technologien und Konzepte zu validieren und weiterzuentwickeln. Die erste Live-Demonstration der Plattform sehen Sie im Video.
Elektrische Reserven mit Wärmepumpen
Mit immer mehr erneuerbaren Energiequellen, die an das Stromnetz angeschlossen werden, wird es zu einer Herausforderung, dieses stabil zu halten. Neben der Energiespeicherung und der Unterstützung der Versorgung durch reaktionsschnelle Kraftwerke kann die Laststeuerung bei dieser Herausforderung helfen. Das ehub-Team verwendet Wärmepumpen mit einem Regelalgorithmus, der auf einer Kombination aus maschinellem Lernen und modellprädiktiver Regelung basiert, um dem Netz elektrische Reserven zur Verfügung zu stellen. Dabei wird die thermische Flexibilität des Wasserspeichers und des Gebäudes selbst genutzt, um Strom in einer Weise zu verbrauchen, die für die Netzstabilität hilfreich ist und gleichzeitig für ein angenehmes Raumklima in den Gebäuden sorgt.
Hochtemperatur-Wärmepumpe
Abgekühltes Rücklaufwasser aus dem Hochtemperatur-Kreislauf (40 Grad Celsius) wird erneut auf 60 Grad erhitzt. Die nötige Wärme kommt aus dem Mitteltemperaturnetz (35 Grad Celsius).
Hochtemperatur-Brennstoffzelle
Sie erzeugt aus Erdgas elektrische Energie und zugleich Wärme. Die Brennstoffzelle kann auch künstlich hergestelltes Erdgas (Syngas) aus dem Mobilitäts-Demonstrator move verwenden. Es wird aus Solar- und Windstrom hergestellt und ist CO₂-neutral.
Energy Hub: Energieforschung im Quartier
Unser Energiesystem ist im Wandel: Der Ausbau von erneuerbarer Energie führt zu einer dezentralen und fluktuierenden Produktion, weil Sonne und Wind nicht immer und überall Energie liefern. Effiziente Speicher und ein intelligentes, dynamisches Zusammenspiel verschiedenster Technologien sind nötig – nicht nur im einzelnen Gebäude, sondern auch im Quartier und in ganzen Städten. ehub – kurz für Energy Hub – ist die Energieforschungsplattform der Empa. Ziel ist es, gemeinsam mit Forschungs- und Wirtschaftspartnern, das Energiemanagement im einzelnen Gebäude und auf Quartierebene zu optimieren und damit die Energiewende voranzutreiben.
ehub umfasst die beiden Empa-Demonstratoren NEST sowie move und vernetzt sämtliche Technologien, die Energie erzeugen, transportieren, speichern und umwandeln. Je nach Forschungsfrage lässt sich jede Komponente einzeln ansteuern oder mit anderen kombinieren – und das über die unterschiedlichsten Schnittstellen. Gleichzeitig liefern mehrere Tausend Messpunkte kontinuierlich Daten, die sowohl live als auch für eine spätere Analyse zur Verfügung stehen.
Eröffnung: Mai 2016
Partner: Adaptricity, aliunid, Aurora's Grid, Beckhoff, Belimo, die werke versorgung wallisellen ag, Energie 360°, energie-cluster.ch, Fleco Power, Georg Fischer AG, Glattwerk AG, R. Nussbaum AG, Swisspower, Viessmann, Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen VSE, XORELLA-FRANK AG, Berner Fachhochschule BFH, CSEM, EPFL, ETH Zürich, Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW, HES-SO, Hochschule Luzern HSLU, Paul Scherrer Institut PSI, SCCER FEEB&D, Bundesamt für Energie, CCEM, EnergieSchweiz, ETH-Rat, Innosuisse, Kanton Zürich, Schweizerischer Nationalfonds, SVGW
Hoch- & Tiefgestellte Zeichen
Hochgestellt:
⁰ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹
⁺ ⁻ ⁼ ⁽ ⁾ ⁱ ⁿ
Tiefgestellt:
CO₂,
₀₁₂₃₄₅₆₇₈₉
₊ ₋ ₌ ₍ ₎
ₐ ₑ ₒ ₓ ₔ ₕ ₖ ₗ ₘ ₙ ₚ ₛ ₜ
Liste unter: https://de.wikipedia.org/wiki/Unicodeblock_Hoch-_und_tiefgestellte_Zeichen
Die Speichertanks des NEST-Gebäudes
Von oben nach unten:
• Speichertank für den Hochtemperatur-Kreislauf (60 Grad Celsius)
• Speichertank für den Mitteltemperatur-Kreislauf (35 Grad Celsius)
• Speichertank für den Niedertemperatur-Kreislauf (8 Grad Celsius)
Alle entsprechenden Leitungen finden sich an der Decke wieder.