Aktuelle Forschungsprojekte

Klimaneutrale Transformation von Quartieren – Vernetzte Reallabore mit intelligenter Entscheidungsunterstützung zur energieoptimierten Flexibilisierung durch Sektorenkopplung

Die klimaneutrale Gestaltung von Quartieren scheiterte in der Vergangenheit meist an der mangelnden Wirtschaftlichkeit sowie an den verschiedenen Akteursinteressen. Um diese Hemmnisse zielgerichtet abbauen zu können, gilt es bestehende Quartiere klimaneutral umzugestalten. Dabei ergibt sich für die ländlich geprägte Region mit einer hohen Bevölkerungsdichte OWL, die stark vom Mittelstand geprägt ist, ein besonderes Potential. In dieser Region setzt das Projekt FlexLabQuartier an. In diesem wird die klimaneutrale Transformation von Quartieren im Bestand in Planung und Betrieb erforscht und in Reallaboren demonstriert. Ziel ist es, Hemmnisse für den Bau und Betrieb von klimafreundlichen Quartieren abzubauen. Um diese Ziele zu erreichen, werden in FlexLabQuartier Lösungen in einem interdisziplinären Projektkonsortium unter technischen, sozialen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten untersucht. Dabei liegt der Fokus auf der Dekarbonisierung der Quartiere durch eine auf erneuerbaren Energien basierende Energieversorgung, der Nutzung von Flexibilitäten bei der Sektorenkopplung und Energieeffizienz. 

Die Hochschule Bielefeld übernimmt schwerpunktmäßig die Realisierung eines sozio-technischen Reallabors. Dabei liegt der Fokus zum einen auf der Entwicklung klimafreundlicher Lösungen für die Kopplung der Sektoren Strom und Mobilität und auf der Untersuchung der sozialen und psychologischen Hemmnisse, da vor allem die Bewohner selbst von diesen Lösungen betroffen sind.

Projektpartner:
Energie Impuls OWL, Universität Paderborn, HORIZONTE-Group Technik GmbH, Westfalen Weser Netz GmbH, Westaflexwerk GmbH, Stadtwerk Verl GmbH, Stadtwerke Bielefeld GmbH (Assoziiert), Stadt Verl (Assoziiert), Sennestadt GmbH (Assoziiert), Gemeinde Borchen (Assoziiert)

Projektförderung:
EFRE/JFT-Programm NRW

Probabilistischer Sektorenkopplungsoptimierer
Im Projekt ProSeCO wird ein Energiemanagementsystem entwickelt, das eine intelligente Steuerung von dezentralen erneuerbaren Energieanlagen und elektrischen Lasten im Strom- und Wärmesektor ermöglicht. Ziel ist es, den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen und den ökologischen Fußabdruck zu verringern. Das Energiemanagementsystem basiert auf einem probabilistischen digitalen Zwilling, der aus einem digitalen Zwilling des betrachteten Netzes und dynamischen Risikomodellen (DRM) besteht. Diese Modelle berücksichtigen verschiedene Unsicherheiten und Ungenauigkeiten (z.B. Verbraucherverhalten, fehlende Messdaten). Die AG Netze und Energiesysteme konzentriert sich in diesem Projekt auf die Erforschung und Entwicklung von DRM zur Abbildung des zufälligen Verhaltens des Stromverbrauchs und der volatilen Stromerzeugung durch erneuerbare Energiesysteme. Darüber hinaus wird eine aussagekräftige Feldevaluierung zur Erprobung und Validierung des Energiemanagementsystems in einem elektrischen Niederspannungsnetz durchgeführt.

Das Projekt ProSeCO zielt darauf ab, innovative Lösungen zu entwickeln, um erneuerbare Energiesysteme zu steuern und diese in der praktischen Anwendung zu validieren. Durch die Kombination von digitalen Zwillingen, dynamischen Risikomodellen und einem Energiemanagementsystem wird eine effiziente Nutzung erneuerbarer Energien ermöglicht und damit ein wichtiger Beitrag zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz geleistet.

Projektpartner:
Deutschland: Stadtwerke Bielefeld GmbH, Sennestadt GmbH (Assoziiert), Digitalisierungsbüro Bielefeld (Assoziiert)
Österreich: Technische Universität Wien, Siemens Österreich AG
Portugal: Instituto Superior de Engenharia do Porto

Projektförderung:
CETPartnership, Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Flexible virtuelle Nachbildung von Operational Technology Netzwerken in der Energieversorgung
Effizienz und Sicherheit sind von größter Bedeutung in einer sich ständig verändernden Welt der Energieversorgung. Die Modernisierung von Energieversorgungsnetzen erfordert die Entwicklung neuer Funktionen und die Durchführung umfangreicher Tests, die idealerweise unter realen Bedingungen stattfinden. Netzbetreiber und Systemlieferanten sind dabei mit technischen und zeitlichen Herausforderungen konfrontiert. Ziel von FlexONet ist die Entwicklung eines innovativen Framework-Ansatzes zur Erstellung virtueller Abbilder von Operational Technology (OT) Netzwerkinfrastrukturen. Dieser Ansatz ermöglicht es, Infrastrukturen von z.B. Umspannwerken, hinsichtlich ihrer Kommunikationsinfrastruktur und Funktionalität detailliert als virtuelles Abbild darzustellen. 

Die AG Netze und Energiesysteme im ITES der Hochschule Bielefeld erforscht anhand eines konkreten Testszenarios eine automatischen Wiederversorgung im Mittelspannungsnetz nach Fehlerabschaltung an einer Energieversorgung für ein Wasserwerk. Die Validierung und Erprobung dieser innovativen Lösung erfolgt auf der OT-Netzwerkinfrastruktur des entwickelten Framework-Ansatzes. Zur Sicherstellung der Genauigkeit der Virtualisierung wird zusätzlich ein Hardwareaufbau des Testsystems im Labor realisiert.

Projektpartner:
Fraunhofer IOSB-AST, TU Dortmund, H&S Hard- & Software Technologie GmbH & Co. KG, Stadtwerke Bielefeld GmbH, Sprecher Automation GmbH

Projektförderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Interoperable Forschungsinfrastruktur für das Management nachhaltiger Netzzellen
Eine saubere Energiewende mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien kann zu Problemen bei der Netzsicherheit der elektrischen Netze führen. Dies liegt an der volatilen Einspeisung von erneuerbarer Energie bei gleichzeitig hoher Last von dynamischen Verbrauchern, wie z.B. Elektrofahrzeugen, sowie Prosumern. Um dies zu vermeiden, wird in IRI4SGC eine autonome Steuerung von Energiezellen sowie Handlungsempfehlungen für die Netzbetreiber entwickelt. Um ein genaues Abbild des realen Netzes zu reproduzieren und zu testen, wird eine hochflexible und skalierbare Infrastruktur benötigt. Zu diesem Zweck werden die bestehenden Labore der Partner virtuell miteinander verbunden. Dieser neue kollaborative Ansatz unterstützt die Idee von langlebigen und nachhaltigen Produkten und hilft, den Ressourcenbedarf zu reduzieren. Die Kontinente übergreifende Verbindung zwischen der Europäischen Union und den Regionen Lateinamerikas und der Karibik sowie der Austausch von Kompetenzen und Fachwissen stehen im Mittelpunkt bei der Bewältigung der Herausforderungen der sauberen Energiewende in allen beteiligten und berücksichtigten Regionen.

Projektpartner:
Deutschland: Hochschule Bielefeld
Österreich: Technische Universität Graz
Brasilien: Federal University of Amazonas Brazil
Bolivien: Universidad Mayor de San Andrés Bolivia
Nicaragua: Universidad Tecnológica La Salle (Assoziiert)

Projektförderung:
4th EU-LAC Joint Call in STI 2022, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

SustAInable Life-cycle of Intelligent Socio-Technical Systems
Systeme, die unter der Verwendung von künstlicher Intelligenz (KI) arbeiten, betrachten selten den gesamten Lebenszyklus des Systems. Das Verbundprojekt SAIL zwischen der HSBI, den Universitäten Bielefeld und Paderborn und der TH OWL verschiebt den derzeitigen Fokus von der Kernkomponente des Trainings in Richtung einer nachhaltigen langfristigen Entwicklung von KI-Systemen im realen Leben. SAIL befasst sich sowohl mit der Grundlagenforschung im Bereich der KI, ihren Auswirkungen aus der Perspektive der Geistes- und Sozialwissenschaften als auch mit konkreten Anwendungen im Bereich der Industrie 4.0 und der intelligenten Gesundheitsversorgung.
Der Fokus der AG Netze und Energiesysteme liegt dabei im Bereich Industrie 4.0. In einem Tandem zusammen mit dem CoR-Lab der Universität Bielefeld werden verteilte KI-Algorithmen zur Optimierung des Energieverbrauchs in der Industrie unter Berücksichtigung von Netzstabilitätskriterien entwickelt und erforscht. Verteiltes Lernen und verteilte Kommunikation stellen ausfallsichere, ressourcenschonende KI-Methoden zur Optimierung von Energieflüssen innerhalb einzelner Industrienetze dar und gewährleisten eine erhöhte Datensicherheit. Mit dem KI-System sollen die steuerbaren Komponenten in Industriebetrieben im Hinblick auf die Vermeidung von Lastspitzen optimiert werden, so dass sowohl der Industriebetrieb monetäre Einsparungen hat als auch der Netzbetreiber einen sicheren Netzbetrieb gewährleisten kann.

Projektpartner: 
Universität Bielefeld, Universität Paderborn, Technische Hochschule OWL

Projektförderung:
Netzwerke 2021, Ministerium für Kultur und Wissenschaft (MKW) des Landes Nordrhein-Westfalen 

Innovation Campus for Sustainable Solutions
An Fachhochschulen spielen Forschung und Transfer eine wesentliche Rolle. Mit dem Innovation Campus for Sustainable Solutions möchte die Hochschule ein umfassendes, zukunftsfähiges Profil in Forschung, Lehre und Transfer entwickeln. Der Schwerpunkt wird zunächst auf forschungsbasiertem Transfer in der Materialforschung und der „Circular Economy“ gelegt. Hier sollen exemplarisch Strukturen geschaffen und Arbeitsweisen entwickelt werden, von denen dann Transferaktivitäten in weiteren Forschungsfeldern profitieren können.
Die AG Netze und Energiesysteme ist im Creative Lab in der Forschungsgruppe Zirkuläre Wertschöpfung im InCamS@BI angesiedelt, in dem Transferformate zum Gestalten des Wissenschaftsdialogs und zum Generieren von Ideen im Themenfeld Circular Economy entwickelt und erprobt werden. Der Fokus der AG Netze und Energiesysteme liegt dabei in der Bearbeitung der Themen einer nachhaltigen Energietechnik. Die Outputs des Creative Lab sind entwicklungsfähige Ideen, die im Innovation Lab zu Projektskizzen weiterentwickelt werden.

Projektförderung:
Innovative Hochschule, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Center for Cooperation and Career Management
In verschiedenen Bereichen fehlt qualifiziertes Personal für die Besetzung von Professuren an Fachhochschulen. Das Projekt Career@BI des Bund-Länder-Programms der Förderlinie „FH Personal“ schafft im Themenfeld verschiedener Engpassbereiche, wie Gesundheit oder Ingenieurwissenschaften, Qualifizierungsmöglichkeiten für FH-Professuren durch Tandemstellen mit Praxispartnern über sechs Jahre. Entsprechende Qualifizierungsprojekte werden in verschiedenen Themenfelder von den ausgezeichneten Postdocs zusammen mit verschiedenen Projektpartnern aus Gesundheitsindustrie, Sozialwesen und Ingenieurswissenschaftlichen Bereich konzipiert. Im Rahmen dieser Qualifizierungsprojekte forschen und arbeiten sie sowohl als Mitarbeiter*innen der Hochschule als auch der Anwendungspartner.
Die AG Netze und Energiesysteme hat eine Tandemstelle in Kooperation mit den Stadtwerken Bielefeld. Der FH Mitarbeiter Dr. Michael Kelker ist in dieser Kooperation mit einer halben Stelle bei den Stadtwerken Bielefeld im Bereich der elektrischen Netze angestellt. An der HSBI baut Dr. Kelker mit einer halben Stelle seine Lehr- und Forschungserfahrungen ebenfalls im Gebiet der elektrischen Netze weiter aus. Geplant ist der Aufbau eines eigenen Forschungsschwerpunktes zum Thema Digitalisierung und künstliche Intelligenz in der Energieversorgung.

Projektpartner: 
Stadtwerke Bielefeld GmbH

Projektförderung:
Förderlinie FH Personal, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Autonome AI für zellulare Energiesystem mit zunehmender Flexibilität durch Sektorenkopplung und verteilter Speicher.
Der zellulare Ansatz adressiert dezentrale, selbstverwaltete Energiezellen auf allen hierarchischen Netzebenen. Jede Zelle kann Strom-, Gas- und Fernwärmenetze umfassen, die durch Sektorenkopplung und Energiespeicherlösungen wie Batterien und Power-to-X-Systeme eine hohe Effizienz und Flexibilität erreichen. Im Vergleich zum konventionellen Netzbetrieb optimiert jede Zelle ihre erneuerbare Stromerzeugung, ihren Energieverbrauch und ihre Energiespeicherung auf einer viel feineren Granularitätsebene und aufgrund der hohen Anzahl von Teilnehmern auch auf einem viel höheren Komplexitätsniveau. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wird ein autonomer Zelloptimierer, der auf künstlicher Intelligenz (engl. Artificial Intelligence, kurz: AI) basiert für das effiziente Energiemanagement einer Vielzahl von Energiespeichern aus der Perspektive einer Energiezelle entwickelt. Die AI-basierte Steuerung wird integriert und unter realen Bedingungen mit Hilfe eines digitalen Zwillings des Energiesystems demonstriert, der als kohärente Informations- und Interaktionsschicht für alle Marktteilnehmer dient. Die FH-Bielefeld wird in diesem Verbundvorhaben verschiedene AI- und maschinelle Lern-Algorithmen analysieren, die für das komplexe Optimierungsproblem der zellularen Netze und deren verschiedenen Technologien geeignet sind. Weiter wird das Optimierer-Interface für die Anbindung von Elektrofahrzeugen mit dem elektrischen Netz (engl. Power-to-Mobility/Vehicle-to-Grid) innerhalb einer Netzzelle entwickelt. 

Projektpartner: 
Deutschland: Technischer Universität Kaiserslautern, Bielefelder Netze GmbH, VOLTARIS GmbH
Österreich: AIT Austrian Institute of Technology, Technische Universität Wien

Projektförderung:
Multilateral Joint Call of RDI projects on digital transformation for green energy transition (MICall20), Smart Energy Systems ERA-Ne

KI-on-the-edge für eine sichere und autonome Verteilnetzsteuerung mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien
Zur Unterstützung der lokalen Netzstabilität benötigt das komplexe System den Einsatz von KI zur Abschätzung des aktuellen Netzzustands, zur Vorhersage der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und zur Unterstützung von Netzsystemdiensten, die das Laden und Entladen von Batterien nutzen. Ein komplexes System, in dem die Komponenten eines zukünftigen Stromnetzes miteinander verbunden sind, ist störanfällig, insbesondere wenn die Steuerung der Komponenten an einer zentralen Stelle erfolgt. Damit die KI sicher arbeitet, wird ein verteilter KI-Ansatz untersucht. Für diesen dezentralen KI-Ansatz wird Cognitive-Edge-Computing zur effizienten Steuerung, zur Verringerung der benötigten Ressourcen und zur Datensicherheit verwendet. Das Prinzip besteht darin, Anwendungen so nah wie möglich an den Datenquellen auszuführen. Ziel von AI4DG ist die Erforschung und Entwicklung einer dezentralen KI-Plattform für eine sichere und autonome Steuerung des Verteilnetzes mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien.

Projektpartner: 
Deutschland: Universität Bielefeld, Hochschule Bielefeld, Westfalen Weser Netz GmbH
Frankreich: Université Grenoble Alpes, Atos Worldgrid

Projektförderung:
Deutsch-Französische Kooperation, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)