挑战：可再生能源发电大多是分散的，而且，极其不稳定。

在采用燃烧技术的中央发电厂中，发电量可以根据需求调节高低，特别是在燃气发电厂的情况下。在光伏发电中，发电量是不规则的，取决于一天中的时间、季节或天气。

对于未来的二氧化碳中性城市来说，缺乏可控性和可预测性意味着电能必须通过缓冲储存来大量储存，以便在任何时候都能提供给最终消费者。

未来的智能城市必须掌握两项任务：为分散产生的能源创建一个电网结构，并在能源量不稳定的情况下控制能源供应--这是以桥梁为例的建模。

法兰克福大桥的能源概念已经用Polysun进行了模拟。

能源来源：

  光伏组件：在8个方向（南、西南、西等），角度为0、37和90度。

  光伏模块：在南边的方向，有最佳角度

  地热探头：用于空间加热

  能源：代表数据中心的废热  

  电网： 如果电力需求量大，就会消耗电网的电力（如果反之，电网就是能源消费者）

能源储存：

  锂离子电池：320兆瓦时的存储容量

  氧化还原流电池：80兆瓦时的存储容量

  地热探针：作为BTES储能

能源消费者：

电力消费者：用于住宅和非住宅建筑、桥梁基础设施（照明、灌溉等）、电动汽车、氢气生产

  游泳池：作为热消费者

  建筑物：用于住宅和非住宅建筑及温室的空间加热

  能源汇、源：在空间冷却时代表住宅建筑

设施：

  热泵：用于空间加热和冷却

  热电联产装置：作为燃料电池，为冬季增加的能源需求提供备用。

  控制：控制整个系统

法兰克福大桥能源概念建模的参数、边界条件和先决条件

为了不使非常复杂的模拟过于耗时，我们对桥梁总能量的1%进行了模拟，作为100%的能量的代表子段。因此，模拟只考虑了两个，而不是法兰克福大桥上的200个供应中心。仿真的时间步数为1小时，为期一年。为了更准确地模拟BTES的存储效果，模拟准备时间被设定为270天。

高温热泵与来自数据中心的废热和太阳能的热量耦合，而低温热泵则用于与地热耦合。

来自PVT模块的热量和来自数据中心的废热从4月到9月被储存在BTES中，从10月到3月被提取或消耗。

为了更有效地利用燃料电池的热量，燃料电池只在冬季对能源有较高需求时运行。

游泳池作为热能消费者的典范被提及，因为数倍于桥梁消耗的热能被产生或储存起来，必须为此找到买家，这样储存的热量才不会长年累月地积累在地下，使其和地下水一样被加热。然而，在遥远的将来，当桥梁沿线的建筑物经历了翻新周期后，这些热量就可以被输送到这些建筑物的热泵中。

在夏季，住宅楼屋顶的冷却天花板的热量被送入地下进行再生。在冬季，光伏发电模块的部分剩余热能也被输送到地下用于再生，但要控制温度，而且只有在光伏发电模块的盐水温度低于30℃时才会这样做，因为柱桩中的地热储存罐（与更深的探测场不同）否则会有使土壤和地下水过热的风险。

结果是：法兰克福大桥的自给率很高，自用率几乎达到100%。

在夏季，当法兰克福大桥大量生产或收集光伏电力时，大桥的自给自足程度几乎达到了100%。只有在冬季，这些桥梁才依靠从电网中获取电力，但不到其需求量的10%。全年的自用率几乎是100%，因为桥梁总是要么自己消耗所有的能源，要么将其送给附近的其他用户直接使用。

产生的氢气可用于桥上和桥旁的车辆，也可确保冬季的电力生产。

发电的最大份额（约171GWh/a）被用于氢气生产： 一方面，这可用于全年为桥梁上和沿线的H2动力车辆供电。另一方面，夏季产生的剩余电力以氢气的形式 "储存 "起来，这样在冬季，当日照较少时，总有一种能源可以提供补偿。

利用171GWh的剩余电力，每年可生产3240吨氢气： 需要135,000立方米的储存量，以便在350巴的条件下将这些数量的氢气储存在地下罐中。

为了在PEM电解器中生产3240吨氢气，需要52,000立方米的水。桥下蓄水池中收集或储存的雨水中约有3%至4%可作为水源。

由于3240吨氢气所需的空间相对较大，即使是在350巴的情况下，在桥梁的7个臂旁确定了42块农田和运动场，总面积为840,000平方米，可用于氢气生产以及储存 - 但只需要20,000平方米。这些地区的使用不受包括PEM电解器在内的2至3米深的水箱安装的影响--因此，对土地所有者来说，为这样的基础设施 "租赁 "他们的底土是很有吸引力的，他们几乎没有注意到这一点。

为了能够在夏季将90%的剩余电力转化为氢气，在大桥外侧的每个氢气站需要5个电解器堆，每个5兆瓦。

在夏季生产的133GWh/a的氢气中，有71GWh/a（约占53%）被储存用于冬季。

所生产的氢气并不是一次就完全储存起来到时消费，而是在一年中长期有更多（冬季）或更少（过渡月份）的密集消费：因此，在用于氢气生产的大约171GWh/a的剩余电力中，只有41%，即大约71GWh/a或1345吨，在夏季月份储存起来供冬季消费。

储氢罐需要约4250平方米，PEM电解器需要约450至500平方米 - 总的来说，这导致每个桥臂末端的每个站的空间需求小于5000平方米。

这个 "峰值存储量 "的空间需求为56,000立方米。一小部分的氢气确实可以直接储存在桥梁现场的200个供应中心： 每个地下室都有一个容积为3.5立方米的氢气罐，因此，在总共56,000立方米的氢气中，大约有4,900立方米的氢气可以在200个桥梁点就地储存。

但大部分的氢气，约51000立方米，被储存在7个氢气站的7个桥臂的末端部分--也是地下。

另一方面，7个氢气站的储气罐直径为3.6米，长度为15米，处理起来要复杂得多，尤其是7个氢气站中的每一个都需要平均49个这样的储气罐，所以相对来说比较方便和紧凑。

尽管如此，每个氢气站的地下储存空间仍然可以控制在4250平方米左右，特别是由于在桥臂的每一端只需要增加450至500平方米的电解器。

在3240吨的氢气中，大约四分之一将被用来为燃料电池提供动力，然后在冬季也可以提供电能和热能。

即使在冬季，当光伏发电和太阳热能产生的热量少得多时，也必须确保电力和热能供应。这是通过使用约823吨的氢气来操作燃料电池来实现的。这些燃料电池主要在冬季运行，以有效利用同时产生的热能。

整个桥梁需要总输出功率为100,000千瓦的燃料电池： 为此，使用了200个燃料电池，每个输出功率为500千瓦，分布在200个供应中心。

虽然氢气和燃料电池为所产生的挥发性光伏能源提供了夏季和冬季的平衡，但在日照较短的阶段和夜间的平衡则由电池提供。

在桥梁上，供应中心的电池总容量为400兆瓦时。其中，320兆瓦时是锂离子电池，只有80兆瓦时是氧化还原液流电池，因为后者相对于其能源效率来说占用了更多的空间。然而，法兰克福大桥的电池概念可以在未来有机液流电池准备好进入市场时进行修改。

锂离子电池容量分布在200个供应中心（VZ）中的70个，平均每个VZ的锂离子电池总容量为4.6兆瓦时，空间需求约为33平方米。所有供应中心都有氧化还原电池： 在60个VZ中，有2个，每个300千瓦时，在其余140个VZ中，有一个，每个300千瓦时。

创新的能源供应基础设施还考虑到了分散的能源生产者和消费者之间最短的运输路线

通过这些桥梁，法兰克福迈出了从通过电厂燃烧的集中供应到通过可再生能源的分散供应的第一大步。重要的是，生产者和消费者通过控制系统（一个封闭的 "物联网"）相互沟通，而且能源的消耗总是尽可能地靠近其生产地： 因此，热能和电力运输的距离更短，由于变压器造成的转换损失或由于线路距离造成的热损失被降到最低。

例如，在桥梁上，所有覆盖有PVT模块的表面都是能源生成单元。它们产生的电力总是首先被传输到下一个供应中心，在那里可以以最佳的控制方式使用。

提高效率的另一个研究领域：避免转换损失。光伏产生的直流电能理论上可以直接用于为电动汽车充电，而不必将光伏产生的直流电转换为有损耗的交流电。只有电压必须被调整。

由于桥梁的储存情况，法兰克福电网通过电网馈电和抽水的利用率仍然很低

有了法兰克福桥，外部电网和当地电网之间的电力交换被降到了最低： 剩余的电力要么储存在电池中，要么用它来生产氢气--这两种方法都大大减少了电网的输入。电池和燃料电池还可以在电力短缺的情况下减少从电网提取的电力。只有在9月至2月，由于太阳辐照减少，从电网中提取的电力量略高，然而，占桥梁收集或产生的电力的2%，这仍然是比较低的。

在空间加热和冷却领域，热泵是桥梁基础设施的一个重要组成部分

在桥区，加热和冷却是在热泵的帮助下完成的。如果供应中心为几座较小的建筑提供服务，则会在这些中心安装热泵。桥梁上的大型建筑，如公寓楼、养老院、幼儿园等，都有自己的热泵。该系统包括低温（NT）和高温（HT）热泵：NT热泵的热源是温度约为14°C的地热，HT热泵的热源是地热能。大约100%的空间供暖和所有空间制冷都由NT热泵提供。桥上的建筑和桥边的温室需要100台NT热泵，在W15/W35条件下，加热能力约为290千瓦。

高温热泵的热源是来自桥梁上和沿线的PVT模块的太阳能热能和来自温度高于20℃的数据中心的废热。

在最初几年，HT热泵主要为桥上和桥下的道路除霜或游泳池等提供热量，直到桥梁沿线的现有建筑在改造过程中从燃气转向热泵加热，储存在地下的太阳能热能和数据中心的废热也可用于这些建筑。所有热泵的COP在4到7之间，取决于水温。