Energiesysteme

Verantwortlicher

Prof. Dr. Hartmut Gnuschke

Hochschule Coburg

Die effiziente Nutzung der an Bord eines Fahrzeuges verfügbaren Energie ist unabhängig davon, ob das Fahrzeug von einem Verbrennungsmotor oder einer elektrischen Maschine angetrieben wird, unabdingbar, um die CO₂-Emissionen zwischen Energieerzeugung und Verbrauch am Rad zu minimieren. Insbesondere bei reinen Elektrofahrzeugen ist der Energieverbrauch von Sekundärsystemen wie z.B. der Klimaanlage so gering wie irgend möglich zu gestalten, damit die noch immer problematische, im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren deutlich niedrigere Praxisreichweite nicht noch geringer wird. Im Winter kann sich die Reichweite eines Elektrofahrzeuges grob halbieren, wenn die Traktionsbatterie zur Beheizung des Innenraums verwendet wird.

Ein Lösungsansatz besteht darin, die thermische Energie der Fahrzeugumgebung mittels einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe an Bord des Fahrzeuges von niedrigem Temperaturniveau auf ein angenehmeres anzuheben. Der Betrieb der Wärmepumpe und generell der Klimaanlage des Fahrzeuges kann ferner die im Fahrzeug anfallenden Abwärmen z.B. aus der Traktionsbatterie nutzen, oder es kann die Batterie, wenn sie zu kalt ist und ihre Leistungsfähigkeit dadurch eingeschränkt ist, geheizt werden.

Diese Beschaltungen der Klimaanlage gehen erheblich über die Funktionen einer „normalen“ Klimaanlage hinaus und führen zu komplexeren Systemen mit aufwendigerer Regelungstechnik und höheren Kosten.

Ziel des Projekts „E-Climate“  (2011 bis 2015) war es, in Kooperation mit einem Hersteller für Fahrzeugklimaanlagen ein entsprechendes Kühlsystem für Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Dabei wurde von den Forschern der Hochschule Coburg vor allem die Simulation einzelner Komponenten des Systems durchgeführt und eine systemische Darstellung der vielfältigen Schaltmöglichkeiten der Anlage vorgenommen sowie vor Ort beim Klimaanlagenspezialisten der Messaufbau mit betreut.

Im Ergebnis sind signifikante Potenziale zur Senkung des Energieverbrauchs gehoben worden und hierfür sinnvolle Betriebsmodi definiert worden. Die Anlage wurde auf einem im Rahmen des Projekts beim Klimaanlagenhersteller speziell hierfür aufgebauten Prüfstand in fahrzeugähnlichen Bedingungen (also insbesondere unter Einbeziehung der realen Traktionsbatterie) getestet.

Mit dem Projekt wurde die Basis für weitere Projekte im Bereich des Energiemanagements von (Elektro-) Fahrzeugen gelegt.

Verantwortlicher

Prof. Dr. Michael Danzer

Universität Bayreuth

Der Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme im TAO Verbund

Ziel der Arbeit am Lehrstuhl ist die Erforschung methodischer Grundlagen für eine effiziente und nachhaltige Energiewandlung und -speicherung im Allgemeinen sowie eines dynamischen, langlebigen und zuverlässigen Einsatzes von Batterien und Brennstoffzellen im Speziellen. Die Anwendungsfelder umfassen dabei mobile, portable und stationäre Anwendungen. Die entwickelten Verfahren und Modelle sollen dabei sowohl in der Elektromobilität als auch für gebäudeintegrierte und netzgekoppelte Speicher und Wandler nutzbar gemacht werden können.

Elektrische und elektrochemische Energiespeicher und -wandler

Das Forschungsgebiet des Lerhstuhls Elektrische Energiesysteme ist die systemtechnische Betrachtung elektrischer und elektrochemischer Energiespeicher und -wandler. Im Fokus der Forschungsaktivitäten sind dabei zum einen die Analyse und Modellierung elektrochemischer Energiesysteme wie Lithium-Ionen-Batterien und PEM-Brennstoffzellen. Zum anderen forscht die Gruppe zu Methoden der Batteriesystemtechnik für mobile und stationäre Anwendungen und entwickelt modellbasierte Algorithmen für moderne Batterie- und Energie-Management-Systeme. Die Themen sind gemäß der folgenden Abbildung strukturiert in die beiden Technologiesäulen der Batterien und Brennstoffzellen, den vier Querschnittsthemen von der Anwendung bis zu den Grundlagen sowie zwei Plattformprojekten.

Die Kompetenzfelder

Die experimentelle, theoretische und methodische Expertise der Forschungsgruppe zeichnet sich durch folgende Kompetenzfelder aus:

• Elektrochemische, elektrothermische und elektromechanische Analyse der Performance und Alterung elektrochemischer Energiespeicher und -wandler
• Modellierung des kurz- (Performance) und langfristigen (Alterung) Verhaltens von Batterien und Brennstoffzellen
• Modellbasierte Zustandsschätzung sowie Leistungs-, Energie- und Lebensdauerprognose
• Elektrochemische Impedanzspektroskopie und Zeitbereichsanalyse (Verteilung von Zeitkonstanten)
• Beobachter-, Filter- und Reglerkonzepte für energietechnische Systeme
• Modellbasierte Algorithmen für Batterie- und Energie-Management-Systeme

Verantwortlicher

Prof. Dr.-Ing. Mark-M.Bakran 

Universität Bayreuth

Kompetenzen

Das energietechnische Forschungsportfolio wird von folgenden Themen repräsentiert

• Sichere elektrische Wandler
• HVDC-Energieübertragung
• Elektrische Energiespeicher
• Leistungselektronik

Die Forschung des Lehrstuhls konzentriert sich auf energietechnische und antriebstechnische Anwendungen der Mechatronik, wobei die Leistungselektronik die verbindende Rolle einnimmt. In der modernen Energiewandlung entspricht das dem Trend, dass ein immer größerer Anteil der  Energie elektrisch ist und dabei wiederum die Leistungselektronik die zentrale Rolle des Energiewandlers einnimmt.

Die Entwicklung von neuen Schaltungstechniken, die Nutzung neuartiger Bauelemente und die systemtechnische Optimierung sind Schwerpunkte der Arbeit.

Aktuelles Forschungsbeispiel: Sichere elektrische Wandler - Untersuchung von Maßnahmen zur Steigerung der Sicherheit von elektrischer Energieübertragung

• Funktionale Sicherheit in der Leistungselektronik
• Maßnahmen zur Steigerung der Verfügbarkeit von leistungselektronischen Schaltungen
• Simulation, Berechnung, Aufbau und Untersuchung von Wandlern (DC-DC, AC-DC)
• Erkennung von fehlerhaften leistungselektronischen Bauteilen
• Vermeidung von Folgefehlern in leistungselektronischen Schaltungen

5-Level Flying Capacitor Multilevel DC/DC Converter circuit, prototype and fault tree analysis

Verantwortlicher

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer

Universität Bayreuth

Kompetenzen

Der Lehrstuhl bringt in das ZET solche Aspekte der Automatisierungstechnik ein, die mit energietechnischen Fragestellungen zu tun haben. Beispiele unserer Kompetenzen sind:

• Modellbildung, Simulation und Entwurf (FEM, Matlab/Simulink, …);
• Herstellung von Strukturen und Bauelementen, vor allem Sensoren, in Dünnschichttechnologie;
• Schaltungsentwicklung, Steuerungstechnik;
• Prüfstandsbau, Test und Charakterisierung.

Damit erarbeiten wir Lösungen für folgende und weitere Anwendungsgebiete:

• Elektromotoren
• Windkraftanlagen
• Verbrennungsprozesse
• Thermoelektrische Generatoren
• Energieübertragung
• Drahtlose Informationssysteme

Dahinter steht die Vision: Bessere Energieeffizienz durch bessere Prozessführung.

Aktuelles Forschungsbeispiel:

Entwicklung eines adaptiven kinetischen Energy Harvesters zum Einsatz in energieautarken Gebäuden

Die Welt wird immer vernetzter. Künftig werden immer mehr Sensoren ihre Umgebung überwachen und ihre Informationen per Funk an andere Geräte senden. Um den wenig umweltfreundlichen Einsatz von Batterien zu vermeiden, beziehen Funksensorknoten der Zukunft ihre Energie über Energy-Harvesting aus ihrer Umgebung. Beim kinetischen Energy-Harvesting etwa soll die in häuslichen Mikrovibrationen (zufallende Tür, vorbeilaufende Menschen) enthaltene Energie genutzt werden. Der Harvester ist dabei auf eine Vibrationsfrequenz eingestellt; verändert diese sich, kann keine Energie mehr geerntet werden. Darum muss das System adaptiert (angepasst) werden.

Die Forschungsarbeit des ZET bezieht sich auf Grundlagen zur Nutzbarmachung von Gebäudevibrationen. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Selbstadaptivität des Harvesters. Die große Herausforderung dabei ist es, die regelmäßige Selbstanpassung so zu gestalten, dass der Aufwand für ihren Betrieb den durch sie erreichten energetischen Nutzen nicht übersteigt.

Verantwortlicher

Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann

Universität Bayreuth

Kompetenzen

Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) beschäftigt sich innerhalb TAO zum einen mit

• übergreifenden Aspekten von Energiesystemen und Energietechnologien bis hin zu ökonomischen, ökologischen und gesellschaftspolitischen Analysen

und zum anderen mit

• Themen der thermischen Energie, z.B. der Abwärmenutzung und der Kraft-Wärme-Kopplung.

Besondere FuE-Schwerpunkte sind aktuell

• dezentrale Stromerzeugungsanlagen und hierbei insbesondere der Organic Rankine Cycle sowie
• stationäre und mobile latente thermische Speicher.

Aktuelles Forschungsbeispiel: Stromerzeugung aus Abwärme und regenerative Energien

Ein Frischdampfdruck von 250 bar und eine Temperatur von bis zu 550 °C; das sind die heute üblichen Parameter zur Stromerzeugung mittels der Expansion von Wasserdampf in Turbinen moderner Großkraftwerke.

Der Verwandte dieses Rankine-Kreisprozesses, der Organic Rankine Cycle oder kurz ORC, arbeitet bei niedrigen Temperaturen und Drücken, wodurch aus technischer und wirtschaftlicher Sicht eine Fülle neuer Anwendungsgebiete, wie z.B. die Geothermie oder industrielle Abwärme erschlossen werden.

Mit Blick auf die verschiedenen Einsatzgebiete des ORC-Prozesses und die damit verbundene Bandbreite an unterschiedlichen Rahmenbedingungen wurden am ZET Simulationsprogramme entwickelt, mit denen verschiedene Schaltungsvarianten untersucht und so besonders geeignete Konzepte identifiziert werden können.

Zudem betreibt der LTTT unterschiedliche Laboranlagen bis hin zu Demonstrationsanlagen im Leistungsbereich kleiner 15 kW_el.

Bild: Das ORC-Minikraftwerk mit Mikro-Expansionsturbine und thermischem Speicher

Verantwortlicher

Prof. Dr. Thorsten Staake

Universität Bamberg

Forschung: Schulterschluss von Digitalisierung und Verhaltensökonomie
Vernetzte Alltagsgegenstände und intelligente Produkte machen umfassende Verbrauchs- und Verhaltensdaten verfügbar. Wir sind angetreten, um den Wert dieser Daten zu realisieren und für eine nachhaltige Entwicklung und digitale Dienstleistungen nutzbar zu machen.

Forschungsschwerpunkte unserer Arbeit sind:

• die Entwicklung und der Einsatz von Verfahren des Maschinellen Lernens, um Verhaltensmuster und Systemzustände automatisiert zu erkennen
• die Untersuchung der Mechanismen von Verhaltensinterventionen unter realen Bedingungen im Feld
• die Entwicklung skalierbarer digitaler Interventionen z.B. in den Bereichen Energie, Wasser, Mobilität und Gesundheit und
• die Entwicklung von Dienstleistungen und Geschäftsmodellen, die auf den gewonnenen Informationen aufbauen

Zahlreiche unserer Arbeiten wurden ausgezeichnet (z.B. als Research Highlight durch Nature), dienen als zentrale Entscheidungsgrundlagen für die Politik (z.B. die Folgeabschätzung zur Einführung von Smart Metering in der Schweiz) oder führten zur Ausgründung erfolgreicher Spinoffs (BEN Ener-gy AG, www.ben-energy.com und Amphiro AG, www.amphiro.com). Unsere Forschungsergebnisse sind in den führenden Fachzeitschriften im Bereich Information Systems (z.B. MIS Quarterly, Management Science) und Energie (z.B. Nature Energy, Applied Energy, Energy, Energy Policy, Transportation Research) erschienen. Eine Liste unserer Publikationen finden Sie hier.

Unternehmenspartnerschaften
Die Digitalisierung verknüpft Unternehmen enger mit ihren Kunden und verschiebt die Grenzen klassischer Informationssysteme bis in die Wohnungen, Autos und Smartphones der Bürger. Den Schwerpunkt unserer Praxisprojekte bilden Verfahren des Maschinellen Lernens sowie Methoden aus der Verhaltensökonomie, um Verhaltensmuster zu erkennen, Kundenverhalten zu verstehen, Geschäftsprozesse zu verbessern und die Entwicklung digitaler Dienstleistungen voranzutreiben. Dazu kooperieren wir eng mit unseren Partnerunternehmen und Spinoffs und unterstützen so die digitale Transformation von Unternehmen.