Nachhaltigkeit und Produktion

Projekt Latentwärme Speicher und Power-to-Heat Hochtemperaturspeicher mit Natriumnitrat (Foto WSG)
Projekt Latentwärme Speicher und Power-to-Heat Hochtemperaturspeicher mit Natriumnitrat (Foto WSG)

Das Labor Nachhaltigkeit und Produktion (NP) hat drei wesentliche Schwerpunkte die auch im Rahmen der Lehre angeboten werden:

- Nachhaltige Energiewirtschaft
- Smart Systems und Ressourceneffizienz
- Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Produktionssystemen


Forschungsaktivitäten finden aktuell in den Bereichen Thermischen Energiespeicher (insbesondere auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Latentwärmespeicher), Smart Systems und Sektorenkopplung bei der Energiewende statt.

Im Rahmen von interdisziplinären und fakultätsübergreifenden Projekten fungiert
das NP Labor als tragende Säule bei der Mitgliedschaft der Fakultät WI im INEM.

Projekte im Labor Nachhaltigkeit und Produktion

Studentisches Projekt Latentwärmespeicher: Niedertemperatur-Latentwärmespeicher mit Paraffin (Foto WSG)
Studentisches Projekt Latentwärmespeicher: Niedertemperatur-Latentwärmespeicher mit Paraffin (Foto WSG)

Latentwärmespeicher und Power-to-Heat:
Latentwärmespeicher sind Phasenwechselspeicher, das bedeutet, beim Belade- bzw. Entladeprozess findet jeweils ein Phasenwechsel im Speichermedium statt, wodurch eine hohe Energiemenge bei kleiner Temperaturdifferenz aufgenommen bzw. abgegeben werden kann.

Im Rahmen der Forschungsaktivitäten im Labor Nachhaltigkeit und Produktion wird ein Latentwärmespeicher mit Natriumnitrat mit einem Schmelzpunkt von 306 °C als Phasenwechselmaterial verwendet, dadurch kann die elektrische eingekoppelte Energie auf hohem Temperatur- und damit Exergieniveau gespeichert werden.

Zur elektrischen Beladung werden in Kooperation mit der Fakultät Mechatronik Dickschichtheizer entwickelt. Die besondere Herausforderung hierbei ist der Einsatz bei Temperaturen bis 350 C° und der Kontakt mit der Salzschmelze (NaNO3).

Die größte Herausforderung bei Latentwärmespeichern ist die Entladecharakteristik. Durch das Erstarren des Speichermaterials an der Wärmeübertragerfläche entsteht eine wachsende Schichtdicke und damit ein zunehmender Wärmewiderstand, wodurch die Durch das Erstarren des Speichermaterials Entladeleistung über die Zeit stark abfällt.

Im Labor wurde ein innovatives Entladekonzept mit einer aktiven Schaberfunktion entwickelt, welches sowohl am Hochtemperaturspeicher als auch im Rahmen studentischer Projekte mit Paraffinen im Niedertemperaturbereich getestet und weiterentwickelt wird.

Leistungsverläufe und Gesamtenergieverbrauch der modularen Produktionsstationen (MPS) der Festo-Demonstrationsanlage des Labors Automatisierungstechnik der Fakultät Mechatronik und Elektrotechnik
Leistungsverläufe und Gesamtenergieverbrauch der modularen Produktionsstationen (MPS) der Festo-Demonstrationsanlage des Labors Automatisierungstechnik der Fakultät Mechatronik und Elektrotechnik

Energiemanagementsystem im Kontext 4.0

Im Rahmen eines interdisziplinären studentischen Projekts wurde ein Energiemanagementsystem, basierend auf drei Raspberry Pis und einer eigenen Netzwerkumgebung, entwickelt. Das System ist in der Lage, aus unterschiedlichen Daten und Prozessen, zur Laufzeit anfallende Energieverbräuche zu berechnen und dem Benutzer darzustellen.

Es wurden drei Prozesse der Festo-Demoanlage des Labors Automatisierungstechnik der Fakultät Mechatronik und Elektrotechnik zur Betrachtung ausgewählt und gegebenenfalls mit Messinstanzen versehen, um digitale Schnittstellen implementieren zu können. Die einzelnen Stationen sind teilweise auch schon in der Lage, Zustandsdaten über TCP/IP zu übermitteln.

Aus diesen Zustandsdaten werden dann in Node-RED Energieverbräuche berechnet. Dazu liegen sogenannte „Flows“ vor, deren einzelne „Nodes“ verschiedene Aufgaben der Berechnung und Darstellung übernehmen. Dem Anwender werden die Verbräuche pro produziertem Stück, sowie der kumulierte Gesamtverbrauch angezeigt.

Dieses Managementsystem ist damit vorerst ein Monitoringsystem, welches dem Anwender Ansätze zu Optimierungen und einen Überblick über seine Prozessverbräuche liefert. Im weiteren Verlauf müssen individuelle Grenzwerte ermittelt werden, sodass anschließend verglichen werden kann, inwieweit Änderungen zu Verbesserungen führen. Außerdem kann frühzeitig erkannt werden, wenn entsprechende Komponenten nicht mehr rund laufen und deshalb Energieverbräuche stark zunehmen.

Smart Home

Im Rahmen einer Bachelorarbeit im Labor NP wurde ein Konzept für eine Smart-Home-Zentrale, welche den im privaten Haushalt zur Verfügung stehenden Solarstrom den einzelnen Verbrauchern und dem angebundenen Batteriespeicher intelligent zuteilt, entwickelt.

Zum optimalen Energiemanagement gehört ebenfalls, dass der Bezug aus dem öffentlichen Stromnetz minimiert wird, da der Preis des extern bezogenen Stroms höher ist als die Einspeisevergütung, d.h. der Eigenverbrauch soll stets im Vordergrund stehen.

Ein weiteres Anforderungskriterium an das System ist die Möglichkeit, Lastprofile von verschieden Verbrauchern im Haushalt aufzunehmen und für eine spätere Verwendung wieder zur Verfügung zu stellen. Um dies realisieren zu können, ist eine Anbindung an die Verbraucher von Nöten. Außerdem soll ihnen entsprechend Ihrer Dringlichkeit eine Priorität beziehungsweise eine Betriebsart (z.B. unterbrechbar, programmgesteuert, etc.) zugeordnet werden.

Unter Zuhilfenahme von Open-Source-Software, Wettervorhersagen und allgemein zugänglichen Arbeitsmitteln wurde ein Smart-Home-Konzept entwickelt, das die optimalen Schaltzeitpunkte aufspürt und ein Kommando für die Schaltvorgänge entsendet. Das Grundgerüst für ein Energiemanagementsystem wurde damit gelegt.

Mitarbeiter

Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Detlev Lodemann

B.Eng., M.Sc.Rameesh Sivabalan

B.Eng. M.Sc. Katinka Välilä