Aktuelle Projekte
- HEAP - Holistische Optimierung von elektrischen Antriebssträngen für Pumpenapplikationen
- WINDegration – Regelung und Management von Windparks zur Integration in Netzen geringer Massenträgheit unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen der Einzelanlagen untereinander
- inVETra - Intelligente Verbindungselemente in Tragstrukturen und Antriebsstrang von Windenergiekonvertern
- InnaMoRuhr - Konzept einer integrierten, nachhaltigen Mobilität für die Universitätsallianz Ruhr
- Mitgliedschaft im Kompetenzzentrum für Hydraulische Strömungsmaschinen
- Hochpräzise Stromsensoren mit neuartiger Übertragungsmethode
- TSAESA - HIL-Testsystem für SPS-Steuerungssysteme
HEAP - Holistische Optimierung von elektrischen Antriebssträngen für Pumpenapplikationen
Aufgrund des steigenden Energiebedarfs sowie der immer höheren Relevanz von Effizienzsteigerung elektrischer Antriebe zur Senkung des globalen CO2 Ausstoßes, wird die Entwicklung von optimierten Antriebssträngen in allen Industriebereichen zunehmend wichtiger. Hierbei ist es entscheidend, dass nicht nur einzelne Komponenten eines Systems optimiert werden, sondern dass eine ganzheitliche Systembetrachtung durchgeführt wird. Nur hierdurch lässt sich ein System entwickeln, welches in Bezug auf die Effizienz und die Kosten sowie den Ressourceneinsatz das gewünschte Gesamtoptimum darstellt.
HEAP befasst sich mit der Entwicklung und Erprobung eines Ansatzes zur modellbasierten holistischen Optimierung elektrischer Antriebsstränge in Bezug auf Pumpenapplikationen für ein weites Leistungsspektrum. Mithilfe von automatischen Variationen gezielt gewählter Parameter wird sowohl eine technische als auch wirtschaftliche Betrachtung der elektrischen Antriebssysteme durchgeführt. Das Simulationstool soll hierbei Modular aufgebaut sein um eine möglichst einfache Integration von Teilsystemen zu ermöglichen. Als weiterer Vorteil entsteht hieraus die Möglichkeit der schnellen Integration neuer Technologien, sodass Produktinnovationen schnell und gezielt möglich sind.
Das Ziel der Entwicklung eines solchen Simulationstools ist, dass mögliche Energieoptimierungen erforscht werden können. Hierbei wird für die Entwicklung eine leichtere Steuerung der Anpassung von Einzelkomponenten ermöglicht, wobei jeweils die Auswirkung auf das Gesamtsystem in Bezug auf den Wirkungsgrad und die Herstellungs- und Betriebskosten sichtbar gemacht werden können.
In ersten konservativen Abschätzungen werden mithilfe der Ergebnisse aus dem Projekt mittelfristig Einsparungen von mehr als 7,5 TWh bzw 4 Milliarden t CO2 zu erwarten.
Das Projekt wird im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen „03EN2019B“ gefördert. Projektpartner sind WILO SE und die FH Münster. Das geplante Projektende liegt im April 2024.
WINDegration - Regelung und Management von Windparks zur Integration in Netzen geringer Massenträgheit unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen der Einzelanlagen untereinander
Um zukünftig eine umweltfreundliche, CO2-arme und von fossilen Ressourcen unab-hängige Energiebereitstellung zu ermöglichen, wird ein kontinuierlicher Ausbau der regenerativen Energieerzeuger, wie beispielsweise Windparks an Land und auf See, angestrebt. Der Netzanschluss von regenerativen Energieträgern schafft jedoch neue Herausforderungen für die Sicherstellung der Stabilität des Stromnetzes.
Konventionelle Kraftwerke, die durch die Massenträgheit des Turbinen-Synchrongenerator-Antriebssatzes am Netz, sowie übergreifende Regelungsmecha-nismen die Stabilität der Netzfrequenz und Netzspannung sichergestellt haben, wer-den schrittweise abgeschaltet und durch eine Vielzahl dezentraler Photovoltaikanla-gen und Windparks ersetzt.
Als Folge müssen zukünftig auch Windenergieanlagen durch ihre Stromrichterrege-lungen verschiedene Netzdienstleistungen bereitstellen. Dazu gehören: die Einbindung der Rotationsmasse des Windrotors zur Netzfrequenzstützung, die zielgerichtete Be-reitstellung von Blindleistung zur Spannungsstützung und die Vorhaltung von Reser-ven zum Ausgleich plötzlicher Erzeugungs- zu Last-Ungleichgewichten im Netz.
Diese Netzstützungsmaßnahmen haben unweigerlich Auswirkungen auf den Betrieb der Anlagen und beeinflussen die Belastungen im Antriebsstrang sowie die aerody-namischen Nachlaufströmungen der Windrotoren. Erhöhte Belastungen im Antriebs-strang reduzieren die Komponentenlebensdauer und die Erzeugung von Nach-laufströmungen, welche die Leistungserzeugung nachfolgender Anlagen senken.
Ziel des Projektes WINDegration ist die Entwicklung einer globalen Arbeitspunktopti-mierung, die einerseits im Normalbetrieb des Windparks einen bestmöglichen Ener-gieertrag mit erforderlicher Reservehaltung ermöglicht und andererseits im Netzfeh-lerfall dynamisch, präzise und zuverlässig zur Netzstützung beiträgt. Simulations-technische Untersuchungsergebnisse werden mithilfe der Forschungsinfrastruktur SWiPLab experimentell validiert.
Das Projekt mit einer Laufzeit von 3 Jahren wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer 501898183 gefördert.
Hier geht es zum Auftakt-Workshop
Intelligente Verbindungselemente für Tragstrukturen und Antriebsstrang von Windenergiekonvertern
Im Verbundprojekt inVETra wird ein innovatives Condition Monitoring System (CMS) basierend auf einem neuartigen Sensorkonzept für den Einsatz in Windenergiekonvertern (WEK) entwickelt. Die Kerninnovation liegt einerseits in der Entwicklung einer Sensorschraube, bei der genormte Schrauben als Sensorträger zum Einsatz kommen und mit einem Messwandler sowie einer Auswerteelektronik ausgestattet sind und andererseits in dem dynamisch nachgeführten CMS.
Als ohnehin elementares Verbindungselement werden die Sensorschrauben in den WEK-Tragstrukturen sowie Antriebsstrangkomponenten integriert. Dabei werden gezielt an geeigneten Messstellen Schraubverbindungen durch Sensorschrauben substituiert. Diese liefern hochaufgelöste Abbilder der einwirkenden Kräfte, welche mithilfe des speziell für die Sensorik konzipierten CMS neben der direkten Schraubüberwachung vor allem detaillierte Rückschlüsse auf die resultierenden Belastungskollektive sowie den Zustand einzelner betriebskritischer Tragstruktur- und Antriebsstrangkomponenten gibt.
Ein dynamisches Modell der kompletten Anlage wird auf Basis der erfassten Zustandsgrößen kontinuierlich nachgeführt und adaptiert. Hierdurch stehen dynamische Beobachterstrukturen zur Verfügung, die mit den hochaufgelösten Daten der intelligenten Verbindungselemente sowie vorliegender Messdaten der Windverhältnisse und des Netzzustandes, die entstehenden Belastungskollektive bestimmen und rekonstruieren. Die adaptiven Modell- und Beobachterstrukturen des CMS ermöglichen eine frühzeitige Detektion von Ausfällen sowie eine Abschätzung der Restlebensdauer der Anlage und ihrer Komponenten. Durch Einsatz der intelligenten Verbindungselemente mit hochdynamischem und systemübergreifendem CMS wird insgesamt ein längerer, wartungsarmer und kosteneffizienter Anlagenbetrieb erzielt. In diesem Teilvorhaben wird das innovative CMS konzipiert, umgesetzt und durch kleinmaßstäbliche Versuche validiert.
Das Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms unter dem Kennzeichen 03EE3042 gefördert.
Projektwebseite: inVETra
Konzept einer integrierten, nachhaltigen Mobilität für die Universitätsallianz Ruhr
In einem multidisziplinären Konsortium aus Sozial-, Wirtschafts-und Ingenieurwissenschaften gehen Forscher*innen der drei UA Ruhr-Universitäten der Frage nach, wie die Mobilität im Ruhrgebiet nachhaltig gestaltet werden kann. Das Projekt wird ein Konzept einer integrierten, nachhaltigen Mobilität für die Universitätsallianz Ruhr entwickeln und in einem Feldversuch praktisch erproben.
Ziel ist es, die vier Standorte der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr), Duisburg, Essen, Bochum und Dortmund, verkehrstechnisch besser miteinander zu vernetzen, Angebotslücken zu schließen und so das Mobilitätsverhalten der Studierenden, aber auch der Beschäftigten nachhaltig zu verändern.
Geplant sind die Erhebung des Mobilitätsbedarfs sowie die Entwicklung von Szenarien, die im Simulator getestet und schließlich im Realbetrieb erprobt werden sollen. Dabei werden lokal emissionsfreie Technologien, z.B. Elektro-Shuttles, aber auch On-demand-Services sowie andere Formen neuer Mobilität zum Einsatz kommen.
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Philipp Spichartz
Konzepte zur sicheren Inbetriebnahme, erweiterten Nutzung und umfassenden Überwachung modularer Hochspannungs-Mehrpunktstromrichter
KoMoM entwickelt Konzepte zur sicheren Inbetriebnahme, erweiterten Nutzung und umfassenden Überwachung modularer Hochspannungs-Mehrpunktstromrichter z.B. für ein Multiterminal-DC-Transportnetz. Dazu werden innovative Mess-, Analyse- und Regelungsverfahren mit moderner Rechnertechnik, leistungsfähigen programmierbaren Logikbausteinen und neuesten Zeitreihenmodellen verknüpft. Messungen unter Einbeziehung eines vorhandenen, derzeit einzigartigen, Multiterminal-DC-Transportnetz-Versuchsstandes dienen der Verifikation. Der Versuchsstand besteht aus vier Mehrpunktstromrichtern auf Basis von Vollbrückenmodulen in den Stromrichterzweigen und beherrscht DC-Kurzschlüsse im geregelten Betrieb. Er entstammt einem Projekt mit der Firma Amprion und emuliert die erste im Netzentwicklungsplan vorgesehene Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke (HGÜ) „Ultranet“ (Amprion, TransnetBW).
Kurzschlussbeherrschung und -abschaltung im geregelten Betrieb erfordern hochgenaue DC-fähige Strommesstechnik auf Höchstspannungsniveau. Mess- und Regelungskonzepte hierfür werden im Projekt erarbeitet bzw. adaptiert.
Dynamische Wirk- und Blindleistungsstellung sowie Oberschwingungskompensation sind höchst relevante Netzdienstleistungen. Realisierungskonzepte, Möglichkeiten und Grenzen werden erarbeitet und erforscht. Auch die Interaktion von Stromrichtern und deren Regelung ist für stabilen Betrieb entscheidend. Das Projekt erarbeitet Beschreibungen für Stromrichter in unterschiedlichen Spannungsebenen, kombiniert diese mit einer geeigneten stromrichternahen Regelung und einer Anlagencharakteristik und leitet daraus Möglichkeiten und Grenzen des Zusammenspiels von Stromrichtern im Netz ab.
Die komplexe Stromrichtertopologie und die herausfordernde Mess- und Regelungstechnik stellen höchste Anforderungen an Inbetriebnahmekonzepte – heutige Methoden sind nicht wirtschaftlich und risikoreich. Erweiterte, spezielle Hardware-In-The-Loop (HIL)-Verfahren zur Vorabverifikation werden erarbeitet.
Die Komplexität drückt sich auch in einer Vielzahl von Messgrößen aus: An realen Anlagen fallen mehrere tausend Messdaten mehrere hundert Mal pro Sekunde an und sind zu bewerten. Dieses „Big Data“-Problem wird mit Blick auf Zustandsmonitoring und Ereignisarchivierung durch eine neuartige Ausrichtung aktueller Methoden der Zeitreihenanalyse angegangen.
Projektabschluss: 09/2020
Weitere Informationen
Ansprechpartner: M.Sc. Thomas Stoetzel
Kontakt: office@enesys.rub.de
Smart Windpark Laboratory
Mit dem Klimaschutzabkommen von Paris 2015 hat die Bundesregierung Deutschland die globalen Herausforderungen des Klimawandels anerkannt und sich unter anderem zu einer Dekarbonisierung der Energiebereitstellung verpflichtet, die nur durch die Nutzung Erneuerbarer Energien nachhaltig erreichbar sind. Aufgrund des bisher erreichten technologischen Entwicklungsstands stellt die Windenergie eine der vielversprechendsten Technologien dar, um einen nachhaltigen Beitrag zur Lösung der gesellschaftlichen Herausforderungen des Klimaschutzes und der sicheren Energiebereitstellung zu leisten.
Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Sourkounis wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens die erste Phase einer Forschungsinfrastruktur „Smart Windpark Laboratory“ (SWiPLab) konzipiert, aufgebaut und getestet, mit dem primären Ziel neue Untersuchungsmöglichkeiten für eine umsetzungsorientierte Forschung im Bereich der Windenergie zu schaffen.
Weitere Informationen
Das Vorhaben wird im Rahmen des Förderwettbewerbs „Forschungsinfrastrukturen“ durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ gefördert.
Kontakt: office@enesys.rub.de
Mitgliedschaft im Kompentenzzentrum für hydraulische Strömungsmaschinen der Ruhr-Universität Bochum
Das Institut für Energiesystemtechnik und Leistungsmechatronik ist Mitglied im Kompetenzzentrum Hydraulische Strömungsmaschinen, einem Forschungsverbund an der Ruhr-Universität Bochum. Im Rahmen der Mitgliedschaft beschäftigt sich EneSys mit dem Antriebssystem und deren Regelung von hydraulischen Strömungsmaschinen.
Der Betrieb von Pumpen ist gekennzeichnet durch anspruchsvolle thermische und chemische Umgebungsbedingungen. Dies betrifft zum einen das zu pumpende Medium, da dieses eine Temperatur über 100°C und aggressive chemische Substanzen aufweisen kann, zum anderen sind die Umgebungsbedingungen, der Einbauort häufig nicht spezifikationsgemäß. Trotzdem muss ein zuverlässiger und effizienter Betrieb gewährleistet werden. Neben der Effizienz sind weitere Randbedingungen wie eine geräuscharmer Betrieb und extreme Anforderungen seitens des versorgenden Netzes zu berücksichtigen. Unter diesen, sich dynamisch ändernden, Bedingungen ist die Konzipierung und Auslegung einer effizienten und kostengünstigen Antriebseinheit eine technische Herausforderung.
Die allgemeine Forschung im Bereich der Antriebstechnik für Pumpen ist getrieben von der Optimierung der Teilsysteme in den statischen Nennbetriebsbereichen. Die Optimierung bezieht sich dabei nicht nur auf die Steigerung der Effizienz sondern bewegt sich im Spannungsfeld zwischen Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosten, was Aspekte wie Produzierbarkeit, Reduktion von notwendigen Sensoren etc. mit einschließt.
Im Rahmen des KHS wird ein integrierter Forschungsansatz verfolgt. Die Optimierung und Effizienzsteigerung des Gesamtsystems steht im Vordergrund. Dazu werden Teilsysteme unter Berücksichtigung der Interaktionen untereinander im Gesamtsystem und bzgl. der Gesamtziele optimiert.
In dem Projektvorhaben werden Optimierungspotentiale im Bereich des Antriebssystems erforscht. Diese werden über den gesamten Betriebsbereich, insbesondere auch den Teillastbetrieb, identifiziert. Ansätze sollen eine kostenoptimale Ausnutzung dieser Potentiale unter Einhaltung der genannten Anforderungen, und trotzdem einen sicheren Betrieb unter unsicheren Randbedingungen erreichen.
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Sourkounis
Hochpräzise Stromsensoren mit neuartiger Übertragungsmethode
Der Schwerpunkt in diesem Projekt ist die Entwicklung eines hochgenauen Stromsensors mit einer neuartigen Übertragungsmethode. Als Messeinheit wird der ASIC IHM-A-1500 der Firma Isabellenhütte verwendet. Dieser Messchip nutzt den Spannungsdrop über einem Shunt für die Strommessung. Die Auflösung des gemessenen Stroms beträgt 16 Bit. Dieser 16-Bit-Wert wird mittels einer Modulationseinheit in ein spezielles PWM-Signal codiert, bei dem sowohl die Pulsweite als auch die Periode variabel sind. Das Verfahren zur Codierung des Signals wird als F-PWM bezeichnet. Aufgrund der einfachen Digitalisierung des Messsignals kann dieses mit jeder mikrocontrollerbasierten Messeinheit demoduliert werden.
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Abdoulkarim Bouabana
TSAESA - HIL-Testsystem für SPS-Steuerungssysteme
Das Projekt hat das Ziel, Inbetriebnahmen von SPS-gesteuerten Industrieanlagen zu optimieren. Im Rahmen des Projektes wird eine Software zur Hardware-in-the-loop-Prüfung von SPS-Steuerungssystemen entwickelt. Die zu steuernde Anlage wird in einer Simulationsumgebung nachgebildet und mit dem zu prüfenden SPS-System verbunden. So kann das SPS-System auf korrekte Funktionalität geprüft werden schon bevor die Anlage fertig gestellt ist. Es können gezielt Sicherheitsfunktionen getestet und evaluiert werden, die sonst eine Schädigung oder Zerstörung der Anlage zur Folge hätten. Dies spart Zeit und Kosten für die Inbetriebnahme, außerdem ist die Fehlersuche und –behebung leicht durchzuführen. Das Simulationssystem ist frei konfigurierbar und kann so an andere Anlagentypen angepasst werden. Das Projekt erlaubt eine kosteneffiziente und schnelle Inbetriebnahme von SPS-gesteuerten Anlagen.
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Sourkounis