Schwerpunkte

Regionales Virtuelles Kraftwerk auf Basis der Mini- und Mikro-KWK-Technologie

(Projektpartner TU Dresden, Verbundnetz Gas AG, gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie)

Hintergrund

Gegenstand der Untersuchungen ist die mögliche Vernetzung dezentraler Erzeugungsstrukturen, speziell von Mikro-KWK-Technologie und elektrischen Verbrauchern im urbanen Raum. Den Schwerpunkt des Projektes bilden dabei detaillierte Analysen eines regionalen Verbundes. Zunächst werden umfängliche messtechnische Untersuchungen im Labormaßstab durchgeführt. Diese fokussieren sowohl thermische als auch elektrische Analysen, wobei die Geräte in einer virtuellen Testumgebung, die das Niederspannungsnetz nachbildet, untersucht werden. In einem zweiten Schritt erfolgen numerische Untersuchungen unter verschiedensten Einsatzbedingungen (Gebäudegröße, Gebäudetyp, Nutzerverhalten). Weiterführend werden Regel- und Optimierungsstrategien im Verbund untersucht, die über eine sicher verschlüsselte Kommunikation zu den Anlagen weitergeleitet werden. Abschließend soll die Realisierung eines "Regionalen Virtuellen Kraftwerks" umgesetzt werden.

Wechselbeziehungen innerhalb enes Regionalen Virtuellen Kraftwerks

Ziel

Ziel des Projektes ist die Ableitung von Betriebsstrategien für μ-KWK-Systeme, zum einen im Gebäude und zum anderen für den Betreiber eines virtuellen Kraftwerks. Der Datengewinnung, Filterung und Weiterverarbeitung wird im Rahmen des Projektes ein hoher Stellenwert eingeräumt. Die Untersuchungen, speziell zum "Virtuellen Kraftwerk", sollen helfen, die zukünftig zu erwartende stark fluktuierende Erzeugung von Elektroenergie (auf Basis von Wind- und Photovoltaik) besser regelungstechnisch beherrschen zu können.

Wechselbeziehungen innerhalb enes Regionalen Virtuellen Kraftwerks

Wechselbeziehungen innerhalb enes Regionalen Virtuellen Kraftwerks


Überwachung und effiziente Steuerung von Kleinenergieanlagen

(Gefördert durch Verbundnetz Gas AG)

Das ressourcenschonende Technologieprinzip Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird in Mikroblockheizkraftwerken (MBHKW) eingesetzt. Dies sind "Minikraftwerke" für den privaten Haushalt, welche mit einem Ottomotor Erdgas in Wärme und Strom umwandeln. Der Strom kann entweder im Haushalt verbraucht oder gegen eine Vergütung ins Energienetz eingespeist werden.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts ist eine Monitoringsoftware für MBHKWs zu entwerfen, welche ihre Messdaten (Temperaturen, Gasverbrauch, Motordrehzahlen ...) an eine zentrale Datenbank senden, auf die später ein Java-Server zugreift. Die Clients verbinden sich zum Server und haben somit die Möglichkeit, das zeitliche Verhalten der Anlagen zu visualisieren und zu analysieren.

Prinzip eines virtuellen Kraftwerks

Werden MBHKWs in Verbindung mit Wind oder PV als ein "Virtuelles Kraftwerk" betrachtet, steht deren Gruppendynamik im Vordergrund. Um eine effiziente Gesamtnutzung aller Anlagen zu erreichen, muss ein Zentralrechner sämtliche Bedarfe und Produktionen überwachen und steuern. Er entscheidet, welche Anlagen wann wie viel Strom produzieren oder ob Strom überproduziert wird, der in Spitzenbedarfszeiten ins Netz für ein höheres Entgelt eingespeist wird. Da ein virtuelles Kraftwerk nur funktionieren kann, wenn für jeden Teilnehmer in diesem Verbund ein finanzieller Anreiz besteht, führt dies auf ein mehrstufiges, diskretes Optimierungsproblem mit zahlreichen Nebenbedingungen, welches mit intelligenten Steueralgorithmen in Echtzeit gelöst werden muss.


Automatisierung dezentraler Energiesysteme

In diesem Forschungsprojekt wird ein System mit drei Energielieferanten gesteuert, die ihre Informationen über das Internet zu einem zentralen Datenbankserver senden. Die hier betrachteten Anlagen sind Blockheizkraftwerke (BHKW), Windenergiesysteme und Photovoltaikanlagen. Die Steuerung besteht aus drei Stufen:

  1. Information Level (Leitebene): In dieser Ebene übernimmt die zentrale Steuerung die wichtigsten Entscheidungen für das gesamte System. Aufgrund von übergeordneten, elektrischen Anforderungen werden Steuerbefehle entweder manuell oder durch einen intelligenten Steueralgorithmus berechnet. Diese Entscheidungen werden aufgrund der aktuellen Messwerte der Anlagensensoren getroffen. Für die Datenerfassung und -speicherung wird ein SCADA-System (Supervisory Control And Data Acquisition) benutzt.
  2. Control Level (Steuerebene): Diese Ebene stellt einen hybriden Prozess zwischen der zentralen Steuerung und den geräteinternen Steuerungen dar. Der Controller der zentralen Steuerung wird durch eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) realisiert.
  3. Device Level (Geräteebene): Diese Ebene beinhaltet alle hardwarenahen Sensoren und Aktoren.

Struktur verteilter Energiesysteme

Ziel ist es, durch eine vollständige Steuerung (Distributed Control System DCS) die Energiesysteme zu festgelegten Zeitpunkten ein- und auszuschalten. Das so entstandene, intelligente Energiegesamtsystem stellt eine Alternative zu bisherigen konventionellen Lösungen dar.


High Performance Computing

Workstation IWorkstation I (64 Kerne)

  • Prozessoren 4 x AMD Opteron 6272, jeweils 16 Kerne mit 2,1 GHz (Turbo 3,0 GHz)
  • Motherboard Supermicro H8QGI-F mit vier CPU-Sockeln
  • Arbeitsspeicher 32 x 16 GB RAM (512 GB)
  • Festplatte Samsung SSD 840 Pro 256 GB, SATA III
  • Betriebssystem Ubuntu 14.04 LTS

Workstation IIWorkstation II (12 Kerne)

  • Prozessoren 2 x Intel Xeon E5-2620 v2, jeweils 6 Kerne mit 2,1 GHz (Turbo 2,6 GHz)
  • Motherboard Supermicro X9DRi-F mit zwei CPU-Sockeln
  • Arbeitsspeicher 16 x 16 GB RAM (256 GB)
  • Festplatte Samsung SSD 840 Pro 256 GB, SATA III
  • Betriebssystem Ubuntu 14.04 LTS

CO2-Messwerterfassungs- und Monitoringsystem

(Gefördert durch Verbundnetz Gas AG)

Der Einsatz der CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) bietet eine vielversprechende Alternative, die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zu senken. Bei dieser Brückentechnologie wird das im Rauchgas enthaltene CO2, welches u.a. bei Verbrennungsprozessen in Kraftwerken entsteht, in geologischen Untergrundformationen dauerhaft gespeichert. Aus Sicherheitsgründen müssen die Undurchlässigkeit der Untergrundspeicher permanent überwacht und evtl. auftretende Leckagen detektiert werden.

CCS-Technologieschema

Das Ziel des Forschungsprojektes ist es, ein Monitoringsystem zu entwickeln, mit welchem die CO2-Konzentrationen im Erdboden über dem Speicherareal automatisiert erfasst, ausgewertet und visualisiert werden können. Dabei werden modifizierte Standardmessverfahren mit modernsten Sensortechniken (intelligente Sensoren, Multisensorsysteme) und Messmethoden kombiniert.

Netzstruktur zur Überwachung des Sensorfeldes

 


Automatisierung von Diffusionsexperimenten in metallischen Schmelzen

Eigenschaften metallischer Werkstoffe werden maßgeblich von der Schmelze und dem Erstarrungsvorgang beeinflusst. Für ein bestmögliches Materialdesign müssen die physikalischen Vorgänge exakt beschrieben und modelliert werden. Einen wesentlichen Einfluss hat dabei die Diffussion in der Schmelze. Da die Konvektion die Bestimmung der Diffussionskoeffizienten erschwert, sollen Experimente ohne diesen Einfluss im Material Science Laboratory (MSL) auf der Internationalen Raumstation ISS durchgeführt werden. Da die exakte Untersuchung des Diffussionsvorgangs eine genaues Temperaturfeld erfordert, wird eine Präzisionsregelung entwickelt, welche ein exaktes Modell der Anlage verwendet. Dazu werden zwei- und dreidimensionale semidiskrete FD-Modelle entwickelt und deren Parameter identifiziert.

Identifiziertes stationäres Temperaturfeld mit Sensorpositionen


Automatisierung von Digitaldruckstraßen

Der moderne digitale Produktionsdruck zeichnet sich dadurch aus, dass es keine Druckform (Master) gibt und es so möglich ist, jede Seite unterschiedlich zu bedrucken. Die variablen Kosten pro Seite sind typischerweise höher als beim traditionellen Druck, weswegen der Digitaldruck vor allem bei wissenschaftlichen Drucken in kleinen Auflagen, Rechnungen oder personalisierter Werbung interessant ist. Die Produktion erfolgt häufig in Druckstraßen, die neben Druckmaschinen die benötigten Nachverarbeitungsgeräte wie Falz-, Heft-, Binde- oder Schneidemaschinen enthalten.

Leider bleiben industriell eingesetzte Digitaldruckstraßen hinsichtlich ihres Automatisierungsgrades weit hinter den heute bekannten technischen Möglichkeiten zurück, obwohl es aus betriebswirtschaftlicher Sicht starke Argumente für eine bessere Integration der Geräte gibt. Vor zehn Jahren hat ein Industriekonsortium ein auf IEEE-1394 (Firewire) basierendes, herstellerübergreifendes Automatisierungskonzept entwickelt, welches sich trotz fehlender Alternativen in der Praxis nicht durchsetzen konnte.

Aufbau einer Digitaldruckstraße

Das eigens entwickelte Automatisierungskonzept sieht die parallele Verwendung von Standard-Ethernet und CAN-Bus vor. Weiterhin wurde ein neuartiges Fernbedienungskonzept entwickelt, das auf andere Bereiche der Automatisierung übertragbar ist und gegenüber bekannten Lösungen deutliche Vorteile aufweist. Die Stärken liegen bei der benutzerfreundlichen Bedienung von Produktionsstraßen, wobei für neue Gerätekombinationen kein individueller Integrationsaufwand nötig ist. Um den Mischbetrieb von Geräten mit bisheriger und neuer Kommunikationslösung innerhalb einer Druckstraße zu ermöglichen und das Konzept im Rahmen einer Referenzimplementierung zu erproben, wurde eine auf einem eingebetteten Linux basierende Migrationslösung entwickelt. Die verwendete Hard- und Software wurde selbst entworfen und konnte sich nachweisbar bewähren.


Modellierung und Regelung von Hochtemperaturprozessen in Mehrzonenöfen

Im Rahmen der Werkstoffwissenschaften spielen Mehrzonenöfen eine wesentliche Rolle, sowohl bei der Einkristallzüchtung nach dem Bridgeman-, dem Gradient-Freeze oder dem Floating-Zone-Verfahren, als auch bei der Untersuchung von Diffusionsprozessen. Ein Mehrzonenofen besteht aus ca. vier bis sieben aneinandergefügten Heizzonen. Zur exakten Temperaturführung ist jede Zone getrennt ansteuerbar und beinhaltet mindestens einen Temperatursensor.

Modell der Wärmeübertragung im Kristallzüchtungsofen

Für optimale Züchtungsergebnisse wird eine hohe Temperaturstabilität bis ± 0.01 K bei 1600 °C gefordert. Problematisch ist dabei die gegenseitige Beeinflussung der Zonen. Mit einem exakten Anlagenmodell können modellbasierte prädiktive Regler und Optimalregler entwickelt und parametriert werden.


Internetbasierte Überwachung und Steuerung von automatisierungstechnischen Prozessen

Softwaresysteme zur Lösung automatisierungstechnischer Aufgaben werden häufig als Einzwecksysteme entwickelt und lassen sich nur schwer auf andere Problemstellungen anpassen. Zahlreiche Funktionalitäten (z.B. Visualisierung von Messwerten, Gerätekonfiguration, Benutzerverwaltung) werden jedoch immer benötigt. Application-Frameworks bieten die Möglichkeit, diese Kernfunktionen isoliert von der eigentlichen Problemstellung zu implementieren. Dafür wurde das JAVA-Framework OMaCS (Online Management and Control System) zur Erstellung von internetbasierten Monitoring- und Automatisierungssystemen entwickelt. Kombiniert mit einem Plugin-Konzept lassen sich die jeweiligen Einzelanwendungen beliebig erweitern und anpassen.

OMaCS-Logo

Das Grundgerüst bietet die Speicherung von Nutzer- und Messdaten in einer Datenbank sowie eine Client-Server-Architektur, welche es ermöglicht, die Daten über das Internet per PC oder Mobiltelefon einzusehen. Dabei spielen auch grundlegende Aspekte der Datensicherung (z.B. Zugriffsschutz, Verschlüsselung) eine wesentliche Rolle.

Oberfläche des OMaCS-Clients zur Steuerung von Mehrzonenöfen