INES – Institut für nachhaltige Energiesysteme

Das Labor für Angewandte Regelungstechnik und Gebäudeautomation verfügt über eine praxisnahe raumlufttechnische Anlage (RLT-Anlage) mit integrierter Klima- und Konditionierungseinheit. Die Anlage erlaubt die gezielte Erzeugung definierter Außen- und Betriebsbedingungen und ist vollständig in eine moderne Gebäudeautomationsumgebung eingebunden. Für Versuche kann ein einzelner Raum gezielt von der übrigen Gebäudestruktur getrennt und unabhängig klimatisiert werden. Dadurch lassen sich regelungstechnische Fragestellungen unter reproduzierbaren und realitätsnahen Bedingungen untersuchen.

Die Automatisierung erfolgt über ein frei programmierbares Direct-Digital-Control-System (DDC) mit Feldgeräten, Koppelmodulen, Sensorik und Aktorik sowie ein übergeordnetes Gebäudemanagementsystem. Messdatenerfassung, Trendaufzeichnung, Parametrierung und Visualisierung der Anlagenzustände stehen umfassend zur Verfügung. Die Laboranlage eignet sich sowohl für grundlegende regelungstechnische Untersuchungen als auch für anwendungsorientierte Versuche im Bereich der Gebäudeautomation.

Typische Laborversuche:

• Untersuchung und Parametrierung von Temperaturregelungen in raumlufttechnischen Anlagen (Zuluft-, Raumluft- und Kaskadenregelungen).

• Analyse und Vergleich von P- und PI-Reglern einschließlich Reglereinstellung nach gängigen Verfahren (z. B. Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick).

• Bewertung des dynamischen Verhaltens von Regelstrecken (Sprungantwort, Zeitkonstanten, Totzeiten).

• Aufbau und Untersuchung von Kaskadenregelungen zur Verbesserung der Raumtemperaturführung.

• Entwicklung und Analyse von Steuerungs- und Sequenzstrategien für Heiz-, Kühl- und Wärmerückgewinnungssysteme.

• Untersuchung von Wärmerückgewinnungsstrategien (rekuperativ und regenerativ) unter Heiz- und Kühlbetrieb.

• Praxisnahe Ausbildung in der Programmierung, Inbetriebnahme und Bedienung von Gebäudeautomationssystemen.

• Verknüpfung von Regelungstechnik, Energieeffizienz und Gebäudebetrieb anhand realer Anlagenkomponenten.

Unser Batterielabor stellt eine umfangreiche In-operando und Post-mortem-Diagnostik für dezentrale Energiespeicher und -erzeuger zur Verfügung, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen und -Batteriemodule.

Im Batterielabor können Leistungs-, Zyklen- und Alterungstests unter definierten thermischen Randbedingungen ebenso durchgeführt werden wie Charakterisierungen von Zellkapazität, Innenwiderstand und Impedanz, die Öffnung von Lithium-Ionen-Zellen und die Post-Mortem-Diagnostik von Elektroden und anderen Zellbestandteilen. Die Ausstattung umfasst:

• Batteriezyklierer für verschiedene Zelltypen für Maximalströme bis zu 800 A und Spannungen bis 80 V (insgesamt rund 25 Kanäle der Systeme Biologic, BaSyTec und EA Elektro-Automatik)

• Elektrochemische Impedanzspektrometer (EIS)

• Fünf Temperaturprüfschränke verschiedener Größen mit Sicherheitsausstattung für Lithium-Ionen-Batterien und Bleibatterien (-40°C bis +180°C)

• Glovebox zum Arbeiten unter Schutzgasatmosphäre

• Ausstattung zum Öffnen kommerzieller Lithium-Ionen-Zellen und Ernten von Zellkomponenten

• Probenpräparation einschließlich Schleif- und Poliermaschine für Rasterelektronenmikroskopie, Lichtmikroskopie und chemische Analytik

Die Geräte wurden maßgeblich aus Mitteln des BMBF im Projekt Enerlab 4.0 (2018-2020) aufgebaut und seither nach und nach erweitert. Die Infrastruktur wurde im Rahmen des Neubaus des Regionalen Innovationszentrum für Energietechnik (RIZ Energie) bereitgestellt.

Eine Klimakammer simuliert das Umgebungsklima. In Kombination mit zwei angrenzenden Raumklimazellen steht eine sogenannte Doppelklimakammer zur Verfügung. In den beiden baugleichen Prüfräumen (adiabat, mit hoher thermischer Trägheit) können gebäudetechnische Systeme unter praxisnahen Bedingungen messtechnisch bewertet werden. Dazu steht eine aufwendige Messtechnik, Messdatenerfassung und Prozessautomation zur Verfügung. Typische Einsatzbereiche:

• Leistungsmessungen an fassadenintegrierter Gebäudetechnik, insb. Lüftung.

• Evaluation des dynamischen Verhaltens von Heizung/Kühlung und Lüftung.

• Leistungsmessungen an Flächentemperiersytemen (auch Bauteilaktivierung), insb. unter transienten Betriebsbedingungen zur Reglerentwicklung.

• Raumluftströmung für verschiedene Lüftungsysteme unter variablen Betriebsbedingungen.

• Stationäre und dynamische Sondermessungen für Heizung/Kühlung und Lüftung zur Bestimmung von Leistungskennlinien und Zeitkonstanten.

• Betriebsführungsstrategien für träge und flinke Wärme/Kälte-Übergabesysteme in Räumen.

• Bewertung des thermischen Komforts (PMV/PPD und lokale Komfortgrößen) in Wohn- und Arbeitsräumen. 

Um die Betriebsbereiche der Antriebskomponenten (Batterie, DC/AC-Wandler, E-Maschine) vollständig durchfahren zu können, sind Prüfstände, wie in Abbildung 1 gezeigt, üblich. Die blau hinterlegten Komponenten sind hierbei der zu prüfende DC/AC-Wandler (Frequenzumrichter) bzw. die zu prüfende elektrische Maschine. Die grün hinterlegten Komponenten bilden die Bremseinheit (elektrische Lastmaschine), um die Prüflingsmaschine auf einer bestimmten Drehzahl zu halten. Gelb hinterlegt ist die Spannungsversorgung, die mit dem elektrischen Netz verbunden ist. Häufig kann in Projekten aus Kosten- und Sicherheitsgründen auf eine reale Antriebsbatterie verzichtet und stattdessen auf eine Batterie-Nachbildung mittels eines ansteuerbaren Batterieemulators (rot) zurückgegriffen.

Um die Antriebskomponenten der Elektromobilität in ihrer Vielfältigkeit und Leistungsklasse, vom eScooter über Hybrid- und Elektrofahrzeuge bis hin zu Straßenbahnen abzudecken, sind aktuell zwei Prüfstände im Aufbau bzw. in der Beschaffung. Die Anwendungsbereiche und Leistungsdaten sind in Tabelle 1 dargestellt. Mit der Fertigstellung des Prüfstandes mittlerer Leistung wird in Kürze gerechnet. Der Prüfstand ist in Abbildung 2 gezeigt. Beim Prüfstand für höchste Antriebsleistung wird von einer Inbetriebnahme Ende 2021 ausgegangen.

Zusätzlich zu den beschriebenen Prüfständen zum Betrieb realer elektrischer Maschinen, ist ein so genannter E-Maschinen-Emulator im Einsatz. Ein E-Maschinen-Emulator ist in der Lage, elektrische Maschinen mit (in Grenzen) beliebigen Parametern nachzubilden. Er ersetzt somit den Prüfling in Abbildung 1 durch eine leistungselektronische Komponente, die sich klemmenseitig wie die reale elektrische Maschine verhält. Somit kann beispielsweise die Funktionsfähigeit der entwicklten Steuer- und Regelungsalgorithmen ohne das Vorhandensein weiterer realer Maschinen in seiner Universalität validiert werden. Mit minimalem Aufwand lassen sich hiermit Fehlerfälle in elektrischen Maschinen nachbilden und die Reaktion der Steuer- und Regelungsalgorithmen daraufhin bewerten.

Das Labor für kleinskalige Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (mikroKWKK) dient zur Simulation komplexer Energieversorgungssysteme zur Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte im Netzverbund und unter Berücksichtigung der Lastsituation beim Verbraucher. Die aktuelle Netzbelastung wird durch ein externes Signal bereitgestellt. Die tatsächliche Lastsituation wird im Raumklimalabor (mit Klimakammer) abgebildet. Entsprechende Betriebsführungsalgorithmen optimieren unter diesen Randbedingungen das mikroKWKK-System mit Strombezug oder -einspeisung, Wärme- oder Kälteerzeugung und Nutzung der thermischen Speicher.
Dazu stehen folgende Komponenten zur Verfügung:

• Blockheizkraftwerk: 5 kW,el / 10 kW,th

• Warmwasser-Schichtenspeicher: 1.500 l mit 6 kW,el Heizstab

• Adsorptionskältemaschine: 12 kW,th

• reversible Wärmepumpe: 12 kW,Kühlung und 16 kW,Heizung

• Kaltwasser-Schichtenspeicher:  1.450 l

• Kühlturm / Außeneinheit: 29 kW,Abwärme, auch Wärmequelle

Die Komponenten sind so verbunden, dass eine sehr flexible thermo-hydraulische Kopplung möglich ist. Eine umfangreiche Prozessautomation dient in Kombination mit marktüblichen Feldsystemen als Versuchsplattform für optimierte Regelalgorithmen.

Am RIZ wird ein Demonstrator für industrielles Energiemanagement aufgebaut. Hintergrund ist, dass bei kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) zunehmend die eigene Energieversorgung in den Fokus rückt und PV-Anlagen, Ladesäulen, Speicher installiert werden. Das Energiemanagement nutzt dabei bislang v.a. die Flexibilität in den zuvor genannten klassischen Energiesystemkomponenten. Im Zuge von Industrie 4.0 werden aber durch Automatisierung und Digitalisierung auch die Produktionsprozesse selber flexibler. Im Demonstrator soll gezeigt werden, wie diese Flexibilität in den Industrieprozessen auch für das Energiemanagement nutzbar gemacht werden kann.
Dazu wird der Demonstrator mit zentralen Komponenten von Industrieprozessen ausgestattet, wie verschiedenen Motorengruppen mit Frequenzumrichtern, Kompressoren, Heiz- und Kühlelementen, oder Beleuchtungseinheiten. Die Komponenten werden durch ein umfangreiches Überwachungs- und Automatisierungssystemen ergänzt, das von einem Leitsystem gesteuert wird. Im Leitsystem läuft parallel ein sogenannter digitaler Zwilling, also eine Computersimulation des realen Systems. Dieser digitale Zwilling bildet die  Grundlage für eine optimierte Regelung des Demonstrators mittels vorausschauender optimierungsbasierter Regelungsansätze. Neue Methoden des industriellen Energiemanagements können so am Demonstrator getestet und weiterentwickelt werden.

Mit der Einrichtung der ersten Nachwuchsprofessur für Kälte- und Wärmepumpentechnik an einer deutschen Hochschule hat die Hochschule Offenburg die Möglichkeit, zu den Vorreitern auf diesem Gebiet in Deutschland zu gehören.

Im Labor für Kälte-und Wärmepumpentechnik wird sowohl an der systemischen Einbindung von Smart Grids, als auch auf Komponentenebene geforscht.

• Wie lässt sich die thermische Einbindung von Wärmepumpen verbessern?

• Wie kann man die Effizienz dieser Anlagen weiter steigern?

• Wie kann man gleichzeitig die Lebenszeit verlängern

Klimasimulationen (ohne Solarsimulator) in einer begehbaren Klimakammer (CTS GmbH, Hechingen; Baujahr 2013) mit einem nutzbaren Innenraum von 40 m³ (5,50m (L) x 2,45 (B) x 2,90 m (H)) zwischen -55 °C und +95 °C bei einer hohen Feuchtevariabilität (10% bis 98% relative Feuchte; im Taupunktbereich +5°C bis +82°C) und schneller Reaktionszeit. Typische Einsatzbereiche:

• Leistungs- und Ermüdungstests an Komponenten, die der Witterung ausgesetzt sind.

• Leistungstests an Fahrzeugen mit hocheffizienten Antrieben unter winterlichen und sommerlichen Bedingungen.

• Leistungstests an gebäudetechnischen Systemen, insbesondere elektrische und thermisch angetriebene Wärmepumpen / Kältemaschinen,

• Bauphysikalische Produktcharakterisierung von Komponenten und Systemen.

In Kombination mit zwei angrenzenden Raumklimazellen steht eine sogenannte Doppelklimakammer zur Verfügung, um z.B. fassadenintegrierte Gebäudetechnik oder das dynamische Verhalten von Heizung/Kühlung und Lüftung in Räumen zu evaluieren.

Die Photovoltaik (PV) ist neben der Windenergie die tragende Säule der zukünftigen globalen Energieversorgung, die zu 100% auf erneuerbaren Energieträgern beruht. Wir entwickeln und forschen dazu, die Photovoltaik noch umweltfreundlicher zu machen. Dies geschieht z.B. durch Einsparung von Verbrauchsmaterialien, um noch mehr Solarleistung pro Quadratmeter Fläche, pro Gramm Silizium, Glas, usw. zu erreichen.
 

Unser Fokus liegt insbesondere auf folgenden Bereichen:

• Solarmodule ohne Kunststoff-Einkapselung (N.I.C.E.TM-Technologie – Herstellung und Integration)

• Charakterisierung von Solarzellen und -modulen

Dafür verfügen wir über eine Laborausstattung, um die Prozesse in Manufaktur zu optimieren:

• Class A+AA+ LED-Flasher bis 1,0 x 2,0 m2 Modulgröße (Wavelabs)

• Laminator für Glas-Folien- und Glas-Glas-Module bis 640 x 480 mm2 (E.E.T.S.)

• Außenteststand mit Monitoring für mono- und bifaciale Module (Eigenbau)

• Dispenser bis 525 x 525 mm2 (NordsonAsymtek)

• Klimaprüfschrank

• Handgerät für Plasmareinigung von Oberflächen (Relyon)

• Multi-Tool für u.a. PL/EL/Grid Resistance (Eigenbau)

• QSSPC und SunsVoc (Sinton Instruments)

• LEXT Laser Scanning Mikroskop (Olympus)

• IonSlicer für beidseitige Ar-Ionen-Politur von STEM-Proben (JEOL)

• REM mit STEM- und EDX-Funktionen (JEOL)

Pflanzenkohle ist der Festrückstand aus der Pyrolyse von Biomasse. Das entsprechende Verfahren PyCCS (pyrogenic carbon capture and storage) bzw. BCR (biochar carbon removal) liefert weltweit über 80% der produzierten Kohlenstoffsenken. Damit ist es die am weitesten entwickelte Negativemissionstechnologie (NET) zum aktiven CO2-Entzug. Sowohl die Pflanzenkohle, als auch die entstehenden Pyrolyseöle und -gase können heute und in Zukunft helfen, die Wirtschaft zu defossilieren und das Klima aktiv zu kühlen.

Unser Fokus liegt insbesondere auf folgenden Bereichen:

• Pflanzenkohle aus Biomassen zur Anwendung in der Landwirtschaft und Materialien

• Charakterisierung von Pyrolyseprozessen und Pflanzenkohlen

Dafür verfügen wir über eine Laborausstattung, um die Herstellung und Anwendung von Pflanzenkohlen und Pyrolyseprodukten zu optimieren:

• Mühlen zur Zerkleinerung (Schneid-, Hammer-, Kugelmühlen, Häcksler)

• Pelletieranlage

• Trockenschränke

• Muffelofen

• Chemische Analytik im Chemielabor (u.a. TOC, TN, GC, ICP-OES)

• Wasserhaltekapazität

• Labor für Rundbildchromatographie

• Rasenbesander zur Ausbringung von Pflanzenkohle

• Zugang zu Gewächshaus für Pflanzversuche

• Kon-Tiki manueller Pyrolysereaktor mit Abgasanalytik

• Vollautomatische Pyrolyseanlage mit 10 kg/h Biomasse-Durchsatz (Regenis MAX)

Unsere Pflanzenkohle-Projekte finden im Rahmen des Think Tanks FYI:Landwirtschaft 5.0 (fyi-landwirtschaft5.org) statt.

Im Labor für Raumluft- und Klimatechnik werden in erster Linie innovative Klimasysteme und neue Komponenten wie Luftdurchlässe, Kühldecken, Wärmerückgewinnungssysteme, Luft/Wasser-Wärmetauscher etc. unter den Aspekten von Energieeffizienz und thermischem Komfort untersucht. Das Labor umfasst einen Laborraum und eine Labor-Klimaanlage. Im Laborraum (variable Größe bis 7,20 m x 7,20 m x 5,50 m, Seitenwände temperierbar) steht eine umfangreiche Messtechnik für die Untersuchung der Raumluftströmung und des thermischen Komforts zur Verfügung, insbesondere zur Messung von Raumluftgeschwindigkeit und Turbulenzgrad, Schall, Lufttemperatur, Luftfeuchte und Differenzdruck. Ebenso ist eine Strömungsvisualisierung möglich. Die Klimaanlage beinhaltet sämtliche Komponenten zur thermodynamischen Luftbehandlung und kann sowohl zur Untersuchung optimierter Betriebsführungsstrategien als auch zur Luftvorkonditionierung (für die experimentelle Analyse klimatechnischer Systeme) genutzt werden.