An diesen Forschungsfragen arbeitet die TH Nürnberg im Forschungsfeld "Energie":

  • Energieeffiziente Gebäudesysteme
  • Energieverfahrenstechnik
  • Elektrische Energietechnik
  • Emissionsarme Wärme- und Kälteerzeugung

Forschungsdatenblätter

MODELLBILDUNG, SIMULATION UND VALIDIERUNG DES BETRIEBS ENERGIEEFFIZIENTER ANTRIEBE FÜR RANGIERLOKOMOTIVEN MIT HYBRIDANTRIEB

Längst hat die Frage nach energieeffizienten und emissionsarmen Antrieben das Entwicklungsfeld der Schienenfahrzeuge zum Umdenken bewegt. Aufgrund verschärfter Umweltanforderungen stehen die Betreiber von Diesellokomotiven unter dem Druck, Emissionen wie Schadstoff und Lärm zu verringern. Neue Strategien zur Kraftstoffeinsparung sind erforderlich, um vor allem die CO2-Emissionen zu vermindern.Dies ist notwendig,da dieselbetriebene Rangierlokomotiven aufgrund der Vielzahl ihrer Einsatzmöglichkeiten auch weiterhin eine wichtige Rolle im Bahnverkehr einnehmen werden. Der Einsatzbereich reicht dabei vom Rangierverkehr an Personen- und Güterbahnhöfen bis zu Fahrten auf Strecken im mittelschweren Dienst, die für den elektrischen Fahrbetrieb nicht geeignet sind. Die Wichtigkeit der Rangierlokomotiven im Bereich Güterverkehr, bei Überführungsfahrten sowie im Zustellund Werkstattbetrieb, wird von den aktuellen Zahlen der schweren Rangierlokomotiven bestätigt, die in den letzten Jahren nahezu konstant geblieben ist.Der Rangierverkehr dieser Schienenfahrzeuge nimmt jedoch einen deutlichen Anteil am gesamten Energieverbrauch des dieselbetriebenen Bahnverkehrs ein. So entstehen allein 12 % aller CO2-Emissionen der Deutschen Bahn AG durch Rangiertätigkeiten - Werksbahnen, mit wesentlich größerem Rangieranteil, sind dabei nicht berücksichtigt. Hier lässt sich durch Einsparung im Kraftstoffbereich ein wichtiger Beitrag zur gesamten CO2-Minderung sowie zur Verringerung von Schadstoffemissionen erzielen.

 

Trigeneration Market

Die Technologie der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) ermöglicht eine gekoppelte Bereitstellung von elektrischem Strom, Wärme und Kälte aus fossilen oder erneuerbaren Brennstoffen. Die benötigte Kälte wird dabei aus der Abwärme der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) erzeugt, indem thermisch betriebene Kältemaschinen (TKM) zum Einsatz kommen. KWKK stellt eine zukunftsweisende und hocheffiziente Klimaschutztechnologie dar, der es in Deutschland bislang trotz ihrer Vorteile an einer umfassenden Marktdurchdringung fehlt. Die englische Bezeichnung „Trigeneration“ (Combined Cooling, Heat and Power; CCHP) für den deutschen Begriff „KWKK“ bildet zusammen mit der integrierten Marktanalyse die Projektbezeichnung „Trigeneration Market“ (TriMa). Die dreijährige Projektlaufzeit umfasst den Zeitraum vom 01.01.2015 bis zum 31.12.2017. Das TriMa-Forschungsprojekt wird mit einer Analyse der bestehenden Hemmnisse Strategien für den Einsatz der energieeffizienten und umweltfreundlichen KWKK-Technologie entwickeln und Lösungsansätze bereitstellen. Das Forschungsprojekt analysiert mögliche Ursachen für die bislang geringe Verbreitung der Technik in Deutschland. Dabei ist anzunehmen, dass es sich nicht um ökonomische oder technische Hemmnisse handelt. Vielmehr liegt der Schluss nahe, dass Informationsdefizite und andere Gründe den Ausbau verzögern.

 

ULTRA-SAUBERE UND EFFIZIENTE WÄRMEERZEUGUNG, REKUPERATION UND WÄRMEABSTRAHLUNG IN INTELLIGENTEN MAKROZELLULAREN VERBRENNUNGSREAKTOREN

Die flammenlose Verbrennung ist eine moderne Verbrennungstechnik, die gegenüber der konventionellen Freiraumverbrennung signifikante Vorteile aufweist. Niedrige Schadstoffemissionen, hohe Strahlungsleistung und ein breites Spektrum an Leistungsmodulation sind die herausragenden Merkmale dieser Verbrennungstechnik. Die Möglichkeiten und Grenzen dieser innovativen Verbrennungsmethode werden derzeit in einem Forschungsprojekt an der Technischen Hochschule Nürnberg analysiert. Ziel des Projekts „Intelligente Verbrennungsreaktoren“ ist die Erforschung und Entwicklung der optimalen Verbrennungsreaktor- Architektur, um somit einen effizienten und emissionsarmen Wärmeerzeuger für industrielle Anwendungen zu realisieren.

 

ENTWICKLUNG UND DEMONSTRATION VON OPTIMALEN BETRIEBSSZENARIEN FÜR GEBÄUDETECHNISCHE KOMPONENTEN IN INTELLIGENTEN NETZTEN

Gebäudetechnische Anlagen wie Wärmepumpen, thermische Speicher oder Solaranlagen, können zu einer Lösung der durch die Energiewende anstehenden Herausforderung beitragen, indem sie ihren Verbrauch an die Erzeugung anpassen. Hierfür stehen immer mehr intelligente Komponenten (Ready for Smart Grid) sowie intelligente Zähler (Smart Meter) zur Verfügung. Diesen wichtigen Elementen einer dezentralen und nachhaltigen Energieversorgung fehlt es jedoch derzeit an einfachen und in Energiemanagementsystemen einsetzbaren Algorithmen. Die möglichen Potenziale der regenerativen Erzeugungssysteme werden demnach vor allem von Einund Zweifamilienhäusern nicht ausgenutzt. Vor diesem Hintergrund will das Forschungsprojekt „Gebäudetechnik - ready for Smart Grid“ der Technischen Hochschule Nürnberg durch  Modellentwicklungen zur Lastenprognose sowie zur Steuerung von Wärmepumpensystemen mit thermischen Speichern die regenerative Energieerzeugung in Privathaushalten fördern und gleichzeitig den Energieverbrauch im Bereich der Wohngebäude senken.

 

SKALIERUNG VON IONENTRIEBWERKEN MITTELS NUMERISCHER SIMULATION

Ionenantriebe, die als Manövrier- oder Haupttriebwerk von Satelliten und Raumsonden zum Einsatz kommen, bieten wesentliche Vorteile gegenüber klassischen chemischen Triebwerken. Die auf Ionisation des Treibstoffs und der nachfolgenden elektrostatischen Beschleunigung der Treibstoffionen basierenden Antriebe zeichnen sich durch eine fünf- bis zehnfach höhere Treibstoffaustrittsgeschwindigkeit gegenüber chemischen Triebwerken aus und ermöglichen dadurch eine signifikante Reduktion der Startmasse des Raumflugkörpers von bis zu mehreren Tonnen. Wissenschaftliche Missionen in entfernte Planetensysteme werden durch diese Antriebstechnologie überhaupt erst möglich gemacht, kommerzielle Anwendungen wie Telekommunikationssatelliten erfahren durch den Einsatz von Ionentriebwerken eine signifikante Kostenreduktion. Im Zuge des neuen Forschungsprojekts ITSim - Skalierung von Ionentriebwerken mittels numerischer Simulation - der Technischen Hochschule Nürnberg und den Projektpartnern Thales Electronic Systems GmbH Ulm (Thales) und Ernst-Moritz-Arndt Universität Greifswald (EMAU) soll mit Hilfe numerischer Simulationen erforscht werden, inwieweit sich Ionentriebwerke im Vergleich zum jetzigen Stand verbessern und für zukünftige Arbeitspunkte optimieren lassen.

ENERGIEEFFIZIENTE ELEKTROMOTOREN FÜR DIE ENERGIEWENDE

Etwa die Hälfte der in Deutschland erzeugten elektrischen Energie wird durch elektrische Antriebe in mechanische Energie umgewandelt. Der Anteil in der Industrie liegt sogar bei 70 % innerhalb  Deutschlands und der EU. An der Technischen Hochschule Nürnberg wird deshalb im Projekt „impACt B“ an der Fakultät Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik die Wirkungsgradsteigerung von Elektromotoren ins Visier genommen. Zentraler Bestandteil eines Elektromotors ist das Blechpaket. Dieses erfährt während seiner Produktion zahlreiche Fertigungseinflüsse, welche sich negativ auf das Betriebsverhalten der Maschine auswirken. In Folge dessen sinkt der Wirkungsgrad, und die Verluste steigen an. Das Projekt „impACt B – Influence of manufacturing process on AC-motors technical behavior“ untersucht den Einfluss der Fertigung auf das technische Betriebsverhalten wechselstromgespeister Elektromotoren. Ziel der Forscher ist es, die Produktion und das  Maschinendesign so zu gestalten, dass die negativen Bearbeitungseinflüsse minimiert werden. Dafür ist es allerdings notwendig, den Einfluss der einzelnen Fertigungsschritte genau zu kennen.

ENERGIESPEICHERHÄUSER - EIN ENERGIEFLEXIBLES GEBÄUDE- UND ENERGIEKONZEPT VON MORGEN

Die aktuellen Entwicklungen und weltweit geführten Debatten zur Auswirkung des Klimawandels zeigen, dass der Klimaschutz allgemein und insbesondere auf lokaler Ebene zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Anforderungen an moderne Gebäude bezüglich Energieeffizienz, CO2-Emissionen und Nutzungsqualität rücken dabei vermehrt in den Mittelpunkt. Das Ziel der Bundesregierung, bis zum Jahr 2020 den Wärmebedarf im Wohnraum um 20 % zu reduzieren sowie den Einsatz erneuerbarer Energien im Gebäudebereich zu stärken, stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Die genannten Anforderungen lassen sich nur mit einem abgestimmten Konzept, das Gebäudehülle sowie Gebäude- und Anlagentechnik in Einklang bringt, bewältigen. Das Projekt „Herzo Base“ der Technischen Hochschule Nürnberg, das im Rahmen des Energie Campus Nürnberg und in Zusammenarbeit mit mehreren Partnern der Industrie und der Stadt  Herzogenaurach entsteht, untersucht daher die Weiterentwicklung und Optimierung von passiven und aktiven Komponenten der Gebäudetechnik sowie deren Systemintegration in die Gebäude.

 

FLEXIBLE UND INTELLIGENTE KLEINANTRIEBSTECHNIK FÜR INDUSTRIE 4.0

Im Forschungsprojekt „FIKAT 4.0“ entsteht unter Berücksichtigung der Anforderungen von Industrie 4.0 im Bereich Kommunikation, Miniaturisierung und Energieeffizienz ein Konzept für ein  modularisiertes Kleinantriebssystem. Dieses System wird neben einem einheitlichen Kommunikationsmodul, das mehrere etablierte Feldbusprotokolle unterstützen soll, auch  Leistungsmodule verschiedener Größe enthalten. Ein weiteres Augenmerk liegt auf der flexibelen Gestaltung. So sollen neben Gleichstrom- auch Drehstrommotoren an demselben Leistungsmodul betrieben werden können. Mit der anwendungsnahen Erprobung von intelligenten prädiktiven modellbasierten Regelungsmethoden soll mit dem Forschungsvorhaben das Potential dieser neuartigen Regelungsmethode aufgezeigt werden. Dabei dient die geplante Hardware als  Evaluierungsplattform, um die vielversprechenden Algorithmen schnell in die Anwendung zu überführen. Der stark wachsende Markt der Kleinantriebstechnik wird dabei nicht ausgeschlossen. Durch die ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems wird im Projekt FIKAT 4.0 eine Steigerungen der Energieeffizienz und Dynamik durch intelligente prädiktive und modellbasierten Regelungsmethoden dargestellt. Die modellbasierte prädiktive Regelung (MPC) wird in der chemischen Prozessindustrie schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Die Anwendung auf Systeme der Leistungselektronik und Antriebstechnik ist aufgrund der hohen Abtastraten und des daraus resultierenden hohen Rechenleistungsbedarfs dagegen neu. Für größere Antriebe existieren bereits Forschungsarbeiten in diesem Feld, die Übertragung auf Kleinantriebe stellt ein Novum dar.

 

3D-CAD-Screenshot der KWEA: Ansicht von oben

ÜBERWINDUNG DER „DIGITAL DIVIDE“ DURCH NUTZUNG ERNEUERBARER ENERGIEN

Anders als in Industrienationen kommt der autarken Stromversorgung in Regionen ohne Anschluss an das Stromnetz eine besonders hohe Bedeutung zu. Nur durch eine ausreichende und bezahlbare Energieversorgung von Privathaushalten, Unternehmen, Schulen und Krankenstationen lässt sich dort wirksam gegen die vorherrschende Armut und soziale Missstände vorgehen. Darüber hinaus steigen die wirtschaftlichen und sozialen Entwicklungschancen der Bevölkerung, wenn die  Möglichkeit des Zugangs zu modernen Kommunikationstechniken gewährleistet ist. Dies setzt die Versorgung mit Energie voraus, wobei regenerative Energien und insbesondere die Sonnenenergie für die Energieversorgung in Entwicklungsländern eine wichtige Rolle spielt. Inhalt des Projekts „ODDURE“ ist daher die Konzeption einer Hybrid-Energieanlage, die aus einer Kleinwind-energieanlage (KWEA) und Photovoltaikmodulen bestehen soll. „ODDURE“ stellt dabei ein Vorprojekt dar, welches die ersten beiden Phasen des geplanten Gesamtprojekts „IndVilNet - Indian Villages goes Internet“ beschreibt. Die Entwicklung des Funktionsmusters soll im Rahmen des Projekts die Voraussetzung für die digitale Anbindung des ländlichen Raums in Indien (als  stellvertretenden Partner) schaffen.

UMMAGNETISIERUNGSVERLUSTE IN HARTMAGNETISCHEN WERKSTOFFEN HOCHDYNAMISCHER ELEKTRISCHER INDUSTRIEANTRIEBE

Im Zuge der Energiewende sowie den zunehmenden Verschärfungen und Einführungen neuer Richtlinien und Normen zur Energieeffizienz elektrischer und elektronischer Systeme, ist eine stetige Steigerung der Wirkungsgrade elektrischer Antriebe allseits von großem Interesse. Allein in Deutschland nehmen elektrische Antriebe mit 50 % aller vorkommenden elektrischen Energiewandlungssysteme einen hohen Stellenwert ein. In der Industrie sind sie für etwa 70 % des vorhandenen Stromverbrauchs verantwortlich. Die Einsatzgebiete der permanenterregten Synchronmaschinen (PMSM) nehmen sowohl im Bereich größerer Leistungen, als auch bei  Kleinantrieben stetig zu. Die Gründe hierfür liegen im Maschinentyp selbst. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird ein Berechnungsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die einzelnen Verlustanteile und die Magnetverluste einer PMSM bereits bei der Maschinenauslegung hinreichend genau bestimmt werden können.

 

ERSTELLUNG EINES HANDBUCHS ZUR ENERGIEEINSPARUNG IN TEXTILREINIGUNGEN

2012 startete der Deutsche Textilreinigungsverband DTV gemeinsam mit der Energie-Effizienz-Agentur NRW das Benchmarkingprojekt „Ökobench“. Das Tool gestattet den DTV-Mitgliedsunternehmen, ihren Energie-, Wasser- und Reinigungsmittelverbrauch anonym mit anderen Betrieben zu vergleichen. Aktuelle Auswertungen zeigen, dass im Gegensatz zur Gesamtzahl der Wäschereien nur eine sehr geringe Anzahl an Textilreinigungsbetrieben bereit ist, diesen Service tatsächlich zu nutzen. Einer der Hauptgründe für die fehlende Nutzung ist laut DTV, dass viele Betriebe nur unzureichend über mögliche Optionen zur Energieeinspaarung informiert sind. Dies sei mitunter auf fehlende, an die Betriebe angepasste Informationsmaterialien, zurückzuführen. Zwar werden von den Maschinenherstellern oder Einzelbetrieben unterschiedliche Einsparmaßnahmen propagiert, deren Effektivität und insbesondere deren Auswirkung auf die Schmutzentfernung und die Textilschädigung ist jedoch entweder unzureichend nachgewiesen oder wird von den Anwendern ignoriert.

 

OPTISCHE SENSOR-ANBINDUNG MIT LEUCHTDIODEN

Die Übertragung von Messungen verschiedener physikalischer und chemischer Größen findet in der heutigen Zeit meist über preisgünstige elektrische Leitungen statt. Problematisch wird diese Art der Übertragung von Sensorsignalen, wenn große Spannungsunterschiede oder starke elektromagnetische Felder in der Umgebung sind. Dies ist beispielsweise ein Problem bei Messungen an Hochspannungsanlagen oder der Überwachung von Batteriesystemen. Eine Lösung ist die Übertragung durch faseroptische Verbindung zwischen Sensor und Basis, bei der mittels Licht sowohl die Übertragung der Messdaten, als auch die Energieversorgung des Sensors erfolgt. Bisher sind dafür insgesamt vier separate optoelektronische Komponenten an der Basis und auf einem Sensor sowie spezielle Duplex-Koppeloptiken erforderlich. Das Forschungsprojekt „Optische Sensor-Anbindung mit Leuchtdioden" will einen neuen Lösungsweg etablieren, der sowohl am Sensor als auch an der Basis mit nur jeweils einer blauen LED auskommt. Die Verwendung neuer kommerziell erhältlicher blauer LEDs wurde bis jetzt noch nicht für solche Sonderanwendungen erforscht.

 

FASSADENLADEN - HOCHTECHNOLOGIE MIT BIOGENEN WERKSTOFFEN - EIN UNIVERSELLER BAUKASTEN ALS NEUINTERPRETATION DES FENSTERLADENS

Seit Jahren wird im Baubereich nach Alternativen zu herkömmlichen Roh- und Werkstoffen gesucht. Das definierte Ziel der Suche ist die Reduzierung der Stoff- und Primärenergieströme und die Verbesserung der Recyclingfähigkeit der Stoffe. Vor diesem Hintergrund steht im Forschungsprojekt „Fassadenladen" der Technischen Hochschule Nürnberg und ihrer Kooperationspartner die Fassade als Schnittstelle für Komfort und Energiebilanz im Zentrum der Forschung. In Anlehnung an den traditionellen Fensterladen wird mit zukunftsweisenden thermoplastischen Werkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen eine Baukomponente entwickelt, die sich aufgrund ihrer innovativen Eigenschaften den wechselnden Witterungsbedingungen und Nutzerwünschen entsprechend anpassen kann. Dabei verknüpft das interdisziplinäre Projektteam aus Forschung und Wirtschaft die beiden Themenbereiche „Adaptive Gebäudehülle" und „Biogene Werkstoffe" zu einem Arbeitsschwerpunkt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung sowie der Bau und Test von Prototypen im Sinne eines modularen Baukastensystems. Die modulare Bauweise soll dabei insbesondere eine funktionale Flexibilität ermöglichen, für den Einsatz in Neubauten (Wohnungs- und Bürogebäude) sowie den Gebäudebestand.

 

„NACHHALTIGE STADTENTWICKLUNG STADT NÜRNBERG": ENTWICKLUNG ENERGETISCHER QUARTIERSKONZEPTE

Die Fakultät Betriebswirtschaft der Technischen Hochschule Nürnberg und ihr Forschungspartner Energieagentur Nordbayern GmbH entwickeln im Auftrag der Stadt Nürnberg die energetischen Quartierskonzepte „Gibitzenhof" und „Langwasser" als Beitrag zu einer nachhaltigen Stadtentwicklung. Die Stadt Nürnberg nutzt dabei die finanzielle Unterstützung durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) im Förderprogramm „Energetische Stadtsanierung". Das Ziel des Forschungsprojektes besteht in der Weiterentwicklung des Themenfelds „Bauen und Sanieren" aus dem Klimafahrplan der Stadt Nürnberg, indem eine deutliche Erhöhung der (energetischen) Sanierungsquote im Gebäudebestand angestrebt wird. Dies soll vorrangig durch die Reduzierung der bestehenden Hemmnisse bei der energetischen Gebäudesanierung erreicht werden. Das Forschungsprojekt wurde bereits am 23.09.2016 im Rahmen der Veranstaltung „Stadtentwicklung unterwegs" von Oberbürgermeister Dr. Ulrich Maly und den beteiligten Akteuren vorgestellt.

 

OPTISCHE HAUS- UND MIKRONETZE

Die Technische Hochschule Nürnberg entwickelt seit ca. 15 Jahren optische Systeme für eine ganze Reihe verschiedener Kurzstreckenanwendungen. Dabei steht das im Jahr 2000 im Rahmen der High-Tech-Offensive Bayern gegründete POF-AC (Polymer Optical Fiber Application Center, Institut der Hochschule). Ziel des Projekts „Optische Haus und Mikronetze (OHM-Netze)" ist es, die Weiterentwicklung der Polymer-fasertechnologie für Kurzstreckenanwendungen im Bereich von ein Meter bis maximal 500 Meter Übertragungsstrecke voranzutreiben. Gegenüber anderen optischen Fasern besteht der Vorteil der (relativ dicken) Polymerfaser vor allem darin, dass sie extrem einfach verarbeitet werden kann. Zudem lassen sich als Sendeelemente kostengünstige LED verwenden, wohingegen für Glasfasern Laserdioden notwendig sind. Vor allem für Produkte in kleinen und mittleren Stückzahlen, wie sie vorzugsweise in KMU gefertigt werden, sind Polymerfasern sinnvoll nutzbar, da keine extrem teuren Verarbeitungsprozesse nötig sind.

 

ENTWICKLUNG EINES NEUEN ENERGIE-EFFIZIENTEN VERFAHRENS ZUR FEUCHTE-ABLEITUNG PRESSFEUCHTER ZIEGELROHLINGE

Ziegel sind zwar der älteste Werkstoff der Welt; aber auch an Ihnen geht die Entwicklung ständig weiter. Mauerziegel zählen wie Dachziegel, Porzellan, technische Keramik oder Fliesen zur Gruppe der keramischen Produkte. Ihre Herstellungsverfahren sind ähnlich und erfordern die Prozessstufen Rohstoffgewinnung, Aufbereitung, Formgebung sowie das Trocknen und Brennen zu fertigen Produkten. Im Falle der Trocknung von Mauerziegeln müssen 70 % der gesamten zur Ziegelherstellung benötigten Energie alleine für den Trocknungsschritt aufgewandt werden. Dabei wird der Wassergehalt des pressfeuchten Ton-Rohlings von ca. 21 % auf ca. 1 % abgesenkt. Dies geschieht nach heutigem Stand der Technik durch „Konvektionstrocknung", indem mehr oder weniger feucht-heiße Luft um und durch die Löcher der geformten Rohlinge geführt wird. Im hier vorgestellten Forschungsvorhaben wird ein neuartiges Trocknungsverfahren untersucht. Dabei wird der Wassergehalt der Rohlinge innerhalb weniger Minuten durch „Kontakttrocknung" mit einem Trocknungsmittel abgesenkt. Anschließend erfolgt die übliche Konvektionstrocknung, die aber auf einem vergleichsweise höheren Temperaturniveau gestartet werden kann. Dadurch ist eine Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit, Steigerung der Qualität und eine Absenkung der Produktionskosten möglich.

 

ENTWICKLUNG EINES ENERGIESPAR-FENSTERS MIT REGELBARER ABSCHATTUNGSVORRICHTUNG

Die EU-Gebäuderichtlinie 2010 für energieeffiziente Gebäude ist ein Schlüsselfaktor der Energiewende. Für eine ausgeglichene Energiebilanz auf Gebäudeebene sind Wärmeschutz, lokale Energieproduktion und eine energieeffiziente Gebäudeklimatisierung unabdingbar. Eine entscheidende Komponente der Gebäudehülle stellt das Fenster dar. Im Rahmen des Projekts i.Solar Control wurde zusammen mit regionalen Partnern aus Mittelstand und Forschung ein erster Prototyp eines energieeffizienten Fensters mit integriertem Verschattungssystem entwickelt und aktiv in die Gebäuderegelung eingebunden.

 

FERTIGUNGSORIENTIERTE AUSLEGUNG INNOVATIVER ELEKTRISCHER ANTRIEBE FÜR HOCHEFFIZIENTE INDUSTRIEAPPLIKATIONEN

Um die Energiewende zu realisieren, ist es notwendig, den Energiebedarf innerhalb der industriellen und gewerblichen Antriebstechnik zu reduzieren. Während in der Industrie, aufgrund des robusten Aufbaus und den relativ geringen Anschaffungskosten, noch oft auf Drehstromasynchronmaschinen zurückgegriffen wird, haben sich in den letzten Jahren permanenterregte Synchronmaschinen (PMSM) zu einem bedeutenden Markt entwickelt. Neben einer äußerst kompakten Bauform und niedrigem Gewicht haben PMSM im Vergleich eine hohe Energieeffizienz. Im Forschungsprojekt „Fertigungsorientierte Auslegung innovativer elektrischer Antriebe für hocheffiziente Industrieapplikationen" sollen Fragestellungen zur Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung während der Entwicklung von innovativen Maschinen mit Permanenterregung untersucht werden.

 

TECHNOLOGIETRANSFER INNOVATIVER PRODUKTE UND SYSTEME IN DER ENERGIE- UND GEBÄUDETECHNIK

Die durch die Energiewende entstehenden Anforderungen an die Effizienz der Produkte und Systeme sowie der dadurch entstehende Bedarf an neuen Technologien, hat eine neue Marktentwicklung zur Folge. Diese Entwicklung ist vor allem für Unternehmen interessant, die Effizienztechnologien schnell auf den Markt bringen können. In der Metropolregion Nürnberg sind traditionell Unternehmen im Kraftwerksbau stark vertreten. Aber auch die wachsenden Bereiche Leistungselektronik, Versorgungstechnik sowie erneuerbare Energien gehören zu den Kernkompetenzen der 14.000 angesiedelten Betriebe. Diese Unternehmen sind nicht nur für die wirtschaftliche Entwicklung von großer Bedeutung, sondern stellen mit 14 % der Industriearbeitsplätze auch einen wichtigen Faktor in der Beschäftigung in der Region dar. Das Kompetenzzentrum Energietechnik der Technischen Hochschule Nürnberg plant im Laufe des Projekts „Technologietransfer innovativer Produkte und Systeme in der Energie- und Gebäudetechnik" ein Expertennetzwerk aufzubauen, das aus Vertretern der Hochschule und kleinen sowie mittleren Unternehmen der Region besteht. Dieses soll Produkte und Systeme zur effizienten Erzeugung, Speicherung, Umwandlung und zum Management von Kälte und Wärme herstellen oder energieeffiziente Verfahren und Produktionsprozesse etablieren.

 

CLAUSIUS RANKINE CYCLE-VERSUCHSANLAGE

In dezentralen Blockheizkraftwerken wird neben Wärme auch elektrischer Strom hergestellt. Die auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung basierenden Anlagen sind ein wichtiger Bestandteil für die zukünftige energieeffiziente und wirtschaftliche Versorgung mit Strom und Wärme. Durch ihre flexible Einsetzbarkeit ermöglichen sie es das schwankende Angebot von erneuerbaren Energien auszugleichen und tragen so zur Grundlastabsicherung bei. Bei der Erzeugung von elektrischen Strom entsteht Wärme, die in Blockheizkraftwerken entweder direkt zum Heizen verwendet wird oder mit zusätzlichen Einrichtungen zur Abwärmenutzung, wie Abgaswärmeübertragern für die Warmwasserbereitung, genutzt wird. Vor allem in den Sommermonaten kann diese Wärme jedoch nicht vollständig genutzt werden und muss mit Kühleinrichtungen ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Damit kommen Technologien in den Fokus, die dazu geeignet sind überschüssige Wärme in wertvolle Energieformen wie elektrische Energie oder mechanische Energie umzuwandeln. Diese können entweder direkt genutzt werden oder in das vorhandene Versorgungsnetz eingespeist werden.

 

ROTORZUSTANDSSCHÄTZUNG FÜR FREMDERREGTE SYNCHRONMASCHINEN

Mit dem Einsetzen der Energiewende ist ein stetiges Wachstum der Nachfrage nach umweltfreundlicheren Lösungen in allen Bereichen der Technik zu vernehmen. In der Automobilbranche ist der vermehrte Einsatz von Elektromotoren in Fahrzeugen eine angestrebte Lösung. Derzeitig werden hierfür vorrangig permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) und Asynchronmaschinen (ASM) eingesetzt. Eine PSM weist sowohl einen höhere Leistungsdichte als auch einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zur ASM auf. Jedoch benötigt dieser Maschinentyp aufgrund der Permanentmagnete Seltene Erden, was hinsichtlich der Rohstoffknappheit und des sich daraus ergebenden Preises ein großer Nachteil ist. Die PSM können ihre Leistung bei hohen Drehzahlen nicht aufrechterhalten und erfordern aufwendige elektronische Maßnahmen um Ausfälle zu vermeiden. Daher stand im vorangegangenen Forschungsprojekt FORELMO (Bayerischer Forschungverbund für Elektromobilität) die fremderregte Synchronmaschine (FSM) im Zentrum der Untersuchungen. Mithilfe dieses Maschinentyps lassen sich sowohl die Nachteile der PSM als auch der ASM eliminieren. Das Projekt „Rotorzustandsschätzung für fremderregte Synchronmaschinen“ wird an die Ergebnisse von FORELMO ansetzen und die Schätzung von Erregerstrom und Rotorwiderstand optimieren, um einen reibungslosen Betrieb der Elektromotoren zu gewährleisten.

ENERGY HARVESTING IM WOHNGEBÄUDE –
VORENTWICKLUNG EINES NANO-BHKWS

In Deutschland wird Strom in relativ wenigen großen Kraftwerken erzeugt. Ein wichtiger Aspekt der Energiewende ist es, diese konventionelle Stromerzeugung durch eine Vielzahl kleinerer Erzeugungseinheiten abzulösen. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Photovoltaikanlagen. Weniger bekannt sind Nano-BHKWs, die auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung basieren. Diese Zentralheizungen für Wohngebäude erzeugen neben Wärme auch elektrischen Strom. Durch die hohen Anschaffungskosten ist der so erzeugte Strom jedoch teurer als der, der vom Energieversorger bezogen wird. Im Forschungsprojekt „Energy Harvesting im Wohngebäude – Vorentwicklung eines Nano-BHKWs“ soll untersucht werden, welche wirtschaftlichen Vorteile ein Nano-BHKW auf Basis thermoelektrischer Generatoren (TEG) gegenüber bisher auf dem Markt verfügbaren Systemen hat.

 

SAR ADU FÜR ENERGIE-, MESS- UND INDUSTRIELLEN APPLIKATIONEN – ENTWICKLUNG EINER PRODUKTIONSTESTLÖSUNG DURCH DIE TH NÜRNBERG

Analog- Digital- Umsetzer (ADU) sind essentielle Bestandteile vieler moderner Technologien. Sie werden in Motorsteuerungen, intelligenten Stromnetzen und Verbrauchszählern wie der Gas- und Wassermessung verwendet, um analoge mechanische Daten zu digitalisieren. Im Projekt „SAR ADU für Energie-, Mess- und industrielle Applikationen – Entwicklung einer Produktionstestlösung durch die TH Nürnberg (SAfEMiA-THN)“ soll eine kosteneffiziente Produktionstestlösung für einen neuartigen Analog-Digital-Umsetzer entwickelt werden.

 

EVALUIERUNG NEUARTIGER „SYSTEM-ON A-CHIP“ PLATTFORMEN FÜR DIE ECHTZEITBERECHNUNG

Im Vorlaufforschungsprojekt sollen neue System-on-a-Chip (SoC) - Lösungen für die Echtzeitberechnung von Algorithmen untersucht werden. Bei System-on-a-Chip werden alle oder große Teile eines programmierbaren elektronischen Systems auf einem Chip integriert. Die SoCs, die im Projekt untersucht werden sollen, vereinen ein „Field Programmable Gate Array“ (FPGA) und ARM-Prozessoren auf einem Chip. Diese Lösungen ermöglichen zum einen eine hochdynamische und parallelisierbare Berechnung in Hardware auf dem FPGA sowie eine Interrupt-basierte Berechnung auf einem ARM-Prozessor. Zusätzlich kann auf dem ARM ein Betriebssystem implementiert werden. Durch die Kombination dieser Komponenten entstehen hochkomplexe, aber in der Anwendung leistungsfähige Gesamtsysteme.

 

FORSCHUNGSSCHWERPUNKT ENERGIEEFFIZIENTE GEBÄUDE

Eine wesentliche Maßnahme, um dem Klimawandel und seinen Folgen zu begegnen, ist die Verringerung des Kohlenstoffdioxidausstoßes. Im Gebäudebereich kann dies durch die Erhöhung der Energieeffizienz der Systeme und die Reduktion des Gebäudeenergiebedarfs erreicht werden. Allein im Gebäudebetrieb wird über ein Drittel der Endenergie verwendet, weswegen die Verbesserung der Energieeffizienz der Gebäude und Gebäudetechnik eine wichtige Säule der Energiewende darstellt. Bislang fehlt es jedoch an nachhaltigen und wirtschaftlichen Systemansätzen, die eine effiziente Energieversorgung und einen nachhaltigen Gebäudebetrieb gewährleisten. Am Energie Campus Nürnberg (EnCN) der Technischen Hochschule Nürnberg arbeitet ein interdisziplinäres Forscherteam gemeinsam an Systemlösungen für den Bau und Betrieb energieeffizienter Gebäude. Das Team vereint Kompetenzen aus den Bereichen Gebäudetechnik, Elektrotechnik, Bauphysik und Werkstofftechnik. In ihren Forschungsarbeiten werden Komponenten, Verfahren, Prozesse und Werkstoffe für energetisch kostenoptimierte Gebäude und Gebäudesysteme entwickelt. Durch den Forschungsschwerpunkt Energieeffiziente Gebäude sollen auch zukünftig derartige Lösungen erarbeitet und vertieft werden.

 

ERTRAGSKONTROLLE UND -VORHERSAGE VON SOLARPARKS DURCH INTELLIGENTES QUALITÄTSMANAGEMENT

Photovoltaikanlagen liefern einen relevanten Beitrag zur deutschen Stromversorgung und sind eine wichtige Säule der Energiewende. Jedoch erzeugen die PV-Module nicht immer so viel Strom wie vom Hersteller vorgesehen. Fast die Hälfte aller Module weisen Fehler wie potentialinduzierte Degradation und Risse auf. Aber auch Verschmutzung und Glasbruch tragen zu einer Leistungsverminderung bei. Wie diese Modul- und Komponentenfehler die Gesamtperformance und -lebensdauer bei realen Betriebsbedingungen beeinflussen, ist bislang nicht bekannt. Im Projekt soll deshalb eine geeignete Mesmethode entwickelt werden, die es ermöglicht Solarparks sicher, effizient und mit maximalem Ertrag zu betreiben.

LAST- UND STROMSPEICHER-MANAGEMENT IN ZELLULAREN ENERGIESYSTEMEN

Erneuerbare Energien nehmen eine immer größer werdende Rolle bei der Elektrizitäts- und Energieversorgung ein. Vor allem der aus PV-Anlagen gewonnene Solarstrom unterliegt wetterabhängigen starken Schwankungen. Zusammen mit den typischen Lastprofilen von Kälte- und Wärmepumpen, zur Wärmeversorgung, steigt die Belastung der Verteilernetze. Die Netze müssen zeitgleich genauso viel Strom zur Verfügung stellen, wie verbraucht wird. Um dies zu ermöglichen muss entweder der Stromerzeuger oder die Nachfrage gesteuert werden. Die Steuerung der Nachfrage (Lastenmanagement) ist dabei wirtschaftlich sinnvoller. Aktuelle Last- und Energiemanagementsysteme ermöglichen bereits einen Datenaustausch in Echtzeit zwischen den Komponenten eines Systems (Batterie, Wechselrichter, Schaltgeräte). Darüber hinaus können die einzelnen Systeme mit Energieanlagen, wie PV- und Windanlagen, und anderen Stromerzeugern kommunizieren. Im Projekt soll eine modellprädiktive Regelung entwickelt werden, die es ermöglicht weitere Informationen, wie Wetterdaten, in das Last- und Energiemanagement einfließen zu lassen.

 

AKTIVE GATE-ANSTEUERUNG FÜR SICHERE LEISTUNGSELEKTRONIK

Mit dem Fortschreiten der Energiewende und der Elektromobilität stehen auch viele systemrelevante, leistungselektronische Bauteile vor neuen Herausforderungen. So gehen neben den Umrichtern der Antriebstechnik einerseits kleinere Stromrichter, die beispielsweise in Form von Solarwechselrichtern vorkommen, und andererseits Umrichter größter Leistungen etwa für AC/DC bzw. AC/AC-Netzkupplungen in immer größerer Zahl in Betrieb. Um bei unerwünschten Betriebszuständen wie einem Kurzschlussfall die ökonomischen Verluste gering zu halten sowie die Stabilität des Stromnetzes sicherzustellen, ist bisher für jeden Stromrichter ein eigenes Sicherheitskonzept vorzusehen. Ist die Schutzvorrichtung fehlerhaft dimensioniert, ist ein sicherer Betrieb des Stromrichters durch die Leistungselektronik selbst oft nicht gewährleistet und es müssen im Fehlerfall übergeordnete Schutzmechanismen wie beispielsweise elektro-mechanische Leistungsschalter wirksam werden. Im Projekt „Intell-IC“ des Instituts ELSYS der Technischen Hochschule Nürnberg soll deshalb in Kooperation mit SEMIKRON Elektronik GmbH & Co KG eine intelligente Ansteuerung entwickelt werden, die den Zustand des Leistungshalbleiters bestimmt und frühzeitig passend reagiert.

 

ENTWICKLUNG EINES MULTIFUNKTIONALEN FASSADENELEMENTES MIT HOHEM VORFERTIGUNGSGRAD

Rund ein Viertel der Energie in Deutschland wird in privaten Haushalten verbraucht. Der größte Teil wird dabei für die Heizung der Wohnräume verwendet. Für die Energiewende ist es daher notwendig, die Energieeffizienz im Gebäudesektor zu erhöhen und verstärkt erneuerbare Energien einzusetzen. Die Fassade übernimmt als Abschluss der Gebäudehülle eine ganze Bandbreite an Funktionen. Sie dient u. a. als Witterungsschutz, stellt Wärme- und Schalldämmung sicher und bildet somit eine wichtige Voraussetzung für die Schaffung eines angenehmen Innenraumklimas. Im Verbundprojekt Fassade³ wird deshalb ein modulares, vorgefertigtes Fassadenelement entwickelt, das mehrere Funktionen vereint.

MODELLBASIERTE UND INTELLIGENTE KLEINANTRIEBSTECHNIK 

Die kontinuierlich zunehmenden Anforderungen an die Kleinantriebstechnik sowie der stark wachsende Markt im Bereich von Industrie 4.0 erfordert eine zunehmende Steigerung der Performance, der Effizienz und der Flexibilität. Im Forschungsvorhaben MIKA soll durch die ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems die Steigerungen der Energieeffizienz und Dynamik sowie die Berücksichtigung neuer Optimierungskriterien durch intelligente und modellbasierte prädiktive Regelungsmethoden (MPC) im industriellen Umfeld entwickelt und erprobt werden. Das Vorhaben soll Aussagen zur Anwendbarkeit von modellbasierten prädiktiven Regelungsmethoden in der Kleinantriebstechnik liefern. Neben der Energieeffizienz und Flexibilität werden auch Dynamiksteigerungen sowie ein verbessertes Störverhalten (z.B. bei mechanischen Schwingungen) angestrebt. Hierfür soll im Projekt eine flexible Hardware und intelligente Regelalgorithmen für den Betrieb von rotatorischen und translatorischen Kleinantrieben entwickelt werden.

 

BETRIEBSANALYSEN UND OPTIMIERUNG MECHATRONISCHER ANTRIEBSSTRÄNGE

Internationale gesetzliche Regelungen, die europäischen Klimaschutzziele und die von der Bundesregierung geforderte Energiewende verlangen verbesserte und neue Konzepte im Bereich der Energietechnik. Aktuell stellen elektrische Antriebe mechatronischer Antriebssysteme den größten Anteil des Gesamtstrombedarfs der deutschen Industrie dar. Somit werden optimierte Antriebskonzepte erforderlich, die eine Steigerung der Gesamtwirkungsgrade bewirken und so Energie und Kosten sparen. Für die Industrie bedeutet das in der Praxis verlässliche und präzise Aussagen zur Energieeffizienz ihrer Anlagen treffen zu können. Neben einer positiven Energiebilanz kann das zudem einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil für die Unternehmen bedeuten. Das Forschungsprojekt BOMA hat dazu effiziente, kostengünstige und zugleich dynamische Antriebe ohne Selten-Erde Magnete mit geeigneter Entwurfsmethodik entwickelt, welche Energieeinsparungen von bis 20 % erzielen können.

 

INTELLIGENTE UND EFFIZIENTE BATTERIESYSTEME FÜR DIE E-MOBILITÄT VON MORGEN

Mit der Hightech-Strategie „2020“ strebt die Bundesregierung unter anderem das Ziel an, Deutschland als Leitmarkt für Elektromobilität zu etablieren und bis zum Jahre 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf deutsche Straßen zu bringen. Die Industrie soll dabei ein wettbewerbsfähiger, im Weltmarkt führender Anbieter für elektrisch betriebene Fahrzeuge und deren Komponenten werden. Eine wesentliche Schlüsselkomponente dieser umwelt- und industriepolitischen Zielsetzung sind die Batteriesysteme. Energieinhalt, Leistungsdichte und Regelungstechnik bestimmen dabei Gewicht, Zuverlässigkeit und Kosten von Elektrofahrzeugen. Ohne alltagstaugliche und erschwingliche Batteriesysteme bleiben Elektroautomobile jedoch eine Nischenanwendung – Gesellschaft und Industrie würden weiter auf herkömmliche Antriebe und damit auf die Nutzung endlicher Ressourcen angewiesen sein. Das Forschungsprojekt IntelliBat hat dazu ein modulares und skalierbares Batterielade- und Balancingsystem entwickelt, welches erstmals die Steuerung der Lade- und Entladefunktionen auf Einzelzellenbasis regelt. Mit intelligenter Vernetzung bietet IntelliBat ein leistungsfähiges und gleichzeitig kostensparendes System.

 

KASKADENMASCHINE ALS GENERATOR FÜR DIE DEZENTRALE REGENERATIVE ENERGIEERZEUGUNG

Der Ausbau erneuerbarer Energien schreitet im Zuge der Energiewende bereits mit großen Schritten voran. So gilt es, besonderes Augenmerk auf Energieeffizienz und Kosten zu legen. Stetige Entwicklungen, wie zum Beispiel der Ausbau vieler kleiner dezentraler Systeme statt großer zentraler Energieerzeuger, stellen den Bereich der Energietechnik stets vor neue Aufgaben. So werden innovative Generatorkonzepte erforderlich, die diesen Anforderungen gerecht werden. Die Lösung könnte dabei in einer effizienten und kostenoptimierten Antriebstopologie liegen. Aktuell werden bei dezentralen und regenerativen Kleinkraftwerken, wie Wind-, Wasser- und Organic-Rankine-Cycle-Anlagen (ORC), spezielle Generatortypen verwendet, die unterschiedliche Merkmale besitzen, wie beispielsweise Schleifringe, eine große Umrichterleistung oder die Verwendung von teurem Magnetmaterial. Diese wirken sich jedoch nachteilig auf das Betriebsverhalten oder die Herstellungs- bzw. Wartungskosten aus. Eine energieeffiziente und gleichzeitig kostengünstige Alternative bieten hier drehzahlvariable Generatortypen, welche ohne den Einsatz von Magnetmaterialien und Schleifringen hergestellt werden können. Das Forschungsprojekt KasKaEE hat dazu ein neuartiges Generatorkonzept für dezentrale regenerative Kleinkraftwerke entwickelt, welches eine hohe Einspeisequalität, Energieeffizienz und Kostenoptimierung verspricht.

 

VERNETZTES KOMPENSATIONSSYSTEM ZUR NETZSTABILISIERUNG

Deutschland wird weltweit als Vorreiter im Umbau der Energieversorgungssysteme hin zu erneuerbaren Energien angesehen. Mit der Energiewende in Deutschland wird ein Umbau der gesamten Netz-Infrastruktur erforderlich. Eine zwangsläufige Erhöhung der Strompreise bei gleicher Versorgungssicherheit soll laut Bundesregierung vermieden werden. Die erforderlichen Investitionen in neue Versorgungsleitungen werden auf 30 - 60 Mrd € bis zum Jahr 2022 geschätzt. Dies wird zwangsläufig zu einer Erhöhung der Strompreise in Deutschland führen. Die dezentrale Energieversorgung birgt jedoch auch Risiken. So ist zum Beispiel kein kontinuierlicher und gerichteter Energiefluss vom Erzeuger zum Verbraucher vorhanden und aufgrund der räumlichen Trennung von Erzeuger und Verbraucher ist eine lange Anschlussleitung notwendig, welche eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung mit sich bringt. Das Verbundprojekt KOSYNET kann dazu beitragen, die Investitionen für den notwendigen Ausbau der Netze möglichst gering zu halten und Belastungen für die Volkswirtschaft zu verringern. Es wird erwartet, dass sich bis zu 20% des Investitionsbedarfes für den Ausbau eines Ortsnetzes einsparen lassen. Die TH Nürnberg hat im Teilprojekt „Model Ortsnetz“ ein Rechenmodell für den aktuellen Betrieb eines gewählten Versuchsnetzes entwickelt, welches einen geschlossenen und räumlich verteilten Regelkreis für die Blindleistung im Netz ermöglicht und somit zur Verbesserung des Übertragungsverhaltens und der Spannungsqualität von Stromnetzen beiträgt.

 

ENTWICKLUNG EINES MODULAREN AC/DC STROMRICHTERSYSTEMS

Ob in Netzteilen für elektronische Geräte, Elektroantrieben für Kraftfahrzeuge, Elektronik in Smart Homes oder in digitalisierten Fertigungsprozessen in der Industrie – die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) ist in zahlreichen Anwendungen notwendig. Die dazu verwendeten Stromwandler oder Stromrichter müssen dabei elektrischen, mechanischen und thermischen Belastungen standhalten und darüber hinaus über Jahre ausfallfrei funktionieren. Gerade in kommerziellen beziehungsweise industriellen Anwendungen, wie zum Beispiel der Erzeugung regenerativer Energie, sind dies Voraussetzungen, die erfüllt werden müssen. Das Forschungsprojekt hat dazu ein AC/DC-Stromrichtersystem entwickelt, welches verschiedene Anwendungsmöglichkeiten hat, besonders energieeffizient ist und eine hohe Lebensdauer aufweist.

 

TRINK- UND KÜHLWASSERVERSORGUNG DURCH PHOTOVOLTAIK-STROM MIT EFFIZIENTER ANLAGENTECHNIK

Photovoltaikanlagen (PV) sind energieeffiziente Stromlieferanten, die längst Einzug in den privaten und öffentlichen Haushalten gehalten haben. Durch ihre verschiedenen Einsatz- und Kombinationsmöglichkeiten mit weiteren Versorgungsanlagen können sie u.a. zur Wärme- oder Wasserbereitstellung genutzt werden und so Kosten wie auch Energieverbrauch reduzieren. Obwohl die gängigen Methoden bereits seit vielen Jahren angewandt werden, kommt es bei der Kombination mit Pumpanlagen dennoch häufig zu Verlusten bei der Energiewandlung. Auch bei der Steuerung und Regelung der Erzeugungs- und Verbrauchskomponenten gibt es bis heute Defizite, die einen optimalen Betriebsablauf und damit die Energieeffizienz drosseln. Das Forschungsprojekt TEA hat hierfür ein Gesamtsystem entwickelt, das durch die perfekte Abstimmung von Erzeugungs- und Verbrauchsanlage sowie die Entwicklung neuer Steuer- und Regelkonzepte eine Deckungsrate von über 80 % erzielt.

 

ENTWICKLUNG EINER „SYSTEM-ON-A-CHIP“ ECHTZEITBERECHNUNGSPLATTFORM ZUR REGELUNG LEISTUNGSELEKTRONISCHER SYSTEME

Beim Betrieb und der Regelung von elektrischen Maschinen wird, neben einer passenden Leistungselektronik, auch eine geeignete Rechen-Elektronik (Control-Board) benötigt. Die aktuellen Entwicklungen in der Leistungselektronik gehen in Richtung schnell schaltender Bausteine, während die im kostensensiblen Automotive-Bereich verfügbare Rechenleistung stark ansteigt. Dadurch lassen sich Antriebsregelungen realisieren, die zuvor nicht möglich waren. Dazu gehören unter anderem Hochdrehzahlantriebe (>100.000 rpm), ausfallsichere Mehrphasen-Antriebe, Akustik-Design von Antrieben sowie iterativ lernende Oberschwingungsunterdrückung. Im Rahmen von Forschungsvorhaben werden die Leistungselektronik und das Control-Board meist von den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Jedoch hat derzeit keiner der Partner ein Control- Board, mit dem solche Untersuchungen durchgeführt werden können. Um Projektanfragen, die ein hoch performendes Control-Board benötigen trotzdem zu bewältigen, wurde in dem vorangegangen Vorlaufforschungsprojekt „SoC-R“ bereits eine Rechner-Plattform entwickelt, die einen System-on-Chip (SoC) Baustein nutzt. Jedoch kann dieses Control-Board nicht unverändert eingesetzt werden, da einige wichtige Features nicht vorgesehen sind. Im Vorlaufforschungsprojekt CoBo soll deshalb, die im „SoC-R“ entstandene Rechnerplattform weiterentwickelt werden.

 

TROCKNERSTRASSE ZUR ENERGIEVERBRAUCHOPTIMIERTEN WÄSCHETROCKNUNG

Das Statistische Bundesamt registrierte im Berichtsjahr 2010 in Deutschland 3.800 Wäschereien und chemische Reinigungen. Der Gesamtenergieverbrauch in Wäschereien liegt laut Studie bei rund zwei Kilowattstunden (kWh) pro Kilogramm Wäsche, wobei 90 % der Gesamtenergie zur Wärmeerzeugung dienen. Obwohl jede der untersuchten Wäschereien über Anlagen zur Rückgewinnung aus Abwasser oder Anlagen zur Wasser-Wiederverwendung verfügen, war die Abwärmenutzung von Wäschetrocknern nur in einem Betrieb und dort bei lediglich vier von insgesamt 28 Wäschetrocknern installiert. Angesichts dieser Zahlen wird das enorme Optimierungspotenzial, das in vielen Wäschereien hierzulande steckt, deutlich. Um dieses Optimierungspotenzial auszuschöpfen und für industrielle Anlagen verfügbar zu machen, wurde ein neues Forschungsprojekt an der Technischen Hochschule Nürnberg gegründet. Dabei verfolgt das Projekt „Kontinuetrockner“ die Idee, den Trocknungsprozess auf mehrere, nacheinander geschaltete Module aufzuteilen und durch intelligente Lösungen Wärme weiterzuverwenden, die bislang in Wäschereinen ungenutzt abgeführt wurde. So wird im Rahmen des Forschungsprojekts eine neuartige Trocknerstraße bis hin zum erprobten Trocknertyp entwickelt.

BETRIEB EINES SMART-GRID-CLUSTERS ALS VIRTUELLES KRAFTWERK UNTER BERÜCKSICHTIGUNG EINER BSI-KONFORMEN KOMMUNIKATIONSINFRASTRUKTUR

Der Ausbau der dezentralen Energieversorgung ist ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Ob Blockheizkraftwerke und Windparks in größeren Anlagen oder die Photovoltaikanlage auf dem Dach des Wohngebäudes: Dezentrale Energieerzeuger sind darauf ausgelegt, Strom für Verbraucher in der näheren Umgebung zu produzieren. Trotz all der Vorteile die erneuerbare Energien mit sich bringen, stehen vor allem die Verteilernetze vor wachsenden Herausforderungen. Um Leistungsschwankungen auszugleichen und eine hohe Netzqualität zu gewährleisten, werden in sogenannten Smart-Grids Erzeugung, Speicherung und Verbrauch zentral gesteuert. Im Projekt Smart-Grid-Cluster sollen mehrere solcher intelligenten Verteilernetze zu einem virtuellen Kraftwerk ausgebaut werden.

 

ENTWICKLUNG EINER MODULAREN ENERGIEMANAGEMENTLÖSUNG FÜR KLEINE UND MITTLERE UNTERNEHMEN ALS MEHRWERT IM ZUGE GANZHEITLICHER DIGITALER TRANSFORMATION

In der Industrie tritt der Klimaschutz immer mehr in den Fokus. Durch die Verbesserung der Energieeffizienz, CO2-Emissionen und Nutzungsqualitäten von Produktionsgebäuden entstehen sowohl positive Auswirkungen auf die Umwelt als auch Kostenersparnisse für die Unternehmen selbst. Im Schnitt liegen die Einsparpotentiale zwischen fünf und zwanzig Prozent. Die Industrie in Deutschland ist vor allem durch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) gekennzeichnet: Sie machen 99.3 % aller Unternehmen aus und beschäftigen weit über die Hälfte der Erwerbstätigen. Gerade kleine und mittlere Unternehmen schöpfen jedoch ihr energetisches Potential nicht aus. Oft fehlen die nötigen Fachkenntnisse um Effizienzpotentiale zu erkennen, diese zu bewerten und zu heben. Aber auch ein geringer Investitionsrahmen und Sorge vor Fehlinvestitionen tragen dazu bei, dass Potentiale nicht ausgenutzt werden. Im Projekt KMU+ soll deshalb, eine modulare Energiemanagementlösung für kleine und mittlere Unternehmen entwickelt werden.

MEASUREMENT OF VIBRATIONS IN MECHATRONIC SYSTEMS

Die Energietechnik ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt der Technischen Hochschule Nürnberg. Das Institut für leistungselektronische Systeme (ELSYS) der TH Nürnberg und der Energie Campus Nürnberg (EnCN) leisten mit ihren Forschungsarbeiten im Bereich der effizienten elektrischen Antriebstechnik einen wichtigen Beitrag zur Energieforschung. Durch ein umfangreiches Mess- und Prüfequipment deckt die TH Nürnberg den gesamten elektrischen Antriebsstrang, von der Leistungselektronik über Regelungstechnik bis hin zur elektrischen Maschine und ihrem Betriebszustand ab. Die Forschungsarbeiten im Bereich des Schwingungsverhaltens von elektrischen Antrieben sind jedoch durch die vorhandene Messtechnik begrenzt. Im Projekt soll diese Lücke durch die Erweiterung der Schwingungsmesstechnik geschlossen werden.

 

Wasserkraftschnecken zur Energieumwandlung Detailuntersuchung zur Steigerung des Wirkungsgrades

Archimedes von Syrakus erfand bereits etwas 250 Jahre vor Christus die nach ihm benannte Archimedische Schraube. Diese wurde lange Zeit zur Bewässerung und Wasserförderung genutzt. Ab den 1990er Jahren wurde diese Idee von Archimedes neu aufgegriffen, da diese die potentielle Energie des Wasser in kinetische Energie umwandeln kann. Diese potentielle Energie wird anschließend in für uns nutzbare elektrische Energie umgewandelt.Viele Standorte besitzen nicht genutztes energetisches Potential, welches durch den Neubau von Wasserkraftanlagen abgeschöpft werden kann. Wasserkraftschnecken scheinen für diesen Einsatzzweck besonders geeignet, da sie wartungsarm, weitgehend verstopfungsfrei und zumindest in Fließrichtung fischverträglich sind. Forschungen legen nahe, dass der Gesamtwirkungsgrad bei gut 69 Prozent liegt. Erkenntnisse der Universität Wien zeigen, dass im hydraulischen Bereich eine theoretische Leistung mit einem Wirkungsgrad von 96 Prozent erreicht werden kann.