Energieverfahrenstechnik

  Testfahrzeug unseres Partnerinstituts VKA zur Erprobung der Regelalgorithmen Urheberrecht: IRT

Die Gruppe Energieverfahrenstechnik forscht an innovativen, modellbasierten Regelungskonzepten, die einen effizienten und sicheren Betrieb von komplexen Energiesystemen ermöglichen. Moderne Energiesysteme besitzen zahlreiche, häufig miteinander gekoppelte Eingangs- und Ausgangsgrößen, sodass konventionelle Regelungsstrukturen das volle Potential der Systeme nur unzureichend ausnutzen. Die Gruppe Energieverfahrenstechnik entwickelt Lösungen für derartige regelungstechnische Probleme im Bereich der Energieumwandlung. Dabei liegen verschiedene Energiewandlungsmaschinen in unserem Fokus: Von der Regelung innovativer Niedertemperatur-Brennverfahren von Verbrennungsmotoren über Regelungskonzepte für Brennstoffzellen und deren Einsatz in mobilen und stationären Anwendungen bis hin zu Reglerentwicklungen für solarthermische Kraftwerke umfassen unsere Forschungsthemen ein breites Spektrum von Energiesystemen.

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Martin Keller

Gruppenleiter Energieverfahrenstechnik

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+49 241 80 28035

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Verbrennungsprozesse

Ein Forschungsschwerpunkt der Gruppe Energieverfahrenstechnik liegt auf dem Themenkomplex der Verbrennungsprozesse und Verbrennungsmotoren. Durch die Gemeinsamkeiten der verschiedenartigen Verbrennungsprozesse ergeben sich übergreifende Herausforderungen für die Regelungstechnik:

  • Verbrennungsprozesse sind nichtlinear.
  • Verbrennungsprozesse lassen sich durch Betrachtung der verschiedenen physikalisch-chemischen Prozesse wie Brennchemie, Strömungsmechanik und Thermodynamik physikalisch modellieren. Die entstehenden Modelle sind allerdings zu komplex für einen Zugang zur Anwendung in der Regelungstechnik. Daher müssen diese Modelle zum Zwecke der Regelung reduziert werden oder andere geeignete datengetriebene Modelle identifiziert werden.
  • Die Dynamik der Verbrennungsprozesse umfasst mehrere Zeitskalen. Der Prozess der chemischen Reaktionen bis zum dem Takt eines Motors decket mehrere Zeitskalen ab.
 
  Motorprüfstand zur Erprobung der Regelungen von Niedertemperaturbrennverfahren Urheberrecht: IRT Motorprüfstand zur Erprobung der Regelungen von Niedertemperaturbrennverfahren an unserem Partnerinstitut VKA
 
Erprobung der Luftpfadregler am Automotive Testing Center in Aldenhoven
 

Gemeinsam mit Industrie und Hochschulpartnern forschen wir an modernen, modellprädiktiven Regelungsverfahren für Verbrennungsprozesse, die über die in der industriellen Praxis verbreiteten Verfahren weit hinausgehen. Ein weiterer Fokus liegt auf der echtzeitfähigen Implementierung der Algorithmen auf Prototypensteuerungshardware sowie der experimentellen Erprobung an Prüfständen oder in Prototypenfahrzeugen.

  • Einsatz von echtzeitfähigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungen. Hierbei können systematisch das nichtlineare Verhalten und gleichzeitig neben der Folgeregelung auch die Einhaltung von Grenzwerten berücksichtigt werden.
  • Kombination von modellprädiktiven und iterativ-lernenden Regelungen für zyklische Prozesse.
  • Nichtlineare Blackbox-Identifikation für schwierig zu modellierende Prozessbestandteile
  • Erstellung von regelungsorientierten White-Box-Modellen.
  • Nichtlineare Beobachterkonzepte, um die nicht messbaren Größen schnell und zuverlässig zu schätzen.
 
 

Brennstoffzelle / Speicherbasierte hybride Energiesysteme

Um Schwankungen im Energieangebot zu kompensieren werden Speichersysteme zukünftig an Bedeutung gewinnen. Entscheidend für deren wirtschaftlichen Einsatz sind Regelungs- und Steuerungsstrategien, die neben den technischen auch ökonomische Aspekte, wie Preisschwankungen im Betrieb, berücksichtigen. Die Entwicklung solcher Regelungsverfahren für einen optimalen Speicherbetrieb stellt einen weiteren Forschungsschwerpunkt der Gruppe Energieverfahrenstechnik dar. Insbesondere wird dabei auch Möglichkeiten eines dynamischen Betriebs der Brennstoffzelle untersucht.

 

Prinzipiell werden Speicher in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt: in Industrieprozessen, in regenerativen Kraftwerken oder an zentralen Knotenpunkten im elektrischen Netz. Gemeinsam ist diesen Anwendungen, dass die Regelung mindestens folgende zwei Aufgaben erfüllen muss:

  • Technische Aufgabe: Energiedefizite ausgleichen
  • Ökonomische Aufgabe: Betriebskosten minimieren

Speichersysteme und die dazugehörige Regelungsaufgabe zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • Vielfach kann die eingespeicherte Energie in den unterschiedlichen Verbrauchssektoren Strom, Wärme oder Mobilität weiterverwendet werden, so dass es sich hierbei um Mehrgrößensysteme handelt.
  • Technologieabhängig stellen Speichersysteme nichtlineare oder verteilte Prozesse dar. Elektrolyse-Speicher-Systeme beispielsweise sind hochgradig nichtlinear, während thermische Speicher am besten durch partielle Differentialgleichungen beschreibbar sind.
  • Das Regelungsproblem ist durch stochastische Größen bestimmt, wie beispielsweise zukünftige Preis-, Einspeise- oder Nutzungsdaten. Eingesetzte Regelungsverfahren müssen mit diesen Unsicherheiten arbeiten können.
  • Die rein technische Betrachtung des Systems ist nicht zielführend und muss stets durch ökonomische Aspekte ergänzt werden.
 

In Zusammenarbeit mit Experten der Bereiche Speichertechnologien und Energiesysteme forscht die Gruppe Energieverfahrenstechnik an modernen Regelungsverfahren, die die oben genannten Anforderungen erfüllen. Ausgangspunkt derartiger Arbeiten sind Modellrechnungen zukünftiger Energieszenarien, wie sie beispielsweise dem „Energiekonzept 2050“ zugrunde liegen. Unsere Aktivitäten konzentrieren sich vorwiegen auf:

  • Die Entwicklung von Regelungskonzepten, die wirtschaftliche und technische Aspekte des Betriebs handhaben können. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten dieser Prozesse sind mehrstufige Konzepte zielführend.
  • Die Entwicklung physikalischer White-Box Modelle der Speicher- und Energiesysteme und systematische Reduktion dieser für die Nutzung in Echtzeitanwendungen.
  • Der Aufbau adaptiver Modellbasierte Prädiktiver Regelungen sowie gemischt-ganzzahliger und nichtlinearer Optimierungen, um damit den Speicherbetrieb in Echtzeit zu optimieren.
  • Die Nutzung unsicherer und beschränkter Preis- und Einspeisedatenvorhersagen mit dem Ziel Regelungsverfahren von praktischer Relevanz zu entwickeln und belastbare Aussagen über die Umsetzbarkeit von Energieszenarien zu generieren.
  Brennstoffzellenhybridprüfstand am IRT Urheberrecht: Heliocentris Brennstoffzellenhybridprüfstand am IRT  

Als Alternative zu reinen Batterie-basierten Antriebsstränge wird des Weiteren auch die Regelung der Brennstoffzelle selbst von der Gruppe Energieverfahrenstechnik untersucht. Dabei stellen neben der nichtlinearen Prozessdynamik auch die stark unterschiedlichen Zeitskalen besondere regelungstechnische Herausforderungen dar. Zur dynamischen Leistungsbereitstellung kommen daher hierarchische, nichtlineare modellprädiktive Regelungen zum Einsatz, welche die Betriebsgrenzen der Brennstoffzelle und der zur Luftversorgung notwendigen Nebenaggregate explizit berücksichtigen. Dadurch kann gegenüber einem quasistatischen Betrieb eine höhere Gesamteffizienz erreicht werden. Zur Validierung der Verfahren wird der eigene Brennstoffzellenhybridprüfstand eingesetzt, auf welchem die zugrundeliegenden Modelle validiert werden können.

 
 

Solarthermische Kraftwerke

Bei den solarthermischen Kraftwerken beschäftigt sich die Gruppe Energieverfahrenstechnik mit der Regelung von konzentrierenden Solarsystemen, genannt Concentrated Solar Power, kurz CSP, wie dem Solarturmkraftwerk. Dabei wird das Sonnenlicht mit mehreren tausend Spiegeln auf einem Receiver an der Spitze des Turms fokussiert. Die hohen Wärmestromdichten, die dabei entstehen, lassen sich auf vielfältige Weise nutzen, z.B. um über einen Wärme-Kraft Prozess Strom zu erzeugen oder in einem chemischen Prozess Wasserstoff zu produzieren.

 

Die Herausforderungen bei der Regelung

  • liegen in der Maximierung des Ertrags bei Einhaltung zulässiger Grenztemperaturen und Temperaturgradienten, die zu mechanischen Spannungen und Materialschäden führen können. Insbesondere Wolkendurchzüge mit stark wechselnden Strahlungsleistungen stellen kritische Betriebszustände dar.
  • Die Systeme sind nichtlinear verteilt-parametrisch.
  • Mit der Verteilung der Sonnenstrahlung durch die Spiegel und dem Stellen eines Massenstromes im Receiver handelt es sich um ein System mit mehreren Stellgrößen.
  • Ein Wolkenkamerasystem liefert durch Beobachtung der Wolken eine kurzfristige Vorhersage der Sonneneinstrahlung, die als Information mit Unsicherheiten zu berücksichtigen ist.

Zur Lösung der sich ergebenden Problemstellungen wird an der Anwendung verschiedener Methoden geforscht:

  • Modelbasierte Prädiktive Regelung und Anwendung robuster Verfahren
  • Einsatz von Beobachtern zur Schätzung nicht messbarer, kritischer Systemzustände
  • Entwurf von reduzierten, echtzeitfähigen White-Box und Black-Box Modellen
  • Verteilparametrische Entwurfsmethoden und Modellreduktionverfahren

 

Abschlussarbeiten und HiWi-Tätigkeiten

In all diesen Themenfeldern suchen wir ständig nach engagierten und motivierten Studenten für Abschlussarbeiten und HiWi-Tätigkeiten. Gerne können Sie sich initiativ bei uns bewerben!

 

Ausgewählte laufende Projekte

  • Regelung von GCAI-Verbrennungsmotoren
  • Rate-Shaping in Dieselmotoren
  • Luftpfadregelung für 2-stufig aufgeladene Ottomotoren mit Abgasrückführung
  • Energiemanagement für Diesel-Hybridfahrzeuge
  • DynaSalt-2 – Regelung des transienten einphasigen Betriebs von Salzschmelzreceivern
  • Integrierte Energieversorgungsmodule für straßengebundene Elektromobilität - mobilEM
  • Dynamische Modellierung und modellbasierte Regelung von PEM Brennstoffzellensystemen - DynaCell