Automatisierungstechnik und Energiesystemtechnik

Mit dem Ausbau des Stromnetzes zu einem Smart Grid können intelligente Verbraucher zur Netzstabilisierung genutzt werden. So werden diese in Abhängigkeit zur Leistungsbilanz und Frequenz des Stromnetzes dynamisch ab- bzw. zugeschaltet. Smart Meter ermöglichen die notwendige Kommunikation zwischen Netz und Verbraucher. Das Management des Stromnetzes gelingt über Optimierung und wird als Energiemanagement bezeichnet. Analog ergibt sich das Energiemanagement für den Wärmesektor. Eine Sektorenkopplung der Strom-, Wärme- und Gasnetze sowie der Mobilität beschreibt das Gesamtenergiemanagement. Die Ansätze lassen sich auch auf die Haushalte übertragen und übernehmen damit die Aufgabe des Energiemanagements für ein Smart Home.

Eine geschicktes Lademanagement kann signifikant zur Steigerung der Eigenverbrauchs- und Autarkiequote führen und damit die Wirtschaftlichkeit des Gebäudeenergieverbrauchs steigern. Im Labor werden am Umwelt-Campus neue Verfahren erprobt, getestet und zur Marktreife gebracht. Für große Speichersysteme kann das Lademanagement und die Aufgabe der Primärregelung zur Stabilisierung der Netzfrequenz erweitert werden. Damit können weitere wirtschaftliche Potentiale gehoben werden.

Das Wasserstoffkompetenzzentrum des Umwelt-Campus Birkenfeld betreibt seit Jahren Forschung an Brennstoffzellen- und Elektrolysesystemen. Unterstützt wird die Arbeit durch verschiedenste Prüfsysteme auf Basis SPS-Basis. Moderne Methoden der Datenanalyse erlauben dynamische Prüfabläufe und unterschiedliche Skalierungsgrößen auf einer Prüftechnik. Die Forschung nach neuen Methoden im Bereich der Steuerungstechnik bietet großes Potential und wird am Umwelt-Campus Birkenfeld vorangetrieben.

Echtzeitsysteme kommen überall dort zum Einsatz, wo Prozesse gesteuert und/oder geregelt werden sollen. In der Regelungstechnik werden Sie gerne für Rapid-Prototyping-Untersuchungen eingesetzt. In der Industrie werden Echtzeitsysteme üblicherweise über eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) realisiert. Die meisten Echtzeitsysteme verwenden eine grafische Anzeige zur besseren Bedienung.

Die Automatisierung komplexer Prozessanlagen im Bereich der Fertigungstechnik und Prüftechnik ist für die Industrie zur unabdingbaren Aufgabe geworden. Gerade die SPS-Technik (Speicherprogrammierbare Steuerung) beschreibt hierbei eine der Schlüsselkomponenten für die Vernetzung und Automatisierung des gesamten Prozesses. Zusammen mit der sicherheitsgerichteten SPS (SSPS) wird so ein reibungsloser Ablauf der Prozesse gewährleistet.

Die Energiesystemtechnik befasst sich mit der Energieversorgung unter Betrachtung aller technischen, ökonomischen und ökologischen Randbedingungen. Sie beschreibt die Zusammensetzung verschiedener energietechnischer Komponenten (z.B. Kraftwerk, Kessel, Wärmepumpe, Kältemaschine, Wärmeübertrager, Speicher) zu einem gesamten Energiesystem.

Mit dem Ausbau des Stromnetzes zu einem Smart Grid können intelligente Verbraucher zur Netzstabilisierung genutzt werden. So werden diese in Abhängigkeit zur Leistungsbilanz und Frequenz des Stromnetzes dynamisch ab- bzw. zugeschaltet. Smart Meter ermöglichen die notwendige Kommunikation zwischen Netz und Verbraucher. Das Management des Stromnetzes gelingt über Optimierung und wird als Energiemanagement bezeichnet. Analog ergibt sich das Energiemanagement für den Wärmesektor. Eine Sektorenkopplung der Strom-, Wärme- und Gasnetze sowie der Mobilität beschreibt das Gesamtenergiemanagement. Die Ansätze lassen sich auch auf die Haushalte übertragen und übernehmen damit die Aufgabe des Energiemanagements für ein Smart Home.

Die Regelungstechnik spielt in nahezu allen automatisierten Prozessen eine zentrale Rolle. Gerade in der Industrie sind eine hohe Präzision und Arbeitsgeschwindigkeit unabdingbar. Nur durch eine entsprechend ausgelegte Regelung können die Anforderungen an Regelgüte und -performance ermöglicht werden.

Werden die Prozesse und Systeme unübersichtlich und komplex und/oder sind die Anforderungen an Regelgüte und -performance hoch, kommen üblicherweise modellbasierte Regelungen zum Einsatz. Gerade die modellprädiktiven Regelungen haben in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen.

Die modellprädiktive Regelung (engl.: Model Predictive Control (MPC)) hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Sind die Anforderungen an Regelgüte/-performance hoch und/oder soll ein optimales Betriebsverhalten unter Berücksichtigung von Beschränkungen ermöglicht werden, wird in der Regel auf modellprädiktive Regelungen zurückgegriffen. Durch die Berücksichtigung von Prognosen/Prädiktionen des Prozesses/Systemstörungen wird die MPC auch für unsichere Systeme wie Smart Grids interessant.

Lernende Regelungen haben durch die Entwicklungen im Bereich der künstlichen Intelligenz in den letzten Jahren einen großen Entwicklungssprung gemacht. Adaptive Regelungen sowie selbstlernende Regelungen (Self-Tuning) erlernen das Verhalten eines Systems und passen sich mit der Zeit optimal an den Prozess an. Sind die Prozessabläufe periodisch, können iterativ lernende Regelungen eingesetzt werden.

Die vorausschauende Wartung (engl. Predictive Maintenance) hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Gerade in der industriellen Fertigung, wo Stillstandszeiten teuer sind, ist das Interesse daran groß. Über einen digitalen Zwilling (engl. Digital Twin) werden hierbei die Parameter kritischer Systemkomponenten permanent überwacht und ein verschleißbedingter Wartungsstillstand rechtzeitig angezeigt. Der Wartungszeitraum kann damit rechtzeitig eingeplant und die Stillstandszeit reduziert werden.

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind in der Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken. Für die Industrie ist die SPS-Technik die zentrale Schnittstelle zur Automatisierung des gesamten Fertigungs- und Prüfprozesses. Aber auch in der Heimautomation hat die SPS-Technik in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen.

Sicherheitsgerichtete speicherprogrammierbare Steuerungen (SSPS) beschreiben die industrielle Lösung für das Thema Safety (Personenschutz). Die Auslegung und Umsetzung der SSPS nach Sicherheitsstufen ist eine der zentralen Aufgaben der SSPS-Technik. Eine Risikobewertung des Prozesses und danach gerichtete SSPS ist für viele Industrieanlagen erforderlich und ermöglicht damit eine CE-Zertifizierung.

Die Optimierung spielt gerade für moderne Regelungsverfahren (z. B. modellprädiktive Regelungen) eine zentrale Rolle. Zur Lösung von sogenannten Large-Scale Optimierungsproblemen wurden in den letzten Jahren leistungsfähige Löser (engl. Solver) entwickelt. Die permanente Weiterentwicklung dieser Optimierungslöser und die stetig steigende Leistung aktueller Prozessoren ist für die zunehmende Verbreitung der modernen Regelungsmethoden verantwortlich. Dezentrale Lösungsmethoden machen die Optimierung verteilter Systeme möglich (z.B. für das Energiemanagement eines Smart Grids).

Brennstoffzellensysteme bzw. Elektrolysesysteme spielen im künftigen Energiemix und in der Sektorenkopplung eine zentrale Rolle. Die Elektrolyse ermöglicht die Zwischenspeicherung überschüssiger elektrischer Energie. Über die Rückverstromung in der Brennstoffzelle kann ein Mangel elektrischer Energie ausgeglichen werden. Die zusätzlich entstehende Abwärme wird als Heizleistung genutzt.