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Projekt
Skalierbarer virtueller Prüfstand für die integrierte Auslegung und Steuerung von Wärmepumpen und thermischen Speichern in Carnot-Batterien: Smooth
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Dirk Müller; Dr.-Ing. Christian Vering
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526154539
Die Energiespeicherung ist für dezentralisierte Energiemärkte mit einem hohen Anteil an Energie aus erneuerbaren Quellen unerlässlich. Daher ist es notwendig, umfangreiche Stromspeicherkapazitäten auf allen Ebenen einzubeziehen. Während elektrische Batterien in großem Maßstab begrenzt sind, sind Carnot-Batterien vielversprechende Technologien mit potenziellen Anwendungen in städtischen Energiesystemen. Carnot-Batterien können in Energiezentralen integriert werden. Wenn es einen Überschuss an Strom aus erneuerbaren Energiequellen gibt, speichert eine Carnot-Batterie diesen Überschuss. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Komponenten und dem Betrieb hängt die Effizienz des Systems jedoch stark von der Auslegung und den Reglern ab. Eine genaue Bewertung der wirtschaftlichen Machbarkeit von Carnot-Batterien erfordert daher integrierte Auslegungsansätze. Eine integrierte Auslegung der Komponenten und der Betriebsstrategie bereits in der frühen Entwurfsphase maximiert das Potenzial von Carnot-Batterien. Dieses Projekt (zwei Förderphasen) stellt einen fluid- und Teillast-abhängigen 1D-skalierbaren virtuellen Prüfstand bereit, der für den inversen Systementwurf und die Bewertung genutzt werden kann. In der ersten Förderphase werden Anwendungsfälle für Carnot-Batterien in städtischen Energiesystemen identifiziert. Dafür wird ein vereinfachtes Carnot-Batterie-Modell in ein Open-Source-Planungstool (EHDO) integriert. Basierend auf der mathematischen Optimierung des Designs und des Betriebs können Systemanforderungen abgeleitet werden. Der Fokus im Projekt ist der Ladeprozess, sodass Anforderungen an Wärmepumpen, thermische Speicher und Regler abgeleitet werden. Bestehende thermische Speichermodelle werden in Open-Source-Bibliotheken (AixLib/VCLib) integriert. Diese Modelle werden in Hardware-in-the-Loop-Experimenten verwendet. Der Versuchsaufbau ermöglicht die Analyse der Interaktion zwischen einer realen Wärmepumpe mit zwei Kältemitteln und zwei emulierten Wärmespeichern im Labormaßstab. Auf der Grundlage der experimentellen Validierung wird ein skalierbarer virtueller Prüfstand eingerichtet. In der zweiten Förderphase wird der virtuelle Prüfstand skaliert, um die optimale Auslegung im Maßstab eines städtischen Energiesystems zu bewerten. Dazu wird der virtuelle Prüfstand um ein Turboverdichtermodell erweitert. Mittels integrierter Optimierung werden die Auslegungs- und Regelparameter definiert und experimentell validiert. Im letzten Schritt wird der validierte virtuelle Prüfstand so skaliert, dass er dem Design des Planungswerkzeugs in der ersten Förderphase entspricht. Der vom Planungstool angenommene optimale Betrieb wird mit dem vom virtuellen Prüfstand Betrieb verglichen. Auf der Basis möglicher Abweichungen können iterativ Randbedingungen mit EHDO evaluiert werden. Die Kombination aus EHDO und skalierbarem virtuellen Prüfstand ebnen somit den Weg zu wirtschaftlich realisierbaren Carnot-Batterien in urbanen Energiesystemen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
