Gruppe Energy

 

Der Zuwachs des Anteils erneuerbarer Energien auf dem europäischen Energiemarkt ist mit vielen technischen und ökonomischen Herausforderungen verbunden. Bei vielen Fragestellungen rund um die Versorgungssicherheit oder die Cost-of-Energy, kurz CoE spielt die Regelungstechnik eine immer wichtigere Rolle.Die Gruppe Energy entwickelt dazu Lösungen für regelungstechnische Probleme im Bereich Energietechnik. Dies umfasst die Regelung und Steuerung regenerativer und moderner fossiler Kraftwerke ebenso wie die Regelung und Optimierung speicherbasierter Energiesysteme.

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Thomas Konrad

Gruppenleiter Energy

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Schwerpunkt: Windenergie

Ein Forschungsschwerpunkt der Gruppe Energy liegt auf dem Themenkomplex Windenergie. Hierbei stehen sowohl die Regelung einzelner Windenergieanlagen und Parks als auch die Entwicklung und Umsetzung multi-physikalischer Hardware-in-the-Loop Systeme für Windenergieanlagen Teststände im Fokus.

Da die Windenergie ein interdisziplinäres Forschungsfeld ist, kooperiert das Institut für Regelungstechnik als Mitbegründer des Center for Wind Power Drives, kurz CWD der RWTH Aachen eng mit den Hochschulvertretern der verwandten Disziplinen.

  Windräder RWTH

Die Regelung einer Windenergieanlage verfolgt grundsätzlich zwei gegenläufige Ziele:

  • die Maximierung des Ertrags und
  • die Minimierung der Belastung.

Windenergieanlagen und die dazugehörige Regelungsaufgabe zeichnen sich dabei durch folgende Eigenschaften aus:

  • Die Windenergieanlage ist ein nicht-lineares System und
  • verfügt über mindestens zwei Stellgrößen: Generatormoment und Anstellwinkel der Rotorblätter. Regelungstechnisch handelt es sich daher um ein Mehrgrößensystem.
  • Das Regelungsproblem wird maßgeblich durch die schwer messbare Störgröße Wind bestimmt. Die Regelungsaufgabe kann daher als Störgrößenunterdrückung aufgefasst werden. Dies bedeutet hier, dass der turbulente, energiearme Anteil des Windes, möglichst geringen Einfluss auf die abgegebene Leistung und die Belastungen ausübt.

Gemeinsam mit Industrie- und Hochschulpartnern werden neuartiger Regelungsverfahren für Windenergieanlagen entwickelt, mit dem Ziel diese in die industrielle Praxis zu überführen. Dabei stehen folgende Themen und Methoden im Fokus:

  • Die Entwicklung adaptiver Modellbasierter Prädiktiver Regelungen zur Lastreduktion im Rotorblatt, im Turm oder im Antriebstrang
  • Die Nutzung von Windfeldprädiktionen in Prädiktiven Regelungen und Vorsteuerungen
  • Der Entwurf von Beobachtern zur Schätzung der Anströmungsverhältnisse und anderer nicht messbarer Anlagengrößen
  • Der Aufbau reduzierter, echtzeitfähiger White-Box Modelle
  • Die Erprobung neuer Regelungen in Co-Simulationen mit anerkannten Simulationstools wie zum Beispiel FAST, Bladed, Simpack oder alaskaWind und Umsetzung auf Industriesteuerungen
  Gondelprüfstand der multi-MW Klasse CWD RWTH 4MW Hardware-in-the-Loop Systemen zum Testen von Windenergieanlagen

Innerhalb des Schwerpunkts Windenergie wird außerdem intensiv an multi-physikalischen Hardware-in-the-Loop Systemen zum Testen von Windenergieanlagen auf Gondelprüfständen der multi-MW Klasse, wie er in der Abbildung dargestellt ist, geforscht.

Die regelungstechnischen Herausforderungen physikalischer Hardware-in-the-Loop Systeme sind:

  • Die Kompensation der Eigendynamik der Testeinrichtung selbst, um eine exakte Aufprägung berechneter Belastungen auf die Anlage zu ermöglichen
  • Die Gewährleistung der Stabilität des geschlossenen, stets totzeitbehaftetem Simulationskreises
  • Die Emulation fehlender Komponenten, wie dem Rotor, mit dem Ziel die reale Anlagendynamik zu reproduzieren.
 

Schwerpunkt: Speicherbasierte 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 Energy dar.

  StorageSystem IRT

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-Differential-Gleichungen 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.
  SpecCosts IRT

In Zusammenarbeit mit Experten der Bereiche Speichertechnologien und Energiesysteme forscht die Gruppe Energy 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.

 

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!