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22.03.2019 | Kategorien TEC News

Karriere in der Forschung … wenn die Masterthesis der Start dazu ist!

tec/pr-krk, Thomas/Kindermann

Maschinenbau-Masterstudent wird mit dem Otto-Johannsen-Preis vom Campus Reutlingen e. V. dem Förderverein der Hochschule Reutlingen ausgezeichnet

Am Reutlinger Energiezentrum (REZ) beschäftigen sich seit mittlerweile fünf Jahren verschiedene Forschungsprojekte mit der Entwicklung von Steuerungsalgorithmen, die es erlauben, den Betrieb von Blockheizkraftwerken (BHKW) und Wärmepumpen optimal auf das Angebot von regenerativ erzeugtem Strom aus PV- und Windkraftanlagen abzustimmen. Federführend ist dabei Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas.

Zum Semesterende wurde Rainer Maier, einer seiner Maschinenbau-Masterstudierenden, für seine Masterarbeit „Test und Optimierung einer Steuerungsalgorithmik für Wärmepumpen zur Nutzung der Flexibilität eines Wärmespeichers mit Rapid Control Prototyping (RCP) und SG Ready“ mit dem Otto-Johannsen-Preis ausgezeichnet.

Für beide, Professor und Student, der beste Beweis, dass Rainer Maiers Masterthesis den Kriterien für den Otto-Johannsen Preis in bester Weise gerecht wurde: „Der praktische Bezug steht nicht nur aufgrund der Anwendung an einer praktischen Laboranlage, sondern insbesondere durch die mit der Anwendung des SG ready Standards erreichten Übertragbarkeit auf andere Wärmepumpentypen außer Frage. Da entsprechende Lösungen bislang auf dem Markt nicht verfügbar sind, ist die Lösung gleichermaßen innovativ wie auch für die Weiterentwicklung der Steuerungsalgorithmik von Bedeutung.“

Konkret bedeutet das, BHKW sollen möglichst immer dann betrieben werden, wenn kein regenerativer Strom vorliegt; bei Wärmepumpen ist es gerade umgekehrt, hier sollte der Betrieb immer zu Zeiten mit hohem Angebot an PV- und Windstrom erfolgen. Um die von beiden Aggregaten erzeugte Wärme nach wie vor bedarfsgerecht nutzen zu können, ist ein Wärmespeicher erforderlich. Durch intelligente Ausnutzung und vorausschauende Be- und Entladung des Wärmespeichers kann der zuvor beschriebene Betrieb erreicht werden, und die entwickelte Steuerungsalgorithmik zielt darauf ab.

Der nächste konsequente Schritt in der Weiterentwicklung dieser Algorithmen ist die Erprobung in der Praxis, und hier hat es sich bewährt, zunächst die Steuerungsalgorithmik in der Entwicklungsumgebung auf dem PC zu belassen, und mit realer Hardware im Labor zu verbinden. Diese Verfahren sind als Rapid Control Prototyping (RCP) und als Software oder Hardware-in-the-Loop (SiL / HiL) in der Steuerungsentwicklung bekannt.

Dieser Aufgabe hat sich Rainer Maier im Rahmen seiner Masterarbeit gestellt und das RCP-Verfahren am Wärmepumpenprüfstand der Hochschule in der Betriebshalle (Geb. 1) erstmals zur Anwendung gebracht. Er hat dazu eine Wärmepumpe mit angeschlossenem Wärmespeicher auf der einen und den in MATLAB programmierten Steuerungsalgorithmus auf der anderen Seite vorgefunden. Herr Maier hat es im Folgenden verstanden, den wechselseitigen Signalaustausch zwischen diesen beiden Seiten über mehrere Schnittstellen zu implementieren. Dafür war der Einsatz verschiedenster Softwaretools ebenso erforderlich, wie die Entwicklung einer Relais-Steuerung auf der untersten Ebene, was Herr Maier aufgrund seiner sehr guten fachlichen Kenntnisse selbständig und erfolgreich umsetzen konnte.

„Als Besonderheit ist zu nennen, dass er nicht damit zufrieden war, die steuerungstechnische Verbindung allein auf die Randbedingungen der Laboranlage abzustimmen. Stattdessen hat er sich am allgemeinen Standard „SG ready“ orientiert, der vom Bundesverband Wärmepumpe (BWP) herstellerübergreifend entwickelt wurde, um Wärmepumpen allgemein für den Einsatz in Smart Grids zu qualifizieren,“ freut sich Professor Thomas.

Das Ergebnis ist eine äußerst praxisgerechte Lösung, die ohne weitere Anpassungen auf andere Wärmepumpen übertragen werden kann, die das SG ready-Label tragen. Zudem stellt diese Möglichkeit die Innovation der erarbeiteten Lösung dar, da die Anknüpfung intelligenter Steuerungsalgorithmen an Wärmepumpen über SG ready noch im Anfangsstadium steckt, und es am Markt noch keine vergleichbaren Lösungen gibt.

Parallel zu den steuerungstechnischen Fragestellungen hat sich Rainer Maier Gedanken über die praktische Erprobung seiner Lösung am Prüfstand gemacht und entsprechende Prüfroutinen und Testszenarien entwickelt. Während er bei der Umsetzung der praktischen Erprobung verschiedenste Hürden am Prüfstand, wie die Nachrüstung von elektrischen Ventilen zur Trennung der Wärmepumpen-Rückläufe, die Einstellung und Abstimmung von PID-Regelkreisen etc. mit Bravour gemeistert hat, konnte er durch eine ausgedehnte Literaturrecherche zu ähnlichen Anwendungen und Aufbauten ein entsprechendes Prüfverfahren entwickeln.

„Im Endeffekt ist es mir gelungen, meine aufgebaute RCP-Umgebung anhand von drei Testläufen über jeweils 24 Stunden für die Heizlast- und PV-Profile eines Wintertages, eines Sommertages und eines Übergangstages erfolgreich zu erproben. Die Wärmepumpe konnte dabei jeweils mit den vom Steuerungsalgorithmus auf dem Entwicklungsrechner generierten optimalen Fahrplänen über die SG ready-Schnittstelle angesteuert und die Reaktion der Hardware in Form von Speichertemperaturen zur Optimierung des Fahrplans für den nächsten Tag an den Algorithmus zurückgeleitet werden,“ erklärt Maier nicht ohne Stolz, denn damit steht im Labor der Hochschule ab sofort eine RCP-Umgebung zur Verfügung, die es erlaubt, Modifikationen an dem Steuerungsalgorithmus sofort und ohne größeren Vorbereitungsaufwand an einer realen Anlage zu testen und zu verifizieren. Dies bedeutet einen wesentlichen Zugewinn für die zukünftigen Entwicklungsarbeiten bis hin zu der Möglichkeit, weitere Forschungsprojekte der öffentlichen Hand sowie konkrete Auftragsforschungsprojekte in Zusammenarbeit mit Firmen, die an der Übernahme und Vermarktung des Algorithmus interessiert sind, zu akquirieren.

Kein Wunder, dass die Ergebnisse dieser Masterarbeit als Präsentation auf der International Regenerative Energy Storage (IRES) Conference in Düsseldorf (12.-14.3.2019) angenommen worden sind. Und parallel zu dieser Konferenz wird eine Publikation vorbereitet, die in einem peer reviewed Journal zur Veröffentlichung angemeldet werden soll. Und da aller guten Dinge drei sind, konnte Professor Bernd Thomas seinen Master-Studierenden, Rainer Maier, auch gleich als akademischen Mitarbeiter für die Bearbeitung eines Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit der Universität Hohenheim gewinnen.

Hier geht es zur Bildergalerie der festlichen Verabschiedung und Ehrung der Preisträger!