Energie- und Brennstoffzellensysteme
Überblick
In den letzten Jahren hat sich unsere Professur intensiv mit der Wasserstoff- und Brennstoffzellenforschung beschäftigt, um die Herausforderungen effizienter, nachhaltiger und zuverlässiger Energiesysteme zu bewältigen. Aber warum ist die Regelung von Brennstoffzellensystemen so wichtig, und welche Rolle spielt unsere Forschung bei der Weiterentwicklung dieses Bereichs? Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Technologie für die saubere Energieumwandlung, wobei Wasserstoff ein wichtiges Reaktionsgas ist. Effizienz, Langlebigkeit und Sicherheit von Brennstoffzellensystemen hängen jedoch in hohem Maße von der präzisen Regelung ihrer Betriebsbedingungen ab. Ohne wirksame Regelungsstrategien können Probleme wie Wasserstoffverluste, ungleichmäßige Temperaturverteilung oder Alterung des Systems die Leistung erheblich beeinträchtigen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, kombiniert unsere Forschung fortschrittliche Modellierungs-, Mess- und Regelungstechnologien, um die Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen zu optimieren.
Modellierung der Dynamik des Anodenkreislaufs
Unsere Arbeit beginnt mit der Modellierung des Anodenkreislaufs mit besonderem Augenmerk auf die Dynamik von Druck und Gaskonzentration. Indem wir verstehen, wie diese unter verschiedenen Betriebsbedingungen schwanken, können wir Effizienzverluste vorhersagen und reduzieren sowie einen stabilen Betrieb auch bei schnellen Lastwechseln gewährleisten.
Entwicklung von Wasserstoffsensoren und Soft-Sensor-Technologien
Die Echtzeitüberwachung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Brennstoffzellenleistung. Gemeinsam mit Partnern entwickeln wir innovative Wasserstoffsensortechnologien, um die Wasserstoffkonzentration genau und zuverlässig zu messen. Parallel dazu arbeiten wir an Wasserstoffbeobachtern, d. h. Softsensoren, die mathematische Modelle und Messdaten verwenden, um Variablen zu schätzen, welche sich nur schwer direkt messen lassen. Diese Instrumente bieten einen tieferen Einblick in das Systemverhalten und ermöglichen eine präzisere Regelung und Diagnose. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in dieser Publikation und in dieser Publikation.
Modellprädiktive Regelung für das Anodenspülventil und den Kühlkreislauf
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von Strategien zur modellprädiktiven Regelung (MPC) für verschiedene Teilsysteme. Eine modellprädiktive Regelung wurde für das Anodenspülventil entwickelt um eine Effiziente Spülung der Anode von Fremdstoffen zu gewährleisten bei gleichzeitiger Minimierung des Wasserstoffverlustes, was die Gesamteffizienz des Systems verbessert. In ähnlicher Weise sorgt eine entwickelte MPC für den Kühlkreislauf für optimale Betriebstemperaturen und Temperaturgradienten entlang des Brennstoffzellenstapels, was die thermische Belastung reduziert und die Lebensdauer des Systems verlängert. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in dieser Publikation.
Optimales Energiemanagement für Effizienz und Langlebigkeit
Um die Leistung von Brennstoffzellensystemen weiter zu verbessern, entwickeln wir optimale Energiemanagementsysteme, die den Energiefluss zwischen den Komponenten ausgleichen. Diese Systeme maximieren die Effizienz der Brennstoffzelle und verlängern die Gesamtlebensdauer des Systems. Durch die Integration von Prognosemodellen mit Echtzeitregelung stellen wir sicher, dass das System unter allen Bedingungen optimal arbeitet.
Zugehörige Projekte
Die zulässige Menge eines beschränkten Regelkreises besteht aus allen Anfangswerten, für die eine Steuerung existiert, sodass die für das System geltenden Beschränkungen eingehalten werden können. Diese Menge wird in vielen Forschungsgebieten eingesetzt, darunter nachhaltiges Ressourcenmanagement, Epidemien, Energiesysteme und Robotik. Sie spielt zudem eine wichtige Rolle in Stabilitäts- und rekursiven Zulässigkeitsuntersuchungen in modelprädiktiver Regelung (MPC). In diesem Projekt nutzen wir das sogenannte Minimumprinzip aus, welches für spezielle Systemtrajektorien auf dem Rand der zulässigen Menge gilt, um die Menge selbst zu charakterisieren.
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In diesem Projekt wird eine übergeordnete Regelung Gesamtfahrzeugregelung für brennstoffzellenbetriebene Land- und Forstwirtschaftsfahrzeuge entwickelt. Diese beinhaltet unter anderem ein optimales Energiemanagement der für das Antriebssystem aus Brennstoffzelle und Batterie und eine adaptive Traktionsregelung, welche die lokalen Bodenbedingung erfasst und die Traktionsleistung dementsprechend anpasst.
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Dieses Projekt wird eine umfassende Analyse der Herausforderungen bei der Integration von Wasserstoffsystem zur Stabilisierung des Elektronetzes liefern. Dazu wird die benötigte Kapazität der Wasserstoffsysteme im Elektronetz mit unterschiedlichen Kombinationen von erneuerbaren Energien und Synchronmaschinen ermittelt. Aus dem oben beschriebenen, komplexen Wechselspiel von Energieangebot und -nachfrage der beteiligten Teilsysteme (Elektroenergiesysteme, Wasserstoffsysteme, Energiemarkt) ergeben sich verschiedene wissenschaftliche Herausforderungen. Unsere Professur beschäftigt sich mit dem Einfluss von Stromrichtern auf die Stabilität des Energiesystems. Als zweiten Schwerpunkt befassen wir uns mit dem Entwurf einer robusten Regelung der Umrichter mit dem Fokus auf eine Integration der Wasserstoffspeichertechnologie in das Energienetz. Weitere Informationen finden sich auf der Internetseite des Projektes.
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Ziel der interdisziplinären ESF-Nachwuchsforschungsgruppe ist die Entwicklung und Integration von neuartigen Sensorkonzepten direkt in den Brennstoffzellenstack sowie die Nutzung der Sensordaten zur effizienten Datenanalyse und Regelung. Dazu werden zwei Sensorkonzepte verfolgt, welche in Wasserstoffbrennstoffzellen als integrierbare Wasserstoffsensoren fungieren sollen. In enger Abstimmung mit Experten der Brennstoffzellen werden Sensorspezifikationen und Integrationskonzepte mit Hinblick auf eine praxisorientierte Ausrichtung entwickelt. Zusätzlich werden auf Basis entwickelter Modelle die Anforderungsprofile und Messparameter bestimmt. Mit Hilfe effizienter Datenanalyse werden die Sensordaten für die Anwendung von fortgeschrittenen Regelungsalgorithmen bereitgestellt. Weitere Informationen finden sich auf der Internetseite des Projektes. Im Rahmen des Projektes ist auch eine Publikation entstanden, die hier zu finden ist.
Im Rahmen der HZwo-Initiative befasst sich das Projekt Eco-CC mit der Entwicklung eines wirtschaftlicheren und zuverlässigeren Konzepts zur Messung und Regelung von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) für den Einsatz im Automobil. Durch die Kombination von Daten aus vorhandenen Sensoren mit regelungstechnischen dynamischen Modellen kann die Messgenauigkeit erhöht werden, ohne dass neue und teure Hardware entwickelt werden muss. Darüber hinaus ist diese softwarebasierte Lösung in der Lage, Fehler zu erkennen und fehlende Daten aus anderen Messungen zu rekonstruieren, oder sie könnte es sogar ermöglichen, derzeit verwendete Sensoren durch virtuelle zu ersetzen. Im Einzelnen verfolgt das Projekt unter anderem die Entwicklung und Validierung von regelungstechnischen dynamischen Modellen für spezifische Komponenten eines PEMFC-basierten Antriebsstrangs, die Analyse der Beobachtbarkeit des Systems und Identifikation von Optimierungspotentialen hinsichtlich der benötigten Hardwarekomponenten, die Implementierung eines Identifikations- und Adaptionsschemas für den Online-Prozess, die Analyse der Sensordatenfusion und der Möglichkeit von virtuellen Sensoren sowie die Implementierung und Test eines fehlertoleranten, optimalen Regelungsschemas für PEMFC-basierte Antriebsstränge.
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