2021

3D-LID – 3D Leistungstransformatoren mit integrierter Drossel

Beim vorliegenden Antrag geht es um die Weiterentwicklung einer innovativen Idee zur Vereinigung von zwei magnetischen Komponenten als zentrales Element in einer Leistungselektronik, wie sie im Umfeld Energiewende, Elektromobilität und Batteriespeichern eingesetzt wird. Die beiden Projekt­partner arbeiten bisher eng in der Untersuchung von leistungselektronischen Schaltungen zur stationären Nutzung von heterogenen Energiespeichern zusammen. Anforderung an diese Schaltun­gen und ihre Komponenten ist neben geringen Kosten und hoher Flexibilität der Anwendung u. a. die galvanische Trennung der Batterien vom elektrischen Netz. Diese ist nötig, damit die Batterie sich in der neuen Anwendung „fühlt“ wie im Elektrofahrzeug, isoliert vom Erdpotenzial. Eine dreidimensionale (3D)-Feldführung ermöglicht dabei die Kombination der zwei benötigten magnetischen Komponenten (Transformator und Drossel) auf einem Kern.

Durch die innovative intelligente, hybride Nutzung unterschiedlicher Kernmaterialien lässt sich für diese Hochfrequenz-Transformatoren eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte bei gleichem Materialaufwand erreichen. Zusätzlich wird die Anschlusstechnik durch die Kombination zweier magnetischer Komponenten vereinfacht.


Aerodynamische Optimierung hybrider Propeller-Rotor-Konzepte (HyProp)

Für die aerodynamische Auslegung von kleinen bis mittelgroßen Fluggeräten mit hybriden Propeller-Rotor-Konzepten bestehen erhebliche Defizite hinsichtlich einer detaillierten Betrachtung der aerodynamischen Effizienz sowie der missionsspezifischen Eignung verschiedener Konfigurationen. Aktuell steht hier die prinzipielle Funktionalität mit den Regelungsaspekten im Vordergrund, während der aerodynamischen Optimierung in Bezug auf Flugleistung und Reichweite wenig Beachtung geschenkt wird. Insbesondere besteht vor dem Hintergrund elektrischer Antriebe somit erheblicher Forschungsbedarf.


Demonstrator zur RMS-EMT Netzkopplung in Echtzeit

Für eine sichere Energieversorgung ist die Bewertung der Systemstabilität essenziell. Basis der Stabilitätsuntersuchungen ist bis heute die Annahme, dass aufgrund der großen Zeitkonstanten konventioneller Erzeugungsanlagen alle transienten Ausgleichsvorgänge vernachlässigt werden dürfen. Es wird also bei den zu bewertenden elektromechanischen Ausgleichsvorgängen nur die stationäre Lösung des Differentialgleichungssystems berücksichtigt. Elektromagentische Ausgleichs­vorgänge werden generell nicht berücksichtigt. Man spricht hierbei von RMS-Berechnungen.

In Stromnetzen mit einem signifikanten Anteil leistungselektronscher Erzeugung und somit kleineren Energiespeichern und damit verbundenen auch kleinen Zeitkonstanten sind derartige Annahmen aber nicht mehr gültig. Stattdessen ist eine dreiphasige Modellierung für den Frequenzbereich elektro­magnetischer Ausgleichsvorgänge notwendig. In diesem Fall spricht man von EMT-Berechnungen. EMT-Stabilitätsstudien in größeren Netzen scheitern allerdings an den hohen Modellierungs­anforderungen verbunden mit entsprechenden Rechenleistungen. Insofern werden aktuell wesentliche Phänomene bei Stabilitätsuntersuchungen pauschal vernachlässigt.

Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieses Projekts, einen echtzeitfähigen Co-Simulations­demonstrator im Labor zu implementieren, der es erlaubt, für RMS- und EMT-modellierte Netzausschnitte zu koppeln. Schwerpunkt des Projekts ist der Aufbau des Co-Simulators im Labor und die Demonstration auf einem zu entwickelnden Beispielnetz.


H2StorFa – Dezentrale Nutzung von Wasserstoff als Energiespeicher an Fabrikstandorten

Die dezentrale Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff an Fabrikstandorten bietet für Industrie­unternehmen und insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen das Potenzial, Strom aus eigenen Erzeugungsanlagen etwa basierend auf Photovoltaik effizient zu nutzen, saisonal zu speichern und letztendlich die Stromkosten insgesamt zu senken. Der erzeugte Wasserstoff kann zudem in der Produktion als Prozessgas oder für die Intralogistik eingesetzt werden.

Durch die Vielfalt potenzieller Nutzungsmöglichkeiten und einsetzbarer Technologien sowie der standortspezifischen Energieflüsse im industriellen Umfeld ist die Planung derartiger Konzepte mit hoher Komplexität und die Abschätzung des ökonomischen und ökologischen Nutzens mit einem hohen Aufwand verbunden. Folglich liegt derzeit kaum Know-how in diesem Bereich vor, und die ausschlaggebenden Rand­bedingungen sowie relevanten Wechselwirkungen für eine sinnvolle Dimensionierung der einzelnen Systemelemente sind nicht bekannt.

Das Vorhaben trägt zur Lösung dieser Problemstellung bei, indem die Technologien zur Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff sowie Verwertung der dabei entstehenden Abwärme an Fabrikstandorten analysiert werden. Die Erkenntnisse werden anschließend in ein Auslegetool für ein gesamtheitliches Energieversorgungskonzept überführt, wodurch der ökologische und ökonomische Nutzen von Wasserstoff an Industriestandorten systematisch bewertet und entsprechende Systeme ausgelegt werden können.


Innovatives thermisches Management von Batteriemodulen – InnoTherMaBatt

Für zukunftsfähige Batteriemodule ist ein innovatives thermisches Management zwingend erforder­lich. Im Projekt InnoTherMaBatt sollen Batteriemodule thermisch optimiert werden. Unterschiedliche Lösungsansätze ermöglichen eine Steigerung der elektrischen und thermischen Effizienz von Batterien. In diesem Vorhaben sollen deshalb innovative und adaptive Materialien sowie Systeme für die Temperierung von Batteriemodulen systematisch untersucht werden. Dazu sollen die thermischen Eigenschaften einzelner Zellen charakterisiert und auf dieser Basis Modelle erstellt werden, mit denen das thermische Verhalten von Batterienzellen vorhergesagt werden kann. Darauf aufbauend sollen Vorhersagemodelle für Module entwickelt werden, an denen unterschiedliche Ansätze für das thermische Management untersucht werden sollen, beispielsweise innovative Materialien und Systeme zur Temperierung, eine thermisch optimierte Struktur und Konstruktion oder ein intelligentes und innovatives Batteriemanagementsystem.

Die Ergebnisse aus den Untersuchungen sollen in einem Baukasten für das thermische Management gebündelt werden. In Laborversuchen werden die aussichtsreichsten Entwicklungen experimentell überprüft und validiert.


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Projektfinder
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Forschungsverbünde

In strategisch wichtigen Bereichen werden von der Forschungs­stiftung auch Forschungs­verbünde initiiert und gefördert.

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