Projekte

Die Forschungsaktivitäten liegen im Bereich der Querschnittstechnologie Energie/Umwelt und werden maßgeblich durch die Arbeitsfelder Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Elektro- und Informationstechnik, Mechatronik und Energiesystemtechnik getragen.

Themenschwerpunkte bilden die Ressourceneffizienz in der Produktentwicklung, Gebäudesystemtechnik und Energieversorgungstechnik, Bauphysik und Gebäude, Management von Energiesystemen, Smart Grid Technologie, thermische und elektrische Speichersysteme, regenerative Energiesysteme, Wasserstofftechnik und energieeffiziente Antriebskonzepte sowie numerische Simulationsverfahren in diesen Themenfeldern.

Das RIZ Energie ist ein Demonstrations- und Forschungsgebäude und stellt einem breiten Publikum aus der Energiebranche die Energieflüsse und die Arbeitsplatzqualität in einem netzdienlichen Nullenergiegebäude vor und demonstriert die Anwendung innovativer Inbetriebnahme- und Betriebsführungsmethoden in der Praxis.

Elektromobilität

Prof. Dr. Christian Klöffer und Prof. Dr. Patrick König leiten gemeinsam das Electric Mobility Competence Center EMC² im RIZ Energie. Die beiden Professoren widmen sich gemeinsam mit wissenschaftlichen Mitarbeitern und studentischen Hilfskräften Forschungsthematiken im Bereich des optimierten Betriebs der elektrischen Antriebskomponenten von Elektrofahrzeugen.
Dies geschieht sowohl gemeinsam mit namhaften nationalen Automobilunternehmen und regionalen Industriepartnern als auch im Rahmen von internationalen, von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojekten.

Derzeit ist die Erweiterung der vorhanden Prüfkapazitäten für elektrische Antriebskomponenten von Elektro- und Hybridfahrzeuge im Gange.
Das geplante Prüffeld soll folgende technischen Daten aufweisen.

 

Elektrische Maschine:

  • Mechanische Leistung: < 350 kW
  • Mechanische Drehzahlen: < 20.000 1/min
  • Drehmomente: <500 Nm
  • AC-Spannungsamplitude: < 500 V
  • AC-Stromamplitude: < 800 A

 

DC/AC-Wandler:

  • DC-Spannung: < 900 V
  • AC-Stromamplitude: < 800 A

 

Energiespeicher:

  • DC-Strom: < 900 A
  • DC-Spannung: < 900 V


Hier finden Sie weitere Informationen zur Forschungsgruppe.

Energieautarkes Tiny House

Partner & Sponsoren

 

Das Projekt SHK4FE zeigt die Vielseitigkeit der SHK-Berufe in Ausbildung [Anlagenmechanik Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik] und der TGA-Planung im Studium [Maschinenbau / Energie- und Gebäudetechnik]. Das energieautarke Tiny House

  • demonstriert, wie man von der ersten Idee bis zur Fertigstellung gemeinsam ein Projekt für die Energiewende umsetzt,
  • zeigt typische Anlagenkomponenten für Energie effiziente Wohn- und Bürogebäude und
  • gewährleistet über das ganze Jahr eine gute Wohnqualität mit angenehmen Raum-temperaturen und hoher Luftqualität, sorgt für warmes Trinkwasser und liefert Strom an alle elektrischen Systeme.

Und das allein mit Solarenergie!

Technische Ausführung

Die Photovoltaik-Module der kombinierten PVT-Module wandeln die Solarstrahlung in Strom um, der in das Speichersystem fließt und von einer integrierten Regelung gemanagt wird. Dazu wandelt der Wechselrichter den Solarstrom auf ein Spannungsniveau von 48 Volt Gleichstrom oder 230 Volt Wechselspannung um. Er arbeitet als Laderegler für die Batterie und als Spannungsquelle für die elektrischen Verbraucher. Das ist – neben der Solarwärme aus den Solarkollektoren – die einzige Energiequelle für das Tiny House.

Die Batterie kann acht Kilowattstunden elektrische Energie speichern und bis zu vier Kilowatt elektrische Leistung von den Photovoltaikmodulen beziehen oder an die Verbraucher liefern.

Im Winter wird die Wärme von der Wärmepumpe bereitgestellt, die die Wärme aus den Solarkollektoren auf die passende Temperatur bringt und in den Wärmespeicher einspeist. Die Solarwärme wird genutzt, um das Kältemittel auf der kalten Seite zu verdampfen. Die warme Seite der Wärmepumpe – der Verflüssiger – produziert dann Raumwärme bei der gewünschten, höheren Temperatur.

Im Sommer wird die Kälte tagsüber durch die Wärmepumpe erzeugt, indem nun die kalte Seite – der Verdampfer – genutzt wird. Dabei erwärmt die Wärmepumpe über ihre warme Seite gleichzeitig den Wärmespeicher. In der Sommernacht kann dann die tagsüber gesammelte Abwärme über die Kollektoren an die kühle Außenluft abgegeben werden.

Neben Raumwärme und -kälte erzeugt die Wärmepumpe auch warmes Trinkwasser.

Verteilung und Übergabe von Wärme und Kälte: Im Winter fließt warmes Wasser aus dem Wärmespeicher über den Heizkreisverteiler in die Fußbodenheizung. Und im Sommer fließt kühles Wasser aus dem Kältespeicher über den gleichen Verteiler in die Deckenkühlung.

Eine übergeordnete Regelung sorgt je nach Wetter sowie Wärme- und Kälteverbrauch für den optimalen Betrieb der Gesamtanlage. Die Wärmepumpe ist das Herzstück des Energiesystems und managt alle Energieströme und Systemtemperaturen. Sie erhält Informationen aus dem gesamten System, insbesondere vom Solarkollektor.

Unter Nutzung des Wärme- und Kältespeichers sowie der elektrischen Batterien gelingt es so, das Tiny House während des gesamten Jahres energieautark und nur mit Solarenergie zu betreiben. Alternativ kann das Tiny House im Stromnetz netzdienlich betrieben werden. Dann werden die Batterien bei einem großen Stromangebot geladen und stellen bei Strommangel, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint, elektrische Energie zur Verfügung.

Während der Planung wird – neben anderen Planungswerkzeugen – eine gekoppelte, dynamische Gebäude- und Anlagensimulation genutzt, um die einzelnen Anlagenkomponenten zu dimensionieren und aufeinander abzustimmen. Die Raumtemperatur liegt im Winter (zwischen 20 und 24 °C) und im Sommer (zwischen 23 und 26 °C) im Komfortbereich.

Die Jahres-Energiebilanz zeigt, dass ein großer Teil des Solarstroms von der Wärmepumpe genutzt wird, um warmes Trinkwasser, Raumwärme und -kälte bereitzustellen. Das Tiny House benötigt darüber hinaus nur wenig elektrische Energie für Licht und Kleinverbraucher sowie für den Betrieb der Lüftungsanlage.

Komponenten

Motivation

Integrales Planen und Bauen sind die Grundvoraussetzung für erfolgreiche Energie- und Bauprojekte. Hier arbeitet die Person, die den Bau in Auftrag gibt, Architekturschaffende, fachplanende Person und handwerkliche Fachpersonal zusammen. Die Person, die den Bau in Auftrag gibt formuliert seine Wünsche und Anforderungen und stimmt sie mit dem Architekturschaffenden ab. Die fachplanende Person für technische Gebäudeausrüstung plant die Haustechnik gemeinsam mit dem Architekturschaffenden und koordiniert die Baustelle. Das handwerkliche Fachpersonal führen die Pläne auf der Baustelle aus. Dabei stimmen sich TGA-planenden Personen und SHK-Fachpersonal immer wieder ab, um mit den einzelnen Anlagenkomponenten ein optimales Gesamtsystem zu installieren. Das handwerkliche Fachpersonal, die fachplanende Person und der Architekturschaffende nehmen das Gebäude gemeinsam in Betrieb und übergeben es an die Person, die den Auftrag gibt.

Im Projektverlauf haben die Auszubildenden aus Freiburg und die TGA-Studierende aus Offenburg alle Leistungsphasen eines Planungs- und Bauprozesses von der Grundlagenermittlung über den Entwurf des Gesamtsystems und die Planung der Einzelkomponenten, die Ausschreibung und Vergabe, die bauleitende Person und Umsetzung bis hin zur technischen Dokumentation und Inbetriebnahme kennengelernt. Studierende und Auszubildende haben Hand in Hand zusammengearbeitet und sich gegenseitig erklärt, wie das System ingenieurmäßig geplant wurde und wie man es auf der Baustelle handwerklich umsetzt.

Das Projekt SHK4FE hat durch seine Interdisziplinarität und Innovation mehrere Preise gewonnen und wurde bei einigen Messen ausgestellt. Dazu gehören:

  • Die Verleihung des Seifriz-Preises 2020 durch die Handwerkskammer an das Projekt SHK4FE zeigt darüber hinaus, dass die Ergebnisse auch in der gewerblichen Ausbildung positiv aufgenommen wurden.
  • Der Container wurde auf der bautec in Berlin vom 18. bis 21. Februar 2020 vorgestellt, wo die Studierenden das Projekt im Rahmen des Hochschultages auf dem bautec-campus präsentieren konnten.

  • Der Container wurde auf der Gebäude.Energie.Technik (GETEC) im Februar 2020 in Freiburg ausgestellt.

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Monitoring und Forschung

Nach Fertigstellung sammeln wir Betriebserfahrungen mit dem Tiny House zunächst am Standort Offenburg (bis Ende 2020) und später am Standort Freiburg. Darüber hinaus ist das Tiny House in verschiedene Forschungsprojekte eingebunden. Für Studierende und Auszubildende (in Zusammenarbeit mit der Gewerbeakademie Freiburg und Offenburg) zeigt das Tiny House Energieeffizienz-Technologien im Praxiseinsatz.

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Energieeffiziente Gebäude

Praxisnahe Leistungsmessung an unterschiedlichen bauteilintegrierten und/oder abgehängten Systemen stationär (in Anlehnung an DIN EN 1264, DIN EN 14037 und DIN EN 14240) und dynamisch in der Doppelklimakammer, auch unter Berücksichtigung von Fassadentechnik und Lüftungskonzept.

Darüber hinaus werden Regler und Betriebsführungsstrategien für praxisnahe Anwendungen entwickelt.

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Energiespeicherung

Im RIZ Energie ist das Enerlab 4.0 unterbracht – das Diagnostische Batterie- und Photovoltaiklabor für Energiefragestellungen der Industrie 4.0. Hier wird eine umfangreiche In-Operando und Post-Mortem-Diagnostik für dezentrale Energiespeicher und -erzeuger, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, zur Verfügung gestellt.

Im Labor können Leistungs-, Zyklen- und Alterungstests unter definierten thermischen Randbedingungen ebenso durchgeführt werden wie Charakterisierungen von Zellkapazität, Innenwiderstand und Impedanz, die Öffnung von Lithium-Ionen-Zellen und die Post-Mortem-Diagnostik von Elektroden und anderen Zellbestandteilen.

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Energiesysteme und Energiewirtschaft

Wir analysieren Energiesysteme, von Energiesystemen einzelner Unternehmen bis zum Energiesystem Deutschlands, mit dem Ziel den jeweiligen Stakeholdern im Prozess der Dekarbonisierung von Energiesystemen beratend zur Seite zu stehen.
Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt darin, die Energiesysteme digital abzubilden und dadurch mögliche Zukunftsszenarien zu entwickeln. In Projekten entwickeln wir beispielsweise neue Stromtarife für Industriebetriebe durch hochaufgelöste Datenmessung in den Betrieben oder analysieren die Wirtschaftlichkeit von Industriebetrieben, die verstärkt auf eine Elektrifizierung einzelner Prozesse setzen.

Unsere Kompetenzen sind hierbei:

  •      Strategieberatung

  •      Modellierung von Energiesystemen mit Fokus auf der
          mittelständischen Industrie

  •      Entwicklung von Tools zur Kostenanalyse einzelner Technologien
          oder -kombinationen

  •      Entwicklung von Energiemanagementprozessen


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Energieversorgung mit KWKK-Labor

Die Energiewende führt zu mehr erneuerbaren Energien und Dezentralität. Die sich ergebende größere Vielfalt, die umfassende Partizipation und die höhere Komplexität erfordern dabei einen tiefgreifenden Umbau der Infrastruktur zur Verteilung und Speicherung von Energie.

Das Programmsystem µGRiDS ermöglicht die operative Energiesystemanalyse von kleinskaligen, dezentralen Energieverbundsystemen und deren dezentrale Regelung basierend auf Preissignalen. Die optimalen Betriebsstrategien basieren auf einer realen Anlage und beinhalten das Engineering-Know-how über die einzelnen Komponenten.

Durch eine intelligente Vernetzung und Regelung dieser Systeme wird im Projekt ACA-Modes die gewonnene Flexibilität zur Unterstützung des Netzes eingesetzt.
Dazu entwickeln wir:

  • Systemübergreifende, netzdienliche Regelungsalgorithmen und Betriebsführungsstrategien

  • Sektorgekoppelte, hybride Energiesysteme, die die Nutzenergien Wärme/Kälte und Elektrizität mit verschiedenen (insbesondere regenerativen) Endenergien bereitstellen

  • Für Energieprosumer in Quartieren und Stadtvierteln mit einer elektrischen Nennleistung von ca. 1 MW

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Gebäudebetrieb im RIZ Energie

BUiLD.DIGITiZED - IoT und BIM für die Inbetriebnahme und den Betrieb von netzdienlichen Niedrigstenergiegebäuden.


Das RIZ Energie wird als netzdienliches Nullenergiegebäude realisiert und eine sehr hohe Arbeitsplatzqualität bieten. Erzeugungs-, Verteil- und Übergabesysteme werden dabei bedarfsgerecht, netzdienlich und energieoptimiert geregelt. Hier kommen neben etablierten Algorithmen sowohl optimierte konventionelle Regelstrategien als auch bei den Projektpartnern entwickelte, innovative Algorithmen zum Einsatz.
Gleichzeitig setzt sich die Baubranche seit mehreren Jahren mit dem Building Information Modeling (kurz BIM) auseinander. Während diese Methode in Architekturbüros vermehrt zur optimierten Planung eingesetzt wird, halten BIM-Methoden nur langsam Einzug in die TGA-Planung, die Ausführung und in die Betriebsphase von Gebäuden. Dieses Projekt entwickelt BIM-Methoden für die Inbetriebnahme und die betriebsbegleitende Optimierung von gebäudetechnischen Anlagen (TGA) und demonstriert diese an einem Niedrigstenergiegebäude. Damit gibt das Projekt einen Impuls zur breiten Anwendung von BIM-Methoden von der Entwurfsplanung über die Ausführung bis hin zur Inbetriebnahme. So können BIM-Methoden zielgerichtet genutzt werden, um Arbeitsplatzqualität und Energieeffizienz deutlich zu verbessern.

In diesem Forschungsprojekt sollen BIM-Methoden zunächst auf die Inbetriebnahme und im weiteren Verlauf auf die Betriebsführung hocheffizienter Gebäude angewendet werden. Dabei sind diese Methoden nicht das eigentliche Forschungsziel. Es geht vielmehr um deren Anpassung und Anwendung auf Automatisierung, Inbetriebnahme und Betriebsüberwachung.

Quelle: D. Curticapean / HS-Offenburg
Quelle: D. Curticapean / HS Offenburg

Netzdienliche Microgrids

Wir entwickeln innovative Algorithmen für unterschiedliche Typen von Prosumenten, bei denen lokale Erzeugung, Verbrauch und Speicherung von Energie im Rahmen eines Microgrids intelligent und netzdienlich gemanagt werden müssen. Im Verbund mit dem Verteilnetz liefern diese Microgrids einen wichtigen Beitrag zur Realisierung des intelligenten Stromnetzes (Smart Grid). Themen sind der intelligente Umgang mit der Variabilität regenerativer Energiequellen, die Umsetzung der Sektorkopplung, die Bereitstellung von Flexibilität und die Wechselwirkung mit dem Netz, auf Basis von Methoden der mathematischen Optimierung und des maschinellen Lernens.

Dazu betreiben wir am RIZ Energie ein dreiphasiges Microgrid als Reallabor, mit Photovoltaikanlage, Kleinwindkraftanlage, verschiedenen Batteriesystemen und steuerbaren Lasten, einer Ladesäule für Elektrofahrzeuge und entsprechender Leittechnik. Durch die Kopplung mit der KWKK-Anlage kann dieses Spektrum noch erweitert werden. Damit können wir verschiedene Prosumententypen, vom Einfamilienhaus bis zu kleineren Unternehmen emulieren und unsere Algorithmen im realen Betrieb testen.

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Raumluft- und Klimatechnik-Labor

Untersuchung von Raumluftströmungen und thermischem Komfort im Labor für Raumluft- und Klimatechnik unter praxisnahen, stationären und dynamischen Bedingungen (keine DIN-Messung), auch unter Berücksichtigung von Zusatzheiz- und -kühlsystemen, Sondermessungen. Leistungsmessung an Systemen der Heizungstechnik unter praxisnahen Bedingungen (keine DIN-Messung).

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Umweltenergiesysteme zum Heizen und Kühlen

Der Weg zu Null- und Plus-Energiegebäuden ist gesellschaftlich vereinbart, politisch vorbereitet und in Normen und Richtlinien definiert. Die Marktsituation spiegelt aber weder die aktuellen Anforderungen noch die zukünftigen Herausforderungen wider. So muss die Gebäudetechnik auf den sinkenden Energiebedarf (z.B. kleinere Wärmestromdichten beim Heizen und Kühlen) angepasst werden. Unsere Gebäude müssen auf den Einsatz von 100% Erneuerbarer Energie vorbereitet werden. Dazu gehören neben anlagentechnischen Innovationen auch Betriebsführungsstrategien hin zu netzreaktiven Gebäuden.

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