Projekte

Projektbeschreibung

Im Verbundprojekt „Lebensdaueroptimierte Multi-Use Speichersysteme – Storage MultiApp“ wird ein technisch und ökonomisch optimierter Betrieb von Batteriespeichersystemen für Industrieanwendungen untersucht: Als „Enabling technology“ für Schnelladesäulen an Autobahnen, Photovoltaik-Mieterstromkonzepte oder zur Verbesserung der Netzstabilität sind industrielle Batteriespeichersysteme (CSS) ein entscheidender Baustein der bevorstehenden Energiewende. 

Ein bewährter Ansatz zur Ertragsoptimierung ist es, den Speicher für mehrere Anwendungen zu nutzen (z.B.: Photovoltaik-Eigenverbrauch + BHKW Optimierung + Peak Shaving). Der Einfluss dieser „Multi-Use“ Ansätze auf die Alterung der Energiespeicher ist jedoch weitgehend unbekannt. In der Praxis wird daher häufig eine Überdimensionierung der Speichersysteme veranschlagt, die wiederum bis zu 20 % der Systemkosten betragen kann.

Ziel des Forschungsprojekts „Storage MultiApp“ ist die Entwicklung eines digitalen Zwillings, der moderne Zellalterungsmodelle, Batteriehardware und Betriebsführungsstrategien koppelt, um eine langfristige Alterungsprognose für Industriespeichersysteme (CSS) zu ermöglichen. Das Hauptziel des Teilprojektes der Hochschule Kempten mit dem Titel „Entwicklung und Erprobung von Optimierungsverfahren für den Multi-Use Speicherbetrieb“ liegt im Aufbau eines mehrstufigen Optimierungssystems, das 

1. aktuelle Energiemarktdaten und regulatorische Randbedingungen für den Einsatz von CSS berücksichtigt, 
2. die Unsicherheit von Last- und Erzeugungsprognosen berücksichtigt und eine gegenüber Prognosefehlern robuste Speicherbetriebsweise berechnet und 
3. auf dem Demonstrationssystem des Industriepartners Varta Storage implementierbar ist.

Im Teilprojekt werden zunächst aktuelle Energiemarktdaten sowie in Deutschland relevante Anwendungsfälle für den Einsatz von Gewerbespeichersystemen identifiziert und mittels techno-ökonomischer Analyse bewertet. Anschließend wird ein Optimierungsprogramm in mehreren Ausbaustufen entwickelt, das zum einen den Betrieb des Speichers parallel in mehreren Anwendungsfällen erlaubt und außerdem mit unsicherheitsbehafteten Prognosedaten und komplexen Batteriemodellen operieren kann. Dazu werden Methoden der gemischt ganzzahligen linearen Optimierung, der stochastischen Optimierung und des maschinellen Lernens eingesetzt. Die so ermittelten Steuerstrategien werden abschließend für die Implementierung in einem Demonstrationssystem übergeben.

Die Verbundkoordinaton liegt bei Dr. Benjamin Achzet der VARTA Storage GmbH.

Projektleitung

Prof. Dr. Holger Hesse

holger.hesse[at]hs-kempten.de

Projektdauer

01.11.2022 - 31.10.2025

Projektpartner

Technische Universität München
VARTA Storage GmbH
TWT GmbH Science & Innovation
TWAICE Technologies GmbH

Projektförderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Förderprogramm

Energieforschungsprogramm der Bundesregierung

Addressierte SDGs (Sustainable Development Goals)

Projektbeschreibung

Im Projekt KI-M-Bat wird ein modulares Speicherkonzept sowie eine universelle KI-basierte Software-Steuerung für Batteriespeicher im Industrie- und Gewerbemaßstab entwickelt und erprobt. Das Konzept erlaubt einen effizienten und lebensdauer-optimalen Betrieb von Neu- und Gebraucht-Batterien. In der Software wird ein digitales Zwillingsmodell des Batteriesystems aufgebaut und darauf eine Steuerungsstrategie mittels maschinellen Lernens erprobt. Die Algorithmen werden in einem Hardware-Demonstrator validiert und als Open-Source-Code veröffentlicht.

Im Projekt wird ein modular konfigurierbares Batteriespeichersystem für den Einsatz in Gewerbe- und Industriebetrieben entwickelt, welches flexibel mit Neu- und Gebrauchtbatterien betrieben werden kann. Der Systemaufbau ermöglicht zudem eine äußerst hohe Wandlungseffizienz und kann durch eine auf künstlicher Intelligenz (KI)-basierte Software-Steuerung selbstlernend mit anwenderspezifischer Konfiguration und Applikation betrieben werden. Auf der Hardware-Seite soll mittels eines neuartigen Multi-Level-Wechselrichterkonzepts bzw. einer kaskadierten Ansteuerung der Leistungselektronik eine individuelle Ansteuerung und Kombination von Modulen bzw. Automotive-Batterien eines beliebigen Herstellers und Batteriealters ermöglicht werden. Eine mehrstufige Steuerung erlaubt die optimale Bedienung von aktuellen und zukünftig relevanten Anwendungsfällen zur Stabilisierung der Stromnetze. Die adaptive Leistungsaufteilung ermöglicht das Angleichen unterschiedlicher Lade- und Alterungszustände während des Betriebs. Die Ansteuerung des Systems erfolgt durch eine holistische Software-Toolkette: bestehende Software-Lösungen werden durch eine Machine-Learning gestützte Leistungs-Steuerstrategie und einen Digitalen Zwilling zur Abbildung des Batteriesystems ergänzt und gänzlich als "Open Source" für die Verwendung in Industrie und Gewerbe zur Verfügung gestellt. Durch den Aufbau und Feldbetrieb von zwei Demonstrator-Systemen werden die KI-basierten Strategien direkt erprobt und im Benchmark verglichen.

Projektleitung

Prof. Dr. Holger Hesse

holger.hesse[at]hs-kempten.de

Projektdauer

01.03.2023 - 28.02.2026

Projektpartner

Stabl Energy GmbH
FENECON GmbH
Technische Universität München

Projektförderung

Bayerische Forschungsstiftung

Förderprogramm

Bayerische Forschungsstiftung

Addressierte SDGs (Sustainable Development Goals)

Projektbeschreibung

Im Teilprojekt „Statistische und Machine-Learning basierte Methoden zur Alterungsbestimmung" werden zunächst literaturbekanntere Modelle zur Alterung von Batteriezellen um statistische Informationen aus Labordaten erweitert und im Folgenden aus unterschiedlichen Modellansäten in ein Gesamtmodel hybridisiert. Dabei spielt die Abbildung von Modellunsicherheiten und Parameter-Variationen eine zentrale Rolle – methodisch werden neben statistischen Verfahren insbesondere auch Techniken des maschinellen Lernens eingesetzt. Eine anwendungsorientierte Analyse von ökonomischen und ökologischen Parametern in unterschiedlichen Use-Cases sowie eine Simulation des Alterungsverhaltens in Second-Life / Zero-Life Anwendungsfällen auf Basis der entwickelten Alterung-Prognose-Modelle rundet das Teilprojekt ab.

Arbeitspakete mit Beteiligung der HS-Kempten:
Im ersten Arbeitspaket werden zunächst die Anforderungen und Datenschnittstellen festgelegt, sowie geeignete Lastprofile für die folgenden Simulationen ausgewählt.

Das dritte Arbeitspaket dient zur Schaffung einer Basis für die Abschätzung der Lebensdauererwartung. Dabei fokussiert sich das Projektteam der Hochschule Kempten auf die Erweiterung eines literaturbekannten semi-empirischen Alterungsmodells um eine Berücksichtigung der Prognoseunsicherheit. Das Modell wird mit Hilfe vorhandener Labordaten parametriert, die Modellgüte in Abhängigkeit von Eingabedaten bewertet und im Anschluss als Open-Source Code zur Verfügung gestellt.

Im folgenden Arbeitspaket entwickelt der Industriepartner Sonnen ein Machine-Learning basiertes Systemalterungsmodell alleinig auf Basis von Felddaten. Die HS Kempten übernimmt eine Analyse der Prognosegüte. Auf Basis von Nullhypothesentests wird die Ausfallwahrscheinlichkeit von Feldsystemen aufgrund fortschreitender Alterung bewertet.

Im für die HS Kempten zentralen Arbeitspaket werden die verschiedenen Modellierungsansätze in BattLifeBoost auf Systemebene verglichen und zu einem Gesamtmodell zusammengeführt. Zunächst leitet die Hochschule aus dem im AP3 entwickelten Zellalterungsmodell ein Systemalterungsmodell ab. Die die drei zuweilen entwickelten Modelle zur Systemalterung werden in einem Benchmark unter verschiedenen Szenarien verglichen und in einem folgenden Schritt hybridisiert. Das resultierende Gesamtmodell soll unabhängig vom Anwendungsszenario eine bestmögliche Performance ermöglichen. Weiterhin wird eine Übertragung der bestehenden Modellierungsansätze hin zu einer Alterungsbewertung von neuen, noch unzureichend parametrierten Batteriezellen vorgenommen.

Im abschließenden Arbeitspaket übernimmt die Hochschule Kempten eine Bewertung der Alterungsauswirkung bei einer Belastungsänderung während dem Speicherbetrieb, also z.B. eine zusätzliche Bedienung von netzdienlichen Anwendungen zusätzlich zum Heimspeicherbetrieb. Ebenso werden "Second-Life" und "Zero-Life" Konzepte untersucht, also eine vorgelagerte oder nachgelagerte Nutzung von Automotive Batteriepacks in der stationären Anwendung.

Projektleitung

Prof. Dr. Holger Hesse

holger.hesse[at]hs-kempten.de

Projektdauer

01.10.2023 - 30.09.2026

Projektpartner

BMW AG
Sonnen GmbH
Technische Universität München

Projektträger

Foschungszentrum Jülich GmbH

Projektförderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Förderprogramm

Energieforschungsprogramm der Bundesregierung

Addressierte SDGs (Sustainable Development Goals)

Projektbeschreibung

Zur Erreichung der Klimaziele 2045 der Bundesregierung und der damit verbundenen weitreichenden Dekarbonisierung der Wärmeversorgung spielt die Fernwärmeversorgung eine Schlüsselrolle. Vor dem Hintergrund der Emissionsvermeidung und der gleichzeitigen Steigerung der Versorgungssicherheit der Wärmeversorgung sollen im Forschungsvorhaben HeatSHIFT effiziente Einbindungsmöglichkeiten von Hochtemperaturwärmepumpen in Fernwärmenetze untersucht werden. Der Fokus der Analysen liegt dabei auf Bestandsfernwärmenetzen mit hohen Vorlauftemperaturen von 120 Grad Celsius und höher. Kernziel des Projektes ist die systematische Untersuchung und technische sowie wirtschaftliche Bewertung des Einsatzes der Hochtemperaturwärmepumpen mittels Prozesssimulation unter Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmequellen und verschiedener Hochtemperaturwärmepumpentechnologien. Dazu werden auf Basis der Daten der beteiligten Partner realitätsnahe Prozesssimulationsmodelle von Hochtemperaturwärmepumpen sowie von KWK-Kraftwerken (insbesondere Biomasse- und Müllheizkraftwerke) erstellt und kombiniert. Auf Basis der validierten Prozesssimulationsmodelle erfolgt eine Optimierung der Einbindung der Hochtemperaturwärmepumpen sowie eine Bewertung der Wirtschaftlichkeit. Zudem soll ein vereinfachtes Tool zur Erstauslegung des Hochtemperaturwärmepumpeneinsatzes für Fernwärmeversorger erstellt werden.

Projektmitarbeitende

• M.Eng. Christian Pressa
• B. Eng. Verena Jetzinger
• Hendric Popma

Projektleitung

Prof. Dr.-Ing. Matthias Finkenrath
matthias.finkenrath[at]hs-kempten.de 

Projektdauer

01.03.2023 - 28.02.2026

Projektpartner 

AGFW | Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V.
Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
ecop Technologies GmbH
Fernwärme Ulm GmbH
ZAK Energie GmbH

Projektförderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Förderprogramm

Energieforschungsprogramm der Bundesregierung 

Addressierte SDGs (Sustainable Development Goals)

Projektbeschreibung

Ziel des gemeinsam mit der pro-micron GmbH durchgeführten Projekts ist die Entwicklung eines kabellosen Sensors zur Messung der Rotortemperatur von Elektromotoren. Ein entsprechendes Messsignal bietet beim Betrieb elektrischer Maschinen entscheidende Mehrwerte hinsichtlich der Auslastung, der Effizienz sowie der Drehmomentengenauigkeit und einem zuverlässigen Übertemperaturschutz. Die Realisierung der Maschinensteuerung wird dadurch einfacher und gleichzeitig universeller, weil aufwändige und individuelle Temperaturmodelle seitens der Steuerung entfallen. 

Zentral hierbei ist die Entwicklung zweier Komponenten: 

• Eines drahtlos abfragbaren, passiven, auf dem SAW-Prinzip (Surface Acoustic Wave = Oberflächenwellen) basierenden Temperatursensors zur Messung der Rotortemperatur von E-Motoren. Dieser wenige Millimeter große Sensor muss den extremen Belastungen im Motor dauerhaft standhalten und wird so in den Rotor integriert, dass er ohne Beeinflussung der Motorperformance zuverlässig die Rotortemperatur misst. 
• Einer sehr kompakten Sende-Empfangs-Elektronik, bestehend aus einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) als Hochfrequenz-Frontend sowie einem Micro-Controller für die komplexe Signalverarbeitung. 

Das Projekt umfasst 

• die Entwicklung der Sensorik und Elektronik (pro-micron)
• die Erforschung der Wechselwirkung von Sensor und Motormagnetfeld in der Theorie sowie der experimentellen Bestätigung (Hochschule Kempten)
• die Motor-Integration und Verifikation der Funktionalität durch Tests in Motor-Prüfständen und Fahrzeugen (Hochschule Kempten), 
• die Entwicklung von neuen Regelungskonzepten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von E-Motoren (pro-micron)
• die begleitende Risikoabschätzung mittels Fehlereffekt- und Ausfallanalyse (FMEA) für diverse Anwendungen (Hochschule Kempten).

Hinsichtlich der Integration der Sensorik werden detaillierte Feldsimulationsmodelle erstellt, die mit typischen Spannungs- und Stromsignalen (Wechselrichterbetrieb) angeregt werden. Daraus werden wiederum – anhand konkreter Anwendungsbeispiele aus den Bereichen Industrie und Fahrzeugtechnik – Auslegungs-­ bzw. Applikationsregeln entwickelt. So wird die pro-micron GmbH zukünftig in der Lage sein, bei Kundenanfragen schnell wichtige Hilfestellungen oder Empfehlungen zur Sensorintegration liefern zu können. 

Außerdem werden Temperaturmodelle erstellt, anhand derer sich Temperaturextrapolationen vom Applikationsort des Sensors zu potentiellen Hotspots einfach durchführen lassen. Dieses Auslegungswerkzeug ist insbesondere für Anwendungen wichtig, für die keine detaillierte Maschinensimulation (z.B. zum Magnet- oder Temperaturfeld) vorliegt.

Projektleitung

Prof. Dr.-Ing. Andreas Stiegelmeyr
andreas.stiegelmeyr[at]hs-kempten.de 

Teilprojektleitung 

Prof. Dr. Rolf Jung
T 08331 9893 100
rolf.jung[at]hs-kempten.de 

Prof. Dr.-Ing. Michael Patt
T 0831-2523-363
michael.patt[at]hs-kempten.de 

Projektdauer

01.09.2021 - 31.12.2024

Projektpartner

pro-micron GmbH

Projektförderung

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

Förderprogramm

Bayerisches Verbundförderprogramm - Digitalisierung