In OPTOP werden Design und Betrieb des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island eines Solarturmkraftwerks verbessert. Dafür wird innovative Messtechnik in ein Monitoringsystem basierend auf Machine Learning und Digital Twin integriert. Das Projekt OPTOP hat drei Kernthemen: a) Sensorik für Receiver: In einem integralen Messkonzept für den Receiver wird die verbesserte Erfassung der Receiveroberflächentemperatur mittels Infrarotkameras, eine nicht-invasive Erfassung der Fluidtemperatur im Receiver, eine betriebsbegleitende Strahlungsdichtemessung und die kamerabasierte Reflexionsgradvermessung des Receivers implementiert. Die Sensordaten werden gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 und dem IoT aufbereitet und für die Betriebsoptimierung und das Receivermonitoring bereitgestellt. b) Receivermonitoring und intelligente Betriebsstrategien: Basierend auf dem umfassenden Sensorinput und einem parallellaufenden Digital Twin-Modell des Receivers wird ein Monitoringsystem entwickelt, das mittels Machine Learning-Methoden ein Überschreiten der Receiver-Betriebsgrenzen im Voraus erkennt und dem Betreiber einen sicheren Betrieb erleichtert. Darauf aufbauend wird mit dynamischen Zielpunkt- und Defokussierstrategien und O&M-Zyklen eine intelligente Betriebsstrategie entwickelt, die den Betrieb der Solar Island sowohl energetisch als auch ökonomisch optimiert. c) Transientes Receiverdesign: Eine Methodik für das Design des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island wird entwickelt, welche das integrale System für maximalen Ertrag im transienten Kraftwerksbetrieb optimiert. Dafür wird der Einsatz variabler Flussschemata untersucht, für welche - um die Grenzen des erlaubten Einsatzbereichs nicht zu überschreiten - die umfassende Kenntnis des Receiverzustands im Betrieb basierend auf Sensorik und Digital Twin notwendig ist. Die entwickelte Sensorik und Simulations-Methodik wird im Labor und im Turmsystem Cerro Dominador in Chile implementiert und getestet.
Seit 2023 wird aus den Luftbildern zusätzlich ein 3D-Mesh für NRW produziert. Ein 3D-Mesh ist eine aus Luftbildinformationen erzeugte Darstellungsform eines 3D-Oberflächenmodells. Es stellt die Geländeoberfläche inklusive Vegetation, Bebauung und weiterer künstlicher Objekte (z.B. stehende Autos) dar. Hierzu werden benachbarte dreidimensionale Punkte aus der Bildkorrelation der orientierten Luftbilder zu einem Netz (engl. Mesh) verbunden. Die Mesh-Oberfläche wird danach mit den zugrundeliegenden Luftbildern texturiert. In den letzten Jahren entstanden im kommunalen Kontext 3D-Stadtmodelle, die als Planungsgrundlage u.a. für räumliche Analysen im dreidimensionalen Raum und für die Öffentlichkeitsarbeit eingesetzt werden. Das 3D-Mesh von Geobasis NRW wird für die gesamte Landesfläche von NRW erzeugt und stellt ein realitätsgetreues Modell zum Erhebungszeitpunkt dar. Es dient als effiziente Alternative zu Schrägluftbildern und eignet sich als Datengrundlage für digitale Zwillinge. Nutzungsmöglichkeiten: Erkundung für die Fortführung der Amtlichen Basiskarte,Planungsgrundlage (z.B. bei Stadtplanung, bei der Denkmalpflege, im Umweltmanagement),Hilfestellung für den Katastrophenschutz, die Wirtschaftsförderung oder den Tourismus,Visualisierung von computergestützten Analysen (u.a. zu Hochwassersimulationen, Sichtachsen, Schattenwurf, Lärmausbreitung oder Windströmungen),Verwendung in der 3D-Navigation,Immobilienbranche,Öffentlichkeitsarbeit
Um die Diskrepanz zwischen der in den letzten Jahren deutlich gestiegenen Lebensdauer von PV-Modulen im Vergleich zu PV-Stromrichtern (SR) zu verringern und diese unabhängig von ihrem Einsatzgebiet robuster auszulegen, ist es das Ziel von PV4Life, ein allgemeingültiges Modell zu entwickeln, das die Alterung von Stromrichtersystemen bis auf Komponentenebene aus der Gesamtsystemsicht betrachtet. Das Vorhaben entwickelt neue Testverfahren zur beschleunigten Alterung von SR, erweitert die SR-Sensorik, verbessert SR-Komponenten und entwickelt einen digitalen Zwilling mit entsprechenden Alterungserscheinungen eines PV-SR mit integriertem KI-basierten Lebensdaueranalysator. In diesem Teilvorhaben wird an einer effektiven Nutzung von stromrichter-basierten Anlagen und ihrer kritischen Komponenten geforscht. Ziel ist es, mittels neuartiger disruptiver Sensoren, Verfahren der KI und digitaler Zwillingsmodelle, die Steigerung der Resilienz von Stromrichtersystemen, sowie deren Kosten einzusparen. Anhand von zyklischen Dauertests der passiven Komponenten von SUMIDA werden Datensätze generiert, die mittels KI-unterstützter Regelungen und digitaler Zwillinge zur Lebensdauer- und Ausnutzungsoptimierung individueller Stromrichter-Systeme beitragen werden. In dem beantragten Teilvorhaben werden auf Basis der generierten Messdaten die induktiven Bauelemente mit Sensoren ausgestattet und später im optimierten Betriebsmodus der Stromrichter eingesetzt.
Heute wird das Stromnetz durch Synchrongeneratoren (SG) in konventionellen Großkraftwerken geformt und stabilisiert. Dabei gewährleistet die in den rotierenden Massen der Erzeuger gespeicherte kinetische Energie den Ausgleich von elektrischer Last und Erzeugung. Diese sog. Momentanreserve sorgt für die Stabilisierung des Netzes ohne Regelungseingriff. Durch den Kohle- und Kernkraftausstieg werden konventionelle Großkraftwerke zukünftig durch dezentrale und volatile Erzeugungsanlagen ersetzt. Dabei ist zu beachten, dass erneuerbare Erzeuger wie PV und Wind über Stromrichter an das Netz angebunden sind. Damit nimmt die Durchdringung des Netzes mit stromrichterbasierten Technologien zu, während die SG stetig aus dem Netz verdrängt werden. Folglich führt das Abschalten konventioneller Einheiten zu Stabilitätsproblemen, wenn das heutige Regelverhalten der Stromrichter beibehalten wird. Daher sind neuartige Netzregelkraftwerke (INK) zu entwickeln, welche ihre Energie aus nachhaltigen Quellen beziehen. Hierfür arbeiten zwei Professuren der TU Dresden, die Professur für Leistungselektronik (LE) und die Professur für Energieverfahrenstechnik (EVT) in einem Teilprojekt zur Entwicklung genau eines solchen neuartigen wasserstoffbasierten Kraftwerks zusammen. Schwerpunkte sind neben der Spezifikation von Komponenten und Prozessen der Entwicklung einer angepassten Kraftwerkssteuerung, die Erstellung eines Prozessmanagementansatzes für das INK sowie die Entwicklung einer neuen Leistungselektronik. Diese Arbeiten umfassen die gezielte Modellierung von Stoff- und Energieströmen seitens EVT, Analysen zum Inselnetzbetrieb und Schwarzstartfähigkeit, zur Optimierung der Netzdienstleistung und zu Stabilitätsuntersuchungen durch LE. Weitere Schwerpunkte sind Analysen zur Rückgewinnung und -reintegration von Stoff- und Energieströmen, die Zusammenarbeit bei der Entwicklung eines Digitalen Zwillings sowie der Bau, die Inbetriebnahme und der wissenschaftliche Forschungsbetrieb des INK.