Energiesparen und Energieeffiziente Systeme sind aufgrund der Kyoto-Beschlüsse von 1997 und verschiedener EU-Programme wie z.B. der EU-Richtlinie 'Energy Using Products' (EUP) von steigender Bedeutung. Dabei sollen nicht nur die Großverbraucher und die Industrie, sondern auch die Haushalte einen entsprechenden Beitrag leisten. Einphasen-Asynchronmotoren werden aufgrund der Robustheit und des geringen Kaufpreises sehr häufig vor allem dort eingesetzt, wo ein Antrieb mit konstanter Drehzahl laufen soll. Im Haushalt sind typische Anwendungsbereiche z.B. die Pumpen und Lüfter im Heizungsbereich. Laut der 'Wilo-Herbstkampagne: Mit Hocheffizienz gegen CO2' ist eine ungeregelte Heizungspumpe mit 605kWh/Jahr nach dem Elektro-Herd mit 876kWh/Jahr der zweitgrößte Verbraucher im Haushalt. Bei ungeregelten Heizungspumpen läuft die Pumpe mit konstanter Drehzahl, die Fördermenge wird über meist elektrisch betätigte Stellventile verändert. Dies ist in höchstem Grade ineffizient. Eine Verbesserung kann erreicht werden, indem auf die Stellventile verzichtet und die Drehzahl der Pumpe entsprechend der gewünschten Fördermenge verändert wird. Im vorliegenden Forschungsgebiet werden die Konzepte Phasenanschnittsteuerung, Schwingungspaketsteuerung (als Voll- oder Halbschwingungssteuerung ausgeführt) und Erweiterte Schwingungspaketsteuerung (Halbwellensteuerung mit der Möglichkeit eine Halbschwingung umzupolen) hinsichtlich des dabei erzielbaren Wirkungsgrades untersucht.
Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.
Ziel des Gesamtvorhabens ist die Erforschung, Erprobung und Bewertung von innovativen Stromrichterfunktionalitäten, die zu einer Erhöhung der Netzstabilität und Übertragungskapazität von Verteilnetzen beitragen können. Dies umfasst optimierte leistungselektronische Netzschnittstellen und verteilte robuste Speicherlösungen. Ziel dieses Teilvorhabens ist die Erweiterung bestehender Speicherlösungen, um zusätzliche Netzdienstleistungen wirtschaftlich anbieten zu können. Dies beinhaltet im Besonderen zwei Kernziele. Zum einen die Ertüchtigung der benötigten leistungselektronischen Komponenten, um Zusatzfunktionen zur Stabilisierung des Netzes bereitstellen zu können. Zum anderen die Evaluierung neuartiger Lithium-Ionen-Kondensatoren auf ihre Eignung für den Einsatz in stationären Energiespeichern. Innerhalb dieses Teilvorhabens werden zunächst System- und Topologiestudien durchgeführt, um die wirtschaftlich und technisch geeignetste Aufbaukonfiguration zu ermitteln. Die Bewertung erfolgt anhand zuvor definierter Referenzeinsatzszenarien. Zur Erprobung und Bewertung dieser Technologien wird ein Demonstrator eines LI-Kondensator-Speichers aufgebaut. Dieser umfasst neben den Speicherzellen auch ein Energiemanagementsystem und eine auf Netzdienstleistungen optimierte leistungselektronischen Schnittstelle. Dieser wird zunächst separat in einem Prüffeld messtechnisch charakterisiert. Anschließend wird dieser Energiespeicher in einen der innerhalb des Gesamtprojekts aufgebauten Systemdemonstratoren integriert und erprobt. Die anderen Arbeitsschwerpunkte des Gesamtvorhabens konzentrieren sich vorrangig auf regelungstechnische Fragestellungen. Am Gesamtdemonstrator werden die einzelnen Arbeitsstränge zusammengeführt, so dass die neuen Regelverfahren auch an dem LI-Kondensatorspeicher erprobt werden können. Die Arbeiten bilden die Basis für die Ableitung von Anforderungen an zukünftige Grid-Codes und Netzanschlussrichtlinien.
Das Übergangsmetall Tantal ist ein Element mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten in der modernen Technik. Sein sehr hoher Schmelzpunkt von ca. 3000 °C und seine Korrosionsbeständigkeit machen es zu einem begehrten Werkstoff in der chemischen Industrie und der Medizintechnik. Das Hauptanwendungsgebiet liegt jedoch im Bereich Elektronik. Als namensgebender Bestandteil in Tantal-Kondensatoren ermöglicht das Übergangsmetall durch seine besonderen elektrischen Eigenschaften die Konstruktion von Bauteilen, die bei geringem Volumen eine sehr hohe elektrische Kapazität besitzen. Der Einsatz von Tantal-Kondensatoren erlaubt deshalb die Miniaturisierung von Elektrogeräten. Allerdings erfolgt die Förderung von Tantal zu erheblichen Teilen aus der politisch instabilen 'Große-Seen-Region' in Afrika und der Tantal-Abbau wird hier teilweise zur Finanzierung von kriegerischen Auseinandersetzungen genutzt. Deshalb wird dieses Tantal von der US-Börsenaufsichtsbehörde SEC als konfliktfördernd eingestuft. Um unbedenkliches Tantal verwenden zu können, muss entsprechend zertifiziertes - wie z.B. durch die OECD und die Conflict-Free Sourcing Initiative - erworben werden. Außerdem liegt die Recyclingquote von Tantal aus Altgeräten bei unter einem Prozent, da es auf dem herkömmlichen Kupferrecyclingweg verloren geht. Das Projekt IRETA, 'Entwicklung und Bewertung innovativer Recyclingwege zur Rückgewinnung von Tantal aus Elektronikabfällen', das mit rund 700.000 Euro im Rahmen der 'KMU-Innovationsoffensive Ressourcen- und Energieeffizienz' des BMBF gefördert wird, erforscht deshalb Recyclingwege, bei denen vollkommen neue Prozesswege im Zusammenhang mit Tantal zur Anwendung kommen. Dadurch soll eine Sekundärproduktion aufgebaut werden, die den Importbedarf von Tantal entsprechend senken wird. Dies bringt ökonomische Vorteile für die Industrie und trägt entscheidend zur Versorgungssicherheit Deutschlands bei. Der geplante Recyclingweg startet damit, dass die Tantal-Kondensatoren über eine optische Erkennungssoftware auf den Platinen von Elektroaltgeräten identifiziert und anschließend vollautomatisch demontiert werden. Anschließend folgt eine mechanische Aufbereitung der Kondensatoren zu einem Pulver. Mit drei verschiedenen innovativen Recyclingwegen, die auf chemischem Transport, funktionalisierten Nanopartikeln und elektrochemischer Abscheidung basieren, wird das Tantal aus diesem Pulver in Reinform wiedergewonnen. Eine vergleichende Bewertung der Recyclingwege unter ökonomischen und ökologischen Aspekten soll Aufschluss darüber geben, welcher dieser drei Prozesse für den Aufbau einer Pilotanlage infrage kommt.
Das Teilvorhaben der ELECTRONICON Kondensatoren GmbH wird Forschungsarbeiten an der praktischen Umsetzung in der prototypischen Fertigung und Validierung der erzielten Leistungsparameter umfassen. Zur Erhöhung der Erfolgschancen werden ausgehend von dem bewährten Material Polypropylen drei, sich ergänzende, massentaugliche technische Ansätze für neuartige Kondensatorfolien gewählt: Blend-Route, Nano-Route sowie Recktechnische Route. Elekcronicon wird hier jeweils auf den erreichten Vorergebnissen aufsetzen um erstmals die Herstellung innovativer Demonstrator-Bauteile vornehmen. Ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt bildet die Ermittlung des passenden Metallisierungssystems. Es werden die neuartigen Folien erstmalig mit verschiedenen ebenfalls neuartigen Metallisierungssystemen als Ausgangswerkstoff für innovative Folienkondensatoren beschichtet. prototypische Muster fertigen die jeweils in einem vierphasigen Ansatz validiert werden: ' Materialanalyse ' Überprüfung elektrischer Merkmale nach IEC 61071 ' Überprüfung der Teilentladungsfreiheit und Isolationsspannung ' Prüfung des Gesamtsystems (Kondensator) In enger Kooperation mit den Verbundpartnern sind die Eigenschaften des Ausgansmaterials zu untersuchen und die Designregeln für den neuartigen Fertigungsprozess zu erforschen. Die Oberflächenbeschaffenheit und Maßnahmen zur Passivierung dienen als Basis der Material- und Verarbeitungstechnologie für den weiteren Prozess der Kondensatorfertigung. Es sind verfügbare Metallisierungssysteme mit den Komponenten Al und Zn für diese neuartigen Folien zu erforschen, um die weitere Verarbeitbarkeit sicherzustellen. Für den technologischen Prozess der Kompaktierung sind die neuen erforderlichen Prozessparameter zu ermitteln. Die so hergestellten Kondensatorwickel aus neuartigem Material werden in Gehäuse montiert. Die dann komplettierten neuartigen Prototypen werden messtechnisch weiter validiert, z.B. Verlustfaktor, Lebensdauerprüfung etc.
Im Projekt HoskA sollen Architekturen und Technologien für generische und skalierbare Umrichterbausteine (PowerCores) für den Einsatz in Hochdrehzahl-Antrieben für Elektrofahrzeuge erforscht werden. Dabei sollen höchste Wirkungsgrade auch bei Schaltfrequenzen deutlich über dem Stand der Technik erreicht werden. Weiterhin werden hocheffiziente leistungselektronische Umrichterbausteine für eine modulare Integration und für verschiedene Leistungsklassen (u.a. mit neuartigen Topologien und innovativen Aufbautechniken sowie für hohe Betriebsfrequenzen) erforscht und demonstriert (Skalierbarkeit). Schwerpunkt in AP1 ist zunächst die Spezifikation der Leistungsdaten und Umweltbedingungen für den 25 kW high-speed Antrieb für einen Brennstoffzellenkompressor in einem Elektrofahrzeug. Weiterhin wird die Topologie der Leistungsendstufe festgelegt und ein erstes Modularisierungskonzept entwickelt. In AP2 wird der PowerCore konzipiert. Dies umfasst die Auswahl der Halbleiter, die Anordnung der Halbleiter, die Treiberkonzeptionierung, Kühlung und Sensorik. Die PowerCores werden dann in AP3 im Detail ausgelegt, entwickelt und aufgebaut. Parallel dazu wird in AP4 die untersucht inwieweit die Einbindung von HF-Kondensatoren mit neuester Keramiktechnologie die Eigenschaften des PowerCores hinsichtlich Effizienz und EMV positiv beeinflussen kann. Die entwickelten Komponenten werden im AP5 getestet und elektrisch sowie thermisch charakterisiert. Die Lebensdauerbetrachtung erfolgt mit Hilfe von aktiven und passiven Zyklen, die aus dem Missionprofil abgeleitet werden. Die Gesamtintegration in AP6 fügt alle Teile zusammen. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme werden die PowerCores im Gesamtsystem mit Motor und Last getestet (AP7). Hierbei werden alle relevanten statischen und dynamischen Betriebszustände ausführlich getestet und notwendige Verbesserungen umgesetzt. Auch die Einhaltung der EMV und der fehlerfreie Betrieb bei Vibration sowie Hoch- / Tieftemperatur werden in AP7 untersucht.
Bei dem Förderprojekt HoskA wird erstmals ein Hochleistungs- Umrichter mit einer extrem hohen Schalt- oder Taktfrequenz angestrebt. Diese hohe Taktfrequenz hat direkte Auswirkungen auf das Design des Zwischenkreiskondensators. Keine Erfahrung herrscht z.B. über den Einfluss des Skin-Effekts auf die Eigenerwärmung. Auch erfordert die extrem niederinduktive Anbindung zu den MOSFETS eine gänzlich neue Art der Verschaltung, als Schlagwort sei hier 'Systemintegration' genannt. In diesem Zusammenhang kann gleichzeitig auch das Entwärmungskonzept der Kondensatoren gelöst werden. Die EPCOS AG ist über die gesamte Laufzeit in das Projekt eingebunden (Arbeitspaket 1-5). Ein besonderer Schwerpunkt der Untersuchungen im vorliegenden Projekt wird die Integration des Kondensators (Arbeitspaket 4) oder von Teilen des Kondensators in das Leistungsmodul sein. Passende (z.B. keramische) Kondensatortechnologien sowie Integrationskonzepte werden erarbeitet zur Erreichung der benötigten Niederinduktivität. Hierzu werden verschiedene Parameterstudien durchlaufen um die Schwingneigung des Systems für verschiedene Einsatzbedingungen und Schaltfrequenzen zu bewerten. Im gleichen Umfeld werden Studien zur idealen Aufteilung und Partitionierung der Kondensatoren zwischen kleinen modularen Blöcken sowie größeren Einheiten erarbeitet. Voraussetzung für den Einsatz der Zwischenkreiskondensatoren in Umrichtersystemen für Hochdrehzahl-Antriebe ist deren Eignung für hohe Schaltfrequenzen und damit einem ESR-Minimum bei höheren Frequenzen (HF-Kondensatoren). Basierend auf den System- und Modulanforderungen aus AP1 werden Parameter-Einflussstudien sowie experimentelle Untersuchungen zur Optimierung des ESR-Verlaufs durchgeführt. Begleitet wird dies durch simulative Untersuchungen zur Kondensator-Dimensionierung bei höheren Schaltfrequenzen.
Ziel des Vorhabens ist es, die für die sicherheitstechnische Bewertung von passiven Wärmeabfuhrsystemen zur Verfügung stehenden Rechencodes wesentlich weiter zu entwickeln, indem die Einzelprozesse der Energieübertragung, wie Kondensation und Verdampfung, und die Systemstabilität im Detail betrachtet werden. Dazu ist unter anderem die Bereitstellung hochaufgelöster experimenteller Daten für Wärmeübertragungsprozesse bei 'Kondensation in geneigten Rohren bei hohem Druck', 'Verdampfung in geneigten Rohren bei niedrigem Druck' sowie 'Stabilitätsbewertung des zweiphasigen Naturumlaufs' erforderlich. Das beantragte Teilvorhaben des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf trägt mit zwei Schwerpunkten zum Vorhaben bei. Der erste Schwerpunkt widmet sich der experimentellen Untersuchung der Kondensationsprozesse in einem geneigten Einzelrohr als generisches Experiment für eine passive Wärmetauscherkomponente im primären Kühlkreislauf. Im zweiten Schwerpunkt erfolgt die Modellierung und Simulation der Kondensationsprozesse unter Berücksichtigung der zweiphasigen Strömung und der sich durch Kondensatfilmbildung verändernden lokalen Wandwärmeübertragungsleistungen. Das beantragte Vorhaben läuft in den zwei parallelen Strängen: Experiment und Modellierung/Simulation und ist eng mit den Arbeitspaketen der Partner verzahnt. Es werden folgende Arbeitspakete bearbeitet: AP1/Literaturstudien, AP2/Experimentvorbereitung, AP3/Experimentdurchführung, AP4/Modellentwicklung, AP5/Gesamtanalyse.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 46 |
| Europa | 2 |
| Kommune | 1 |
| Wirtschaft | 5 |
| Wissenschaft | 23 |
| Zivilgesellschaft | 4 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 46 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 46 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 43 |
| Englisch | 5 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 16 |
| Webseite | 30 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 19 |
| Lebewesen und Lebensräume | 16 |
| Luft | 24 |
| Mensch und Umwelt | 46 |
| Wasser | 12 |
| Weitere | 46 |