Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, ein vorhandenes, validiertes, physikalisches Modell der RLT-Anlage der BLB in der Entwicklungsumgebung Dymola mit der Programmiersprache Modelica um eine energieflexible Regelung zu erweitern. Anschließend wird die energieflexible Betriebsweise der Anlage im Hinblick auf relevante Betriebsgrößen wie die Taupunkttemperatur (TPT) im Trockenraum, die Betriebskosten und die Umweltwirkungen untersucht. Im Zuge einer energieflexiblen Betriebsweise lassen sich zwei Regelungsstrategien anwenden: eine Regelung ohne und eine mit heuristischer Optimierung. In der Regelung ohne Optimierung werden regelbasierte Verfahren zur Steuerung der RLT-Anlage verwendet, wohingegen der Strategie mit heuristischer Optimierung ein mathematisches Optimierungsproblem zugrunde liegt, das mehrere Zielgrößen umfasst. Beide Strategien zählen zu den modellprädiktiven Re-gelungen (MPR). Die Forschungsfrage, die sich in diesem Kontext stellt, lautet: Welche der Regelungsstrategien ist in Anbetracht der Kosten und Umweltauswirkungen, der Erfüllung der raumklimatischen Bedingungen sowie der immanenten Stärken und Schwächen der jeweiligen Regelungsstrategien im betrachteten Anwendungsfall besser geeignet?
Neben der Bewertung der Regelungsansätze nach diesen Gesichtspunkten erfolgt in dieser Arbeit die Ermittlung des Energieflexibilitätspotentials der RLT-Anlage in Form von vier Kennzahlen: Abrufdauer, -häufigkeit, flexibilisierbare Leistung sowie flexibilisierbare Energie.
Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der energieflexiblen Regelung von RLT-Anlagen bei, indem sie Empfehlungen für den betrachteten Anwendungsfall – ein Trockenraum für die Batterieproduktion – gibt. In dieser Arbeit wird ersichtlich, welche Vorteile ein energieflexibler Betrieb aus Betreibersicht hat, aber auch welchen Beitrag RLT-Anlagen zur Netzstabilität leisten können.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ausgangslage und Problemstellung
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Energieflexibilität
2.1.1 Herausforderungen an das bestehende Energieversorgungssystem
2.1.2 Angebotsflexibilität
2.1.3 Nachfrageflexibilität
2.1.4 Speicherflexibilität
2.1.5 Transportflexibilität
2.1.6 Intersektorale Flexibilität
2.1.7 Schlussfolgerung
2.2 Lüftungstechnik von Trockenräumen und Produktionsbetrieben
2.2.1 Einsatz, Aufbau und Funktionsweise von Lüftungstechnik in Produktionsbetrieben
2.2.2 Normen und Arbeitsvorschriften für Lüftungstechnik in Trockenräumen und Produktionsbetrieben
2.2.3 Energieflexibler Einsatz von Lüftungstechnik in Trockenräumen
2.3 Modell- und Simulationsparadigmen
2.3.1 Modelle und ihre Kategorisierung
2.3.2 Simulation und ihre Ansätze
2.4 Regelungsstrategien
2.4.1 Regelungstechnische Grundlagen
2.4.2 Gängige Betriebsweisen von RLT-Anlagen
2.4.3 Energieflexible Betriebsweisen von Anlagen im Produktionsumfeld
2.4.4 Optimierung
2.5 Sensitivitätsanalyse und Parameterstudie
3 Cyber-physisches System
3.1 Physisches System
3.2 Datenakquise
3.3 Cybersystem
3.3.1 RLT-Anlage
3.3.2 Lasten im Trockenraum
3.3.3 Energiepreise
3.3.4 Notwendige Inputs
3.4 Entscheidungsunterstützung und kontinuierliche Regelung
3.4.1 Exergetische Hot-Spot-Analyse
3.4.2 Regelbasierte, energieflexible Regelung mit Modell und ohne Optimierung
3.4.3 Energieflexible Regelung mit Modell und heuristischer Optimierung
3.4.4 Generierte Outputs
3.5 Annahmen des Modells und Unterschiede zum physischen System
4 Auswertung
4.1 Ergebnisse der verschiedenen Regelungsstrategien
4.1.1 Wintermonat November – Kosten, Energie, Taupunkttemperaturen und Emissionen
4.1.2 Sommermonat Juli – Energie, Kosten, Emissionen und Taupunkttemperaturen
4.1.3 Zwischenfazit
4.2 Sensitivitätsanalyse und Parameterstudie
4.2.1 Parameterstudie zur Verbesserung der regelbasierten, energieflexiblen Regelung mit Modell und ohne Optimierung
4.2.2 Manuelle Sensitivitätsanalyse
4.3 Energieflexibilitätspotential der RLT-Anlage
4.3.1 Bemessung des Flexibilitätspotentials des Prozessventilators
4.3.2 Beurteilung des Flexibilitätsprofils des Prozessventilators
4.4 Best Practice in der BLB
4.5 Kritische Würdigung
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist es, die Eignung modellprädiktiver Regelungsstrategien (MPR) für Lüftungsanlagen in Trockenräumen der Batterieproduktion zu untersuchen, um durch energieflexiblen Betrieb Kosten und Umweltbelastungen zu senken, ohne die hohen Anforderungen an die Raumluftqualität zu gefährden. Dabei wird ein physikalisches Modell um zwei Regelungsansätze (ohne Optimierung und mit heuristischer Optimierung) erweitert und auf Basis des Anwendungsfalls "Battery LabFactory Braunschweig" validiert.
- Untersuchung von Energieflexibilitätspotentialen in der Produktion.
- Vergleich von modellprädiktiven Regelungsstrategien (MPR).
- Analyse der Auswirkungen auf Betriebskosten, Treibhausgasemissionen und Raumklima.
- Entwicklung von Handlungsempfehlungen für den Betrieb von RLT-Anlagen.
- Methodische Bewertung mittels Sensitivitätsanalysen und Parameterstudien.
Auszug aus dem Buch
3.1 Physisches System
Bevor ein Modell erstellt werden kann, muss zuerst das reale System mit seinen Grenzen und den relevanten Energie- und Stoffströmen definiert werden.
Einen Überblick über den Aufbau der RLT-Anlage, die den Trockenraum mit konditionierter Luft versorgt, gibt Abbildung 8. Grundlagen zum Aufbau einer RLT-Anlage sind in Abschnitt 2.2.1 zu finden. Die technische Zeichnung mit einem hohen Detailgrad ist im Anhang (Seiten 104 bis 106) zu finden. Genauere Erläuterungen zu den Hauptkomponenten finden sich in Koch (2020, S. 38 ff.). In den folgenden vier Absätzen werden die Informationen aus der technischen Zeichnung und aus Koch (2020) zusammengefasst.
Im Vorkühler 1 wird die Außenluft gekühlt. Dabei auskondensierendes Wasser wird abgeführt. Im Prozessventilator vermischen sich die Außenluft und Umluft aus dem Raum. Der Volumenstrom des Prozessventilators beträgt in der Arbeitswoche 11.000 m³/h und am Wochenende 8.000 m³/h. Im Vorkühler 2 wird die nun gemischte Luft gekühlt. Die Vorkühler, beides Lamellenrohr-Wärmeübertrager, werden durch eine Strom betriebene Kältemaschine versorgt, die außerhalb der Systemgrenze liegt. Nach dem Vorkühler 2 tritt die Luft in das Sorptionsrad, einen Rotationswärmeübertrager, ein.
Das Rad sorgt für eine indirekte Wärmeübertragung zwischen der Luft aus dem Prozessventilator und der Regenerationsluft. Die Wärmeübertragung erfolgt über Silikagel als Sorptionsmittel unter Ausnutzung des Prinzips der Adsorption.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Ausgangslage, die Problemstellung und die Zielsetzung, welche in der Entwicklung einer energieflexiblen Regelung für RLT-Anlagen besteht.
2 Theoretische Grundlagen: Vermittelt das notwendige Wissen über Energieflexibilität, Lüftungstechnik in Produktionsumgebungen, Modellierungsparadigmen und verschiedene Regelungsstrategien.
3 Cyber-physisches System: Detailliert den Anwendungsfall "Battery LabFactory Braunschweig" (BLB), das physische Anlagensystem sowie die methodische Umsetzung der MPR-Modellierung und der Entscheidungslogik.
4 Auswertung: Analysiert und vergleicht die Ergebnisse der Regelungsstrategien (zeitgesteuert, RegOhOp, HeurOp) in Bezug auf Kosten, Emissionen und Raumklima anhand von Simulationsszenarien.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt Empfehlungen sowie Hinweise für zukünftige Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Energieflexibilität, Batteriezellfertigung, RLT-Anlage, Modellprädiktive Regelung (MPR), Demand Side Management (DSM), Trockenraum, Taupunkttemperatur, Optimierung, Dymola, Modelica, Strompreise, Treibhausgasemissionen, Lastmanagement, Prozessventilator, Regenerationsventilator.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie Lüftungsanlagen in industriellen Trockenräumen (speziell für die Batterieproduktion) energieflexibel betrieben werden können, um auf schwankende Strompreise zu reagieren.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit verknüpft technische Gebäudeausrüstung (TGA), Strommarktmechanismen, modellbasierte Regelungstechnik und die spezifischen Anforderungen der Batteriezellfertigung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, ein vorhandenes physikalisches Modell einer RLT-Anlage um eine energieflexible Regelung zu erweitern und diese im Hinblick auf Kosten, Emissionen und Einhaltung der Raumklimabedingungen zu evaluieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein dynamisches Simulationsmodell in der Umgebung Dymola (Modelica) genutzt, um zwei modellprädiktive Regelungsstrategien (mit und ohne heuristische Optimierung) zu vergleichen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil beschreibt das physische System, die Modellierung des digitalen Abbilds (Cybersystem), die Implementierung der Regelungslogik und die anschließende Auswertung der Simulationsergebnisse für Sommer- und Winterperioden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Energieflexibilität, modellprädiktive Regelung, Batteriezellfertigung, Demand Side Management und RLT-Anlagen.
Warum spielt das "Sorptionsrad" in der Arbeit eine Rolle?
Das Sorptionsrad ist entscheidend für die Entfeuchtung der Zuluft, was im feuchteempfindlichen Produktionsumfeld der Batteriezellfertigung eine zentrale Rolle einnimmt.
Welche Regelungsstrategie wird abschließend empfohlen?
Die MPR ohne Optimierung wird bevorzugt, da sie bei vergleichbar guten Ergebnissen deutlich weniger Implementierungs- und Wartungsaufwand erfordert als die MPR mit heuristischer Optimierung.
- Arbeit zitieren
- Aïcha Platzdasch (Autor:in), 2021, Untersuchung modellprädiktiver, energie-flexibler Betriebsweisen für Lüftungsanlagen im Produktionsumfeld am Beispiel der Battery LabFactory Braunschweig, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1159457
