OPT-NES – Software und Methoden zur optimierungsbasierten Regelung nachhaltiger Energiesysteme

Optimierungsbasierte Regelungsverfahren bieten große Optimierungspotenziale sowohl für den Betrieb von Klimatisierungssystemen als auch für den Betrieb von Anlagen zur regenerativen Energieerzeugung. Das im Oktober 2016 in Betrieb genommene solare Klimatisierungssystem der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften ermöglicht die Untersuchung dieser Verfahren an einer kombinierten Anwendung aus beiden Themenfeldern. Die Entwicklung von Methoden und Software hierzu erfolgt im Rahmen des OPT-NES Projekts.

Hintergrund

Die Möglichkeit zur mathematischen Modellierung eines technischen Systems eröffnet verschiedene Optimierungspotenziale. So kann zum einen die Planung und Auslegung eines Systems optimiert werden, wenn mit Hilfe geeigneter Simulationen im Vorfeld ermittelt werden kann, welche Komponenten für den Einsatz innerhalb des zu planenden Systems am besten geeignet sind und wie diese optimal dimensioniert werden können.

Darüber hinaus, kann auf Basis geeigneter Systemmodelle auch der laufende Betrieb eines bestehenden Systems optimiert werden, indem optimierte Steuersignale zur Erreichung definierter Zielgrößen (z. B. Zieltemperaturen innerhalb eines chemischen Reaktors, vorgegebene Geschwindigkeiten oder Positionen von Fahrzeugen, ...) ermittelt werden, mit denen diese Zielgrößen optimal (z. B. möglichst schnell oder möglichst günstig) erreicht werden können.

 

Modellprädiktive Regelung

Werden Steuersignale im Vorfeld des Betriebs durch die Lösung eines Optimierungsproblems errechnet und anschließend auf das System angewendet, so spricht man von optimaler Steuerung. Mit dieser Methodik können optimierte Vorgehensweisen zur Erreichung und/oder Einhaltung vorab definierter Zielgrößen ermittelt werden. Kommt es jedoch im laufenden Betrieb zu Störungen oder weicht das verwendete Systemmodell zu stark vom Realsystem ab, so werden die Ziele eventuell nicht erreicht, da es keine Möglichkeit gibt, auf die Diskrepanz zwischen prognostiziertem und realen Systemverhalten zu reagieren.

Dieser Problematik kann begegnet werden, indem das Optimalsteuerungsproblem im laufenden Betrieb regelmäßig neu gelöst wird. Der momentane Zustand des Systems dient dabei jeweils als Ausgangszustand. Auf das System angewendet werden dann immer nur die kurzfristigen Steuerungssignale, die für die nähere Zukunft als optimal ermittelt wurden. Die langfristigen Steuersignale werden hingegen nicht auf das System angewandt, sondern dienen als Prognose wie und ob die angestrebten Ziele unter den definierten Operationsbereichen eines Systems überhaupt erreicht werden können. Diese Form der Regelung wird als modellprädiktive Regelung bezeichnet.

Im Vergleich zu konventionellen Reglern, die maßgeblich den aktuellen Zustand eines System betrachten und damit nur eingeschränkt vorausschauend handlungsfähig sind, können durch den Einsatz dieser optimierungsbasierten Regelungsverfahren rapidere Regelentscheidungen getroffen werden, da durch die modellbasierte Prognose des Systemverhaltens die Gefahr von Über- oder Unterschwingen verringert wird. Zudem ist es hierdurch möglich, auch zukünftige Umgebungseinflüsse für langfristige Regelentscheidungen aktiv mit einzubeziehen.


Potenziale modellpr
ädiktiver Regelung für regenerative Energie- und Klimasysteme

Insbesondere bei regenerativen Energiesystemen, bei denen die Verfügbarkeiten der antreibenden Energiequellen (z. B. Sonne oder Wind) teilweise stark von nicht beeinflussbaren Faktoren abhängen, ist es von großem Vorteil, wenn die zukünftige Reaktion eines Systems auf eine prognostiziert verfügbare Energiemenge vorausbestimmt werden kann. So können dann Versorgungsengpässe gezielt abgewendet und/oder umgangen werden und ineffiziente Betriebsmodi eines Systems oder auch einzelner Komponenten gezielt vermieden werden.

Auch im Bereich der Gebäudeklimatisierung ist der Einsatz von modellprädiktiven Regelungsverfahren häufig mit großen Effizienzsteigerungen verbunden. Grund ist die hohe Trägheit der Systeme, die u. a. von hohen thermischen Speichervermögen der Bausubstanzen bestimmt wird. So dauert es z. B. einige Zeit, bis sich ein Einschalten der Raumklimatisierung auf die tatsächliche Temperatur im Raum auswirkt. Dieses verzögerte Verhalten ist für konventionelle Regelungsverfahren aufgrund der eingeschränkten Zukunftsorientierung oft problematisch. Sind diese Verhaltensweisen jedoch modellhaft bekannt, können sie langfristig in Regelentscheidungen mit einbezogen werden.

 

Solares Klimatisierungssystem der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften

Im Oktober 2016 wurde an der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften die Laboranlage für solare Klimatisierung in Betrieb genommen. Die Kernkomponente des Systems bildet eine Adsorptionskältemaschine, die zur Kälteerzeugung mit solarthermisch gewonnener Wärme versorgt. Die produzierte Kälteleistung wird zur Kühlung des Atriums des Fakultätsgebäudes eingesetzt, welches ganzjährig von Studierenden als Lern- und Arbeitsraum, sowie als Veranstaltungsraum genutzt wird, und sich bislang über den Sommer stark aufheizte.

Im Winter nutzt die Fakultät die solare Wärme direkt zur Heizungsunterstützung. In beiden Fällen wird der Wärmeaustausch mit der Raumluft über vier Gebläsekonvektoren im Atrium erreicht. Durch den Einsatz unterschiedlicher Kollektortypen (Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren) ist ein Betrieb des Systems auch bei verschiedenen Sonneneinstrahlungsverhältnissen möglich. Versorgungsengpässe im System können durch den Einsatz von Wärme- und Kältespeichern kurzzeitig überbrückt werden.

Erforschung optimierungsbasierter Regelungsverfahren im Projekt OPT-NES

Als maßgeblich regenerativ angetriebenes Klimatisierungssystem eignet sich das System zur Untersuchung optimierungsbasierter Regelungsverfahren sowohl für den Klimatisierungsbereich als auch für den Bereich erneuerbarer Energien.

Die Konzeption und Implementierung von optimierungsbasierten Regelungsverfahren für dieses System ist Ziel des Projekts Software und Methoden zur Systemidentifikation und optimierungsbasierten Regelung nachhaltiger Energiesysteme (OPT-NES) der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften der Hochschule Karlsruhe und der Professur für Systemtheorie, Regelungstechnik und Optimierung am Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Das Projekt wird maßgeblich im Rahmen einer Promotion bearbeitet.

Die im Projekt erstellten Softwarepakete enthalten neben Algorithmen und Methoden zur modellprädiktiven Regelung auch Methoden, die die Identifikation der für die Regelung benötigten Modelle unterstützen, z. B. Methoden zur Schätzung unbekannter Systemparameter auf Basis von Messdaten. Zudem werden Methoden zum optimierten Design von Experimenten enthalten sein, die es ermöglichen Experimente so zu planen, dass größtmögliche Information über die zu identifizierenden Systemeigenschaften erhalten werden können.

Getestet am solaren Klimatisierungssystem, wird die im Projekt erstellte Software als Open-Source-Anwendung bereits schrittweise während der Entwicklung der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt. So können die Methoden auch auf andere Systeme und Themenbereiche aus Industrie und Forschung angewendet werden. Gefördert wird das Projekt im Rahmen der "Forschungsallianz Oberrhein zu den technischen Grundlagen der Nachhaltigkeit" des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg.

Der Betrieb des Systems, sowie Tests der Software und Modellbildung werden unterstützt durch eine Vielzahl von Bachelor- und Masterthesen unterschiedlicher Ausrichtungen, in denen Studierende aktiv mit und an dem System arbeiten.

Kontakt

Für genauere Informationen und bei Interesse am System oder auch an Abschlussarbeiten in diesem Bereich, wenden Sie sich bitte persönlich oder per E-Mail an Adrian Bürger.

 

Autor: Adrian Bürger

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