Untersuchung modellprädiktiver, energie-flexibler Betriebsweisen für Lüftungsanlagen im Produktionsumfeld am Beispiel der Battery LabFactory Braunschweig

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

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.