Technik & Nachhaltigkeit
Dieses Tätigkeitsfeld fokussiert auf die Erforschung technischer Systeme unter den Aspekten der
Ökoeffizienz und Nachhaltigkeit. So werden Energiewandlungssysteme incl. Speichereinheiten für
stationäre und mobile Einheiten analysiert im Kontext zu einem spezifischen Anwendungsspektrum:
Analyse erneuerbarer Energiewandlungssysteme für eine Tiny-Haus-Siedlung unter Aspekten der Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz
In deutschen Großstädten bezahlbaren Wohnraum zu finden, gestaltet sich zunehmend schwieriger.
Gleichzeitig steigt das Interesse der Deutschen an alternativen Wohnformen nach ökologischen Standards. Wichtig sind Energieeinsparung und Umweltschutz, weshalb verstärkt Ökohäuser, Mehrgenerationenhäuser, Hausboote und Tiny-Häuser in den Fokus des Interesses rückten.
Insbesondere kann das Leben in einem Tiny-Haus als Möglichkeit dienen, Wohnraum trotz der steigenden Miet- und Kaufpreise bezahlbar zu halten.
Tiny-Häuser mit regenerativen Energien zu versorgen, scheint auf den ersten Blick zu aufwendig in der Durchführung zu sein.
Deshalb wurde im Rahmen dieser Forschungstätigkeit untersucht, ob eine Auslegung von regenerativen Energiewandlungssystemen für eine Tiny-Haus-Siedlung rentabel ist. In diesem Zusammenhang wurden die folgenden Forschungsfragen behandelt:
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- Wie kann der Energiebedarf eines Tiny-Hauses berechnet werden
- Lässt sich durch die Bauweise und das Wohnen in einem Tiny-Haus bei Nutzung erneuerbarer Energien der CO2-Fußabdruck nachhaltig verbessern
- Welchen Einfluss nehmen die Energiebereitstellungsvarianten auf die Kosten der Energieversorgung einer Tiny-Haus-Siedlung?
Konzeption einer elektronischen Schaltung zur konstanten Spannungsversorgung aus Energy Harvesting
Im Bereich der vernetzten und fernsteuerbaren Geräte in der Industrie (vierte industrielle Revolution) und für Zuhause (Smart Home) steigt der Bedarf an autarken Sensoren und Schaltern. Häufig liegt der Fokus des Anwenders bei der schnellen und flexiblen Montage, einer kostengünstigen Inbetriebnahme und einem robusten Betriebsmodus. Auch ist es in manchen Fällen nur mit hohem Aufwand möglich, die benötigte Versorgungsspannung mit konventionellen Mitteln bereitzustellen. Daraus resultiert die Motivation, eine konstante Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher, ohne weitere externe Energieversorgung zu ermöglichen.
Eine mögliche Lösung hierfür sind Energy Harvesting Systeme (EH), welche die Möglichkeit bieten, elektronische Systeme unabhängig von externer Energie zu betreiben. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Konzept zur konstanten Spannungsversorgung mittels Energy Harvesting (EH) entworfen. Folgende Themenschwerpunkte werden dabei adressiert:
- Schaltungskonzept und -entwurf mit Simulation unter Anwendung von LTSpice
- Validierung der Ergebnisse aus dem Schaltungskonzept mithilfe eines Realaufbaus
Technik, Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit eines Redox-Flow-Speichers für ein Einfamilienhaus
Energiespeicher stellen ein entscheidendes Element beim Einsatz regenerativer Energiewandlungssysteme dar. Gebräuchlich sind derzeit die Li-Ionen-Akkumulatoren, die aber einen erheblichen Nachbesserungsbedarf im Hinblick auf die Lithium-Abbaumethoden beinhalten. Alternativ werden im Rahmen dieses Projekts die Redox-Flow Speicher (RFS) betrachtet, da diese ebenso einen nachhaltigen Beitrag zur Energiewende leisten können. Diese wiederaufladbaren Akkumulatoren können gut recycelt werden und weisen stationär geringe Stromgestehungskosten auf. Durch den Fortschritt der Technik besitzen diese modernen Speicher große Ladezyklen und versprechen so ein großes Potential gegenüber den üblichen Speichertechnologien. Im Rahmen der Analyse von Redox-Flow-Speichern für ein Einfamilienhaus fokussierte das Projekt auf die folgenden Kernthemenpunkte:
- Ist der RFS für ein EFH mit PV-Anlage wirtschaftlich?
- Ist der RFS effektiver als andere Speicher und lässt sich der RFS mit anderen Speichern kombinieren?
- Ist der RFS ökologisch und zukunftsfähig?
Untersuchung von Energieeinsparpotenzialen durch personalisierte Gebäudeautomation
Das menschliche Wohlbefinden in Räumlichkeiten hängt von Faktoren ab, wie z.B. die Intensität der geistigen und körperlichen Aktivität, die Kleidung, die körperliche und geistige Verfassung des Einzelnen, die Anzahl der Personen in einem Raum, sowie Einflüsse aus der jeweiligen Umgebung (Temperatur, Lärm). Dabei lässt sich die Komfortempfinden nicht einheitlich messen. Dennoch ist es möglich, Raumbedingungen zu schaffen, die für die meisten Menschen angenehm sind. Energieeffizienter wäre es jedoch, die Raumbedingungen an die unterschiedlichen Komfortstufen oder an die unterschiedlichen Verhaltensweisen der Gebäudenutzer anzupassen mit den individuellen Regelgrößen, wie Luftqualität, Temperatur, Wärmestrahlung und Helligkeit. Hierzu müssen detaillierte Nutzerinformationen erfasst werden, was z.B. über Smartphones bewerkstelligt werden kann. Mittels Applikationen kann die erfasste Information weiterverarbeitet und verbreitet werden. Zusätzlich verfügen Smartphones über diverse Sensoren, die eine Standortbestimmung ermöglichen.
So wurde im Rahmen dieser Forschungstätigkeit u.a. analysiert, ob eine Standortbestimmung innerhalb von Gebäuden mit Mobilgeräten für diesen Zweck möglich ist, um damit die Verhaltensweisen und Komfortstufen der Nutzer zur Regelung der Gebäudeautomation zu nutzen.
Folgenden Forschungsfragen standen dabei im Fokus:
- Inwiefern ist eine personenbezogene Standortbestimmung innerhalb von Gebäuden möglich?
- Welche Anlagengruppen der Gebäudetechnik (z.B. Wasser- und Abwassertechnik, Wärme- und Kälteversorgungstechnik, Raumlufttechnik, Elektrotechnik) können von einer personalisierten Einzelraumregelung unter Energieeffizienzkriterien profitieren?
- In welcher Größenordnung kann am Beispiel eines Bürogebäudes mittels einer personalisierten Gebäudeautomation Energie eingespart werden?
Vibration Energy Harvesting - Analyse und Design eines Prototyps zur elektromagnetisch-basierten Umwandlung von mechanischen Schwingungen in elektrischen Strom
Im Jahr 2020 betrug der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch bereits 45,4%. Dieser soll bis 2030 auf 65% erhöht werden, um die Klimaziele zu erreichen. In diesem Zusammenhang werden in der Zukunft ressourcenschonende Alternativen zur klassischen Energieversorgung immer wichtiger im Hinblick auf langfristige Klimaschutz-Strategien. Dabei ist es das vorrangige Ziel, lokal vorhandene Energiequellen zu nutzen, um eine autarke Stromversorgung bereit zu stellen.
Im Rahmen dieses Projekts wurde die technische Möglichkeit analysiert, inwiefern eine elektromagnetische Wandlung von Schwingungsenergie für eine großtechnische Anwendung erfolgen kann. Dazu wurde insbesondere untersucht, inwieweit eine autarke Energieversorgung mittels elektromagnetischer Wandlung mechanischer Schwingungen zur großtechnischen Anwendung in einem lokalen Umfeld erfolgen kann. Die Anordnung der elektromagnetischen Energiewandler stand dabei im Forschungsfokus, ebenso wie die Untersuchung dieser Form der Energiewandlung zur Versorgung eines durchschnittlichen Einfamilienhaushaltes.