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Testzentrum für Tragstrukturen

Das Testzentrum für Tragstrukturen in Hannover-Marienwerder (TTH) ist eine Einrichtung der Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie der Leibniz Universität Hannover. Es wurde mit Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWI), dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), dem Land Niedersachsen und der Leibniz Universität Hannover realisiert. Das TTH wird geleitet durch ein Direktorium das aus den geschäftsführenden Leitern der Institute für Statik und Dynamik, Stahlbau, Baustoffe, Geotechnik und Massivbau besteht. Alle Institute sind Mitglieder von ForWind. TTH arbeitet eng mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) und dem Forschungsverbund Windenergie (FVWE) zusammen.

Generator-Umrichter-Prüfstand

Der Generator-Umrichter-Prüfstand ist ein durch eine Förderung des BMWi realisierter Universalprüfstand. Er ist primär, aber nicht ausschließlich auf die Windenergie ausgerichtet und ermöglicht die Untersuchung stationärer und dynamischer Eigenschaften elektrischer Maschinen und Umrichter inklusive der Umrichter-Maschine-Wechselwirkungen.

Forschungsbau Dynamik der Energiewandlung

Im Forschungsneubau „Dynamik der Energiewandlung“ werden die Grundlagen für die Kraftwerks- und Komponententechnik der nächsten Jahre 40 Jahre erforscht. Strom aus Wind und Sonne fließt in schwankenden Mengen in die Netze. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, müssen Speichertechnologien und schnelle Stromerzeuger entwickelt werden. Zum Ausgleich der Schwankungen sind thermische Kraftwerke mittelfristig unverzichtbar. Die wissenschaftlichen Grundlagen für hochdynamische thermische Kraftwerke - sie zeichnen sich durch kürzere Anfahrzeiten, geringere Mindestlasten und schnellere Leistungsänderungen aus -, sollen erarbeitet werden. Es sind dabei Experimente im Technikumsmaßstab und realitätsnahe Versuche an Motoren, Generatoren, Turbinen und Verdichtern möglich. Damit ergänzt der Forschungsbau die anwendungsorientierte Forschung zur Energiewandlung an anderen deutschen Standorten.

Großer Wellenkanal

Als wichtigste Einrichtung des FZK ist der Große Wellenkanal in das Forschungszentrum Küste eingegliedert. Der Große Wellenkanal besteht aus einer überdachten Trogkonstruktion und ist mit einer Breite von 5m, einer Tiefe von 7m und einer nutzbaren Länge von 307m einer der größten frei zugänglichen Wellenkanäle der Welt.

Die hydraulisch angetriebene Wellenmaschine (900kW) ist als kombinierte Translations- und Rotationsmaschine mit einem maximalen Hub von ±2,10m und einer aufgesetzten, um ±10° drehbaren Klappe ausgebildet und kann regelmäßige Wellen und Seegang unter Tief- und Flachwasser- Bedingungen simulieren. Es lassen sich regelmäßige Wellen mit Wellenhöhen bis zu 2,00m und Wellenspektren mit signifikanten Wellenhöhen bis etwa 1,30m erzeugen.

Die Einsteuerung des Seegangs für die Wellenmaschine erfolgt über einen Regelkreis, der in der Lage ist, die am Bauwerk reflektierten Wellen an der Wellenmaschine zu absorbieren. Damit werden Langzeitversuche mit konstant bleibenden Energieinhalten ermöglicht (für regelmäßige und unregelmäßige Wellen). Ferner können transiente Wellenzüge genutzt werden, um hohe Einzelwellen ("freak waves") zu generieren. In den beteiligten Partnerinstituten stehen Wellenbecken und Wellenkanäle zur Verfügung, um im verkleinerten Maßstab Labormessungen durchführen zu können.

Großlagerprüfstand

Anfang 2018 wird in Hamburg-Bergedorf ein neuer Standort erschlossen – in direkter Nachbarschaft zum Energie-Campus des „Competence Center für Erneuerbare Energien und Energieeffizienz“ (CC4E) der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg. Dort wird ein Prüfstand für Blattlager mit einem Durchmesser von bis zu 5 Metern gebaut, wie sie für 10 MW-Windenergieanlagen der nächsten Generation zum Einsatz kommen werden. Wesentliches Merkmal wird die realitätsgetreue Anbindung der Blattlager sein. Hierzu werden die erforderlichen Eigenschaften von Blatt und Nabe emuliert. Mithilfe von Methoden zur beschleunigten Prüfung sollen dann 20 Jahre Betriebsdauer in einer sechsmonatigen Testdauer nachgebildet werden. Die Testmethode und der Prüfstandsbau werden im Projekt „HAPT“ zusammen mit dem Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) der Leibniz Universität Hannover und dem Industriepartner IMO entwickelt. Für die Industrie werden somit Voraussetzungen für die Validierung der rechnerischen Auslegung von Blattlagern geschaffen, die eine exaktere Dimensionierung ermöglichen. Dabei wird auch der Einsatz von Einzelblattregelung zur Lastreduktion an Rotorblättern zuverlässig ermöglicht, was letztlich einer verlängerten Betriebsphase und reduzierten Stromgestehungskosten den Weg ebnet.

Batterie- und Sensoriktestzentrum (Quelle: EFZN)

Batterie- und Sensoriktestzentrum

Im Batterie- und Sensoriktestzentrum (BST) arbeitet das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen zusammen mit mehreren Forschungseinrichtungen. Es geht darum, eine Forschungsinfrastruktur zum Testen von großen Batterien aufzubauen, welche hinsichtlich ihrer Leistung bundesweit einmalig ist und die Möglichkeit schafft, auch für die Zukunft gewappnet zu sein, wenn Batterien für Busse und LKWs nichts Ungewöhnliches mehr sind. Batterien, insbesondere für Elektromobilität, unterliegen sehr hohen Anforderungen bezüglich der Energie- und Leistungsdichte. Deshalb werden hochintegrierte Lösungen gefordert. Aus der hohen Energie- oder Leistungsdichte ergeben sich auch hohe abzuführende Wärmequelldichten, die ein besonders gut durchdachtes Thermomanagement erfordern. Insbesondere in Grenzbereichen, wie zum Beispiel dem Schnellladen von Batterien oder bei hohen dynamischen Belastungen und gleichzeitig hohen oder sehr tiefen Umgebungstemperaturen sind anspruchsvolle Anforderungen an das Batterie- und Thermomanagement gegeben. Zusätzlich ist das Verhalten von Batterien im Extremfall (Einwirkung von hohen Temperaturen aufgrund von hohen Ladeströmen oder auch Unfallbränden) von Interesse.

In dem geförderten Vorhaben errichteten die Verbund- und Kooperationspartner ein Testzentrum, welches die Kompetenzen der Partner bei der Charakterisierung und Untersuchung von Batterien hinsichtlich ihrer elektrischen und thermischen Eigenschaften bei extremen Belastungen bündelt. Dabei sind völlig neue Testmöglichkeiten entstanden, die im Hinblick auf thermische und elektrische Belastungen sehr weit gehen. Folgendes Angebot an Prüfständen mit zugehörigen Belastungsszenarien steht im Fokus des BST:

  • Elektrische Belastungstests bis 1000 V und 1200 A (gleichzeitig), wobei Brandentstehung geduldet wird. Dazu wurde ein Leistungsprüfstand angeschafft, welcher in dieser Dimension einmalig ist. Der Prüfstand hat Stromanstiegszeiten von 10 auf 90 Prozent in unter 3 ms. Außerdem ist er flexibel auf zwei Kanäle mit jeweils 600 kW Leistung aufteilbar. Der Wirkungsgrad ist größer als 92% und die Kanalaufzeichnungen des Prüfstands sind im 10 ms Bereich möglich. Die Spannungen können von 15 bis 1000 V mit einer Genauigkeit von ± 1 V eingestellt werden. Die Ströme sind von 0 bis 1200 A einstellbar, wobei die Genauigkeit bei 1,2 A liegt.
  • Zum Prüfstand wurde ein Spannungsmesssystem mit 320 Kanälen mit einer Summenabtastrate von 20 kHz von jeweils 16 Kanälen angeschafft. Die Kanäle sind untereinander bis 1000 V galvanisch getrennt. Dabei kann der Messbereich in Dekaden von 10 V bis 1000 V in vier Bereiche eingeteilt werden. Mit dieser Anlage ist also eine Einzelzellüberwachung von einer Batterie mit 320 Zellen möglich.
  • Realisiert werden die großen Leistungen des Prüfstandes innovativ über eine Bleipufferbatterie, sodass das Netz nicht belastet wird und hohe Energie- beziehungsweise Leistungspreise vermieden werden können. Dazu wurde eine Batterie mit 400 Zellen und 800 kWh Energiegehalt angeschafft, welche bis zu 960 kW Leistung für circa 20 Minuten bereitstellen kann. Vorteil der Batterie ist, dass Leistungspreise für 960 kW bei etwa 50.000 Euro pro Jahr liegen würden und sich die Batterie dadurch schon nach wenigen Jahren allein auf Grund des Leistungspreises rechnet. Hinzu kommt die effiziente Nutzung und Einsparung der Energie, denn wenn Batterien bis an ihr Lebensdauerende durch Lade- und Entladezyklen getestet werden sollen, so können das bei heutigen Batterien 3000 Zyklen sein. Bei aktuellen Fahrzeugbatterien mit etwa 20 kWh Energiegehalt ergeben sich so 60.000 kWh pro Batterie, die nicht aus dem Netz bezogen werden müssen, sondern zwischen dem Prüflng und der Pufferbatterien hin und her geschoben werden können.
  • Neben der elektrischen Seite wurde ein Gasmesssystem angeschafft, mit welchem verschiedene Gase nachweisbar sind. So können CO, CO2, NH3, HCN, HCL, HF, NO und H2 mit Ausnahme von CO2 alle mit Nachweisgrenzen von unter 10 ppm gemessen werden. Dabei handelt es sich um Messungen im Abgasstrom des Ofens, um die Brandgase analysieren zu können.
  • Weiter wurde ein faseroptisches Temperaturmesssystem angeschafft, welches 300 Messstellen zeitgleich messen kann. Diese 300 Messstellen beenden sich in 50 Glasfasern, die in die Zwischenräume der Zellen eingebracht werden können. Der große Vorteil liegt zum einen in der geringen Größe der Sensoren, zumal diese die Dicke eines Haares aufweisen. Somit können sie quasi in jedes bestehende System nachgerüstet werden. Ein weiterer Vorteil ist die Immunität gegen elektromagnetische Felder, da lediglich mit Licht gemessen wird und Licht elektrisch neutral ist, kann es nicht durch elektromagnetische Felder beeinflusst oder verfälscht werden. Dies ist gerade bei großen Strömen wichtig, welche große Magnetfelder erzeugen. Die Abtastrate des Systems liegt bei 1 Hz und die Temperaturgenauigkeit bei ±1 °C. Ein Temperaturbereich von -30 bis 300 Grad Celsius kann auf jeden Fall abgedeckt werden. Wahrscheinlich ist noch viel mehr möglich.
  • Schließlich wurde ein Klimacontainer angeschafft, mit welchem es dank einer Größe von 3,0 m x 3,0 m x 2,3 m möglich ist, auch größere Fahrzeugbatterien einem Klima auszusetzen. Dabei handelt es sich also nicht nur um Temperatureinflüsse sondern auch um die zugehörige Luftfeuchte. Die Luftfeuchte ist von 5 bis 95 Prozent einstellbar und die Temperatur mit einer Temperaturänderungsrate von 1 K pro Minute von -30 bis 85 Grad Celsius regelbar. Der Klimacontainer ist brandgeschützt ausgeführt und verfügt über eine Stickstofflöscheinrichtung.
  • Zur Untersuchung von Einzelzellen gibt es einen FuelCon Prüfstand mit 16 Kanälen mit jeweils 6 V und 25 A und einem Kanal mit 6 V und 400 A. Zudem sind 8 Kanäle beliebig von 25 A bis 200 A zu einem Kanal kombinierbar. Ebenfalls enthalten sind zwei brandgeschützte, wassergekühlte Prüfkammern. Mit ihm können Einzelzelltests abdeckt werden. Ein Modulprüfstand ist ebenfalls schon vorhanden und für den Test von großen Batterien dient der Leis- tungsprüfstand, sodass alle Batteriegrößen abgedeckt werden können.
  • Schließlich gibt es einen großen Brandofen, welcher mit Innenmaßen von 3,0 m x 3,0 m x 2,5 m den Abbrand von ganzen Batterien ermöglicht, zumal eine entsprechende Abgasreinigungsanlage vorhanden ist. Der Ofen ist bis über 1300 Grad Celsius temperaturstabil und eine Einheizung von über 2 MW mit Erdgas ist möglich. Mit diesem Ofen können Einheitstemperaturkurven abgefahren werden.

Mit zugehörigen weiteren Accessoires wie Strom-, Spannungsmesstechnik und Wärmebildkameras wurde mit dieser Ausstattung eine Testinfrastruktur geschaffen, die bundesweit einmalig ist und weiter Bereiche zur Batteriesystemerprobung ermöglicht.

ISS Forschungsbau (Quelle: ISFH)

ISS-Forschungsbau Labor für Integrierte Solare Energiesysteme

Universelle und flexible Untersuchungsmöglichkeiten
für integrierte Gesamtenergiesysteme

Im Jahr 2013 wurde eine neue Laborhalle für Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet „Integrierte Solare Systemtechnik“ (ISS) aufgebaut. In dem darin eingerichteten Labor wird die Wechselwirkung von solaren Komponenten, wie sie am ISFH derzeit entwickelt werden (PV-Module, Sonnenkollektoren, Wärmespeicher) mit anderen Komponenten (Wärmepumpe, Heizkessel, Erdsonden und Batterien) im System untersucht. Dazu werden „Hardware-in-the-Loop“-Teststände errichtet. Diese dienen der Analyse von Energiesystemen, die von Subsystemen bis zu vollständigen Energiesystemen von Mehrfamilienhäusern reichen. Das Zusammenspiel der physikalisch installierten Komponenten im realistischen dynamischen Betrieb wird unter charakteristischen Lastgängen und an Typtagen mittels Quellen- und Lastemulation untersucht, optimiert und bewertet. Zentraler Aspekt ist dabei weniger die Optimierung der Einzelkomponente als die Optimierung und Bewertung des Zusammenwirkens von Komponenten in komplexen Gebäudeenergiesystemen. Aus den Untersuchungen werden Algorithmen für Energiezentralen und Installationsempfehlungen abgeleitet.

Möglichkeiten für Forschung und Entwicklung

  • Messung von Energieflüssen an Komponenten und im Gesamtsystem
  • Analyse des Betriebs‑ und Übertragungsverhaltens jeder Systemkomponente; Bestimmung von Wirkungsgraden und Zeitkonstanten
  • Entwicklung von Regelungsstrategien für Komponenten und Gesamtsysteme

 

Konzeption der Experimentalanlagen

  • Hardware-Emulation von elektrischen und thermischen Quellen und Senken: Sonnenstrom und Sonnenwärme, Haushaltsstrombedarf, Raumheizungswärmebedarf und Trinkwarmwasserbereitung bei vorgegebenen synthetischen Wetterbedingungen
  • Elektrische Energieversorgung durch eine PV-Anlage, einen Batteriespeicher, Mini- oder Mikro-BHKW und den Netzanschluss möglich
  • Wärmeversorgung durch Wärmepumpe, Heizstab, Mini- oder Mikro-BHKW, Brennwertkessel und solarthermische Anlage möglich

 

Aktuelle zur Verfügung stehende Komponenten u. Teilsysteme

  • PV-Modulfelder: Emulation durch programmierbare 15 kW DC-Quelle
  • PV-Wechselrichter: 11 kW Anschlussleistung; DC-Anschluss für Batteriespeicher
  • Batteriespeicher: 5,8 kWh netto Kapazität; 2,7 kW Ladeleistung; DC-gekoppelt am PV-Wechselrichter; Schnittstellen zum Betrieb von AC-Batteriespeichern vorhanden
  • Elektrische Haushaltslast: In 23 W-Schritten bis zu 34,6 kW; Vorgabe einer sekündlich aufgelösten Lastkurve
  • Thermische Bedarfe: Vorgabe des Entnahmeprofils im Minutentakt
  • Trinkwarmwasser: Emulierte Zapfung über Frischwasserstation oder Hydraulikmodul
  • Raumheizwärme: Emulation durch geeignetes Hydraulikmodul
  • Zentraler thermischer Pufferspeicher: 750 l Volumen, variabel konfigurierbar über mehrere Anschlüsse und Sensoren
  • Elektrische Heizstäbe: separat ansteuerbar und in verschiedenen Speicherhöhen angeschlossen
  • Wärmepumpe: Luft- und Sole-Wasser (derzeit installiert) sind möglich; Vor‑ und Rücklauf speisen über 3-Wegeventile unterschiedliche Schichten im Pufferspeicher
  • Wärmepumpenquelle: Emulation des Solekreises durch geregelten elektrischen Heizer; Luftwärmepumpen-Quelle ist eine Klimakammer
  • BHKW und/oder Brennwertkessel: Brenngas– und Abgas-Anschlüsse einschließlich der Gas-Messtechnik im Laborgebäude vorhanden
  • Zentrales Datenerfassungssystem: Aufnahme der Energieflüsse jeder einzelnen Systemkomponente (Ströme, Spannungen, Temperaturen und Massenströme) in bis zu sekündlicher Auflösung

 

Alle Systemkomponenten sind austauschbar.

So können sehr variable Systemlösungen realisiert werden und Partner können ihre Geräte oder Teilsysteme integrieren, analysieren und optimieren.