Energieeffizienz

Energiemonitoring

Die Ermittlung der über das Institut verbrauchten Energie sowie deren zeitliche Verteilung stehen hier im Mittelpunkt der Monitoringaktivitäten. Das im Rahmen des SEEDs-Projekts aufgebaute Energiemonitoring-System umfasst aktuell rund 80 Messstellen und -geräte, die folgende Größen erfassen:

 

  • Elektrische Werte Wechselstrom (AC) wie z.B.  Wirkleistung, Blindleistung; Energie, Leistungsfaktor, Strom, Spannung
  • Elektrische Werte Gleichstrom (DC) wie z.B. Leistung, Strom, Spannung, Energie
  • Thermische Messwerte wie z.B. thermische Leistung Kälte/Wärme, thermische Energie, Temperaturen, Durchfluss
  • Sonstige Messwerte wie z.B. Außentemperatur, Luftdruck, Luftfeuchte sowie weitere Verbrauchs- und Anlagendaten.

Energieverbrauchsanalyse

Der typische wöchentliche Verlauf des elektrischen Leistungsbedarfs am IISB hilft bei der Optimierung der Batteriespeicher.

Auf Basis der mit dem Energiemonitoringsystem gewonnenen Daten, welche durch mobile gemessene Messdaten ergänzt werden, kann der Energieeinsatz aufgeschlüsselt und analysiert werden.

Die Verbrauchsanalyse geht dabei in der Regel vom Einspeisepunkt der Energie entlang der jeweiligen Verteilkette vor und verfeinert sich somit immer mehr, soweit dies sinnvoll ist.

Mit den gewonnen Energiemessdaten bekommt man wichtige Hinweise zu den Betriebsweisen einzelner Gerät bis hin zu ganzen Anlagen. Beispielsweise ist nun der typische Leistungsbedarf im Verlauf einer Woche bekannt (s. Abbildung). Diese Kenntnis konnte genutzt werden, um die Effizienz der Batteriespeicher zu verbessern, indem die Grenzleistungen der Batterien auf Basis von historischen Lastverläufen optimiert wurden.

Ansprechpartner Energiemonitoring und Energieverbrauchsanalyse

Contact Press / Media

Heinz Schmid

Energietechnik

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie
Schottkystraße 10
91058 Erlangen

Telefon +49 9131 761-137

Energieeffizienter Betrieb von Fertigungsgeräten mit hohem Energie- bzw. Ressourcenverbrauch

Eine geänderte Prozessführung führt zu Einsparpotentialen bei Oxidationsöfen.

In SEEDs werden Halbleiterfertigungsgeräte mit hohem Energie- bzw. Ressourcenverbrauch  hinsichtlich eines energieeffizienten Betriebs untersucht.

Zunächst wurden Konzepte zum energieeffizienten Betrieb einer Labor-Epitaxieanlage des Fraunhofer IISB untersucht. Nach Anschaffung einer Epitaxie-Anlage im Industriemaßstab wurden die erstellten Konzepte inklusive umfangreichem Energiemonitoring umgesetzt. So wurde zur Optimierung des Energieverbrauchs das Kühlsystem hydraulisch entkoppelt. Die Abluftversorgung wurde unter Zuhilfenahme von lokalen Lüftern realisiert, was energetisch günstiger ist als die Erhöhung des zentralen Abluftstroms. Ein neuer zentraler Wasserstoff-Reiniger auf Basis einer Palladium-Zellen-Technologie ermöglicht die Bereitstellung der benötigten Wasserstoffmenge und erlaubt außerdem eine Absenkung der Wasserstoff-Qualität im Gastank des IISB. Dies erweitert die Möglichkeiten der Wasserstoff-Rückspeisung, die im Themenfeld Gas-Strom-Kopplung untersucht wird.

Die Untersuchung von thermischen Öfen für Diffusions- und Oxidationsprozesse hat weitere Möglichkeiten zur Energieeinsparung aufgezeigt. Dabei bieten sowohl eine geänderte Prozessführung als auch Veränderungen im Standby-Verhalten Einsparpotentiale. So ermöglichen bereits einfache Veränderungen der Arbeitsabläufe große Energieeinsparungen, wie beispielsweise das zeitnahe Entladen der ausgefahrenen Paddel nach Prozessende. Durch das Erhöhen der Raten der Aufheiz- und Abkühlphasen sind deutliche Einsparungen sowohl an verbrauchter Energie als auch benötigter Zeit möglich. Mit optimierten Parametern ergibt sich eine maximale Einsparung von 25 % bei der Gesamtprozessdauer und 22,5 % bei der aufgewendeten Prozessenergie.

Ansprechpartner Energieeffizienter Betrieb von Fertigungsgeräten

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Dr.-Ing. Richard Öchsner

Leiter Bereich Energietechnik

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie
Schottkystraße 10
91058 Erlangen

Telefon +49 9131 761-116

Effizienzsteigerung bei Umrichtern

60 kW SiC-Umrichter, entwickelt am Fraunhofer IISB.

Die ökonomisch erreichbare Taktfrequenz von aktuellen Umrichtern liegt zwischen 10 und 20 kHz. Oberhalb dieser Werte werden die Umrichter auf Grund von steigenden Schaltverlusten ineffizient. Für Hochgeschwindigkeitselektromotoren, wie sie für Kompressoren und Traktionsantriebe verwendet werden, sind jedoch noch höhere Taktfrequenzen wünschenswert, da es bei niedrigen Frequenzen zu zusätzlichen Verlusten und erhöhter Drehmomentwelligkeit kommt.

Deshalb wird ein 60 kW Umrichter entwickelt, der auf Siliziumcarbid-Transistoren und keramischen Kondensatoren basiert. Er erreicht ökonomische Taktfrequenzen von bis zu 100 kHz. In puncto Leistungsdichte ist der entwickelte Umrichter mit über 160 kW/L dem Stand der Technik ebenfalls deutlich voraus und bietet sich somit auch als in Komponenten integrierter Umrichter an.

Ansprechpartner Effizienzsteigerung bei Umrichtern

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Maximilian Hofmann

Gruppenleiter Antriebe und Mechatronik, Abteilung Fahrzeugelektronik

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie
Schottkystraße 10
91058 Erlangen

Telefon +49 9131 761-385

Energetische Nutzung des Druckabfalls in Rohrleitungsarmaturen (Energy Harvesting)

Detail: Versuchsstand zur Untersuchung von Generatoren.

Zur Steuerung des Durchflusses werden heute überwiegend Drosseln genutzt, bei denen die kinetische Energie über Reibungsverluste reduziert wird. Schlussendlich dissipiert diese Energie ungenutzt in die Umwelt in Form von Wärmeenergie. Ziel dieses Projektes ist es, diese Energie nutzbar zu machen.

Anstelle von Reibungsverlusten werden in diesem Ansatz die überschüssigen Energien durch den Einsatz eines Generators genutzt. Dabei wird die kinetische Energie der Fluide in elektrische Energie gewandelt. Die bereitgestellte elektrische Energie kann verwendet werden, um Diagnose- und Kommunikationsfunktionen zu versorgen. So ist es denkbar, die in den Fluiden vorhandene Energie dezentral und lokal auszukoppeln, um Sensoren und Aktoren mit Energie zu versorgen.

Dezentrale Auskopplung von Hilfsenergie ist in dieser Leistungsklasse gut geeignet um innerhalb von Industriebauten dezentrale Sensorik zu versorgen. Die umständliche Verkabelung von Versorgung und Leittechnik entfällt damit, Informationsübertragung kann als erprobte Technik auf drahtlosen Strategien realisiert werden.

Die ausgekoppelte Energie kann mit diesem Konzept an allen in SEEDs benötigten Messwandlern  verwendet werden.

Eine Durchflussregelung kann z.B. durch den Einsatz einer aktiven Last realisiert werden. Die Entwicklung einer solchen Regelung ist Ziel der folgenden Arbeitspakete.

Ansprechpartner Energy Harvesting

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Markus Billmann

Gruppenleiter Applikation, Abteilung Energieelektronik

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie
Schottkystraße 10
91058 Erlangen

Telefon +49 911 23568-20

Fax +49 911 23568-12