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Simulation von Energiesystemen

Die Simulation gehört zum festen Bestandteil des Ingenieuralltags und so sind auch die Einsatzbereiche der Energiesimulation im Kontext der industriellen Produktion vielfältig. Die Simulation wird in der Forschungsgruppe als Schnittstellentechnologie eingesetzt, um Ingenieuraufgaben zu erleichtern. Hierunter fallen die virtuelle Planung, Bewertung und Inbetriebnahme industrieller Energiesysteme. Dabei werden sowohl die Systemauslegung und Technologiedimensionierung als auch die Betriebsstrategieoptimierung bestehender Systeme mitbetrachtet. Darüber hinaus stellt die Weiterentwicklung der Simulation und ihrer Methoden ein eigenes Forschungsfeld dar. Die folgenden Themenbereiche werden im Forschungsschwerpunkt „Simulation von Energiesystemen“ adressiert:

1 | Objektorientierte Modellierung

Stets vor dem Hintergrund energie- und ressourcenorientierter Fragestellungen wurden in den bisherigen Arbeiten Simulationsmodelle von sämtlichen energierelevanten Bestandteilen eines Fabriksystems entwickelt – von der Maschinenkomponente bis hin zum gesamten Fabriksystem. Um eine hohe Wiederverwendbarkeit der Modelle zu erreichen, sind diese überwiegend nach einem objektorientierten Ansatz aufgebaut. Die Mehrzahl der Modelle lässt sich nutzerfreundlich anhand von Herstellerangaben, beispielsweise aus Datenblättern oder Planungshandbüchern, parametrieren.

Die Fabriksystemmodellierung erfolgt in der Forschungsgruppe überwiegend in der Modelica-Sprache. Es wurde eine umfassende Modelica-basierte Simulationsmodellbibliothek aufgebaut, die Modelle von Produktionsmaschinen, Versorgungstechnik und Fabrikgebäuden enthält und als Enabler für den zeiteffizienten Aufbau digitaler Zwillinge fungiert. Die Modellbibliothek wird kontinuierlich um weitere produktionstechnische Anlagen und nachhaltige Technologien der Versorgungs- und Gebäudetechnik erweitert.

2 | Digitale Planungswerkzeuge

Ein übergeordnetes Ziel im Forschungsschwerpunkt ist die Bereitstellung von anwenderfreundlichen Werkzeugen mit grafischer Benutzeroberfläche, die die Simulationsmodelle und -methoden für den Anwendungskontext zugeschnitten aufgreifen. Im Idealfall bieten die Werkzeuge eine hohe Anwendungsnähe, sodass eine Nutzung ohne die Unterstützung von Simulationsexperten möglich ist. Im Fokus stehen insbesondere Werkzeuge zur energieorientierten Planung und wirtschaftlichen Bewertung technischer Systemvarianten – von der Einzelmaschine bis hin zum gesamten Fabriksystem. Vermehrt werden in diesem Kontext Webanwendungen entwickelt, die die Werkzeuge über eine Weboberfläche zugänglich machen.

3 | Weiterführende Simulationstechniken

Die Durchgängigkeit und Kopplung von Simulationssystemen nimmt mit dem zunehmenden Einsatz der Simulation in Unternehmen eine immer bedeutendere Rolle ein. Dabei stehen die Maschinen-, Prozess- und Fabriksystemsimulation in enger Verbindung. Vor diesem Hintergrund werden im Forschungsschwerpunkt vor allem die Co-Simulation und die Kopplung der Simulation mit Frameworks der mathematischen Optimierung im Anwendungskontext industrieller Energiesysteme erprobt und weiterentwickelt. Verstärkt wird hier auf das Functional Mock-up Interface (FMI) gesetzt, welches eine standardisierte Schnittstelle zum Austausch und zur Kopplung dynamischer Simulationsmodelle aus unterschiedlichen Simulatoren definiert. Die Co-Simulation und die Kopplung mit Optimierungsumgebungen erfolgt unter Verwendung frei verfügbarer sowie eigens entwickelter bzw. adaptierter Software-Frameworks.

4 | Digitaler Zwilling

Die Produktionstechnik ist heute ein bedeutsamer Anwendungsbereich von digitalen Zwillingen, welche als ein Schlüsselelement der digitalisierten Produktion von morgen gelten. Basierend auf den entwickelten Komponenten- und Anlagenmodellen lassen sich Simulationsmodelle übergeordneter Systemstrukturen aufbauen, die die realen Systeme als physikgetriebenen digitalen Zwilling repräsentieren. Nach diesem Prinzip wird unter anderem ein virtuelles Abbild der ETA-Fabrik, in dem die gesamte Produktions-, Versorgungs- und Gebäudetechnik abgebildet ist, weiterentwickelt. Durch die Integration von Daten, Algorithmen und Services, welche in den angrenzenden Schwerpunkten bestehen und erarbeitet werden, erfolgt die fortlaufende Ausgestaltung zu einem vollständigen digitalen Zwilling.

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