Energie sparen an der Battery LabFactory Braunschweig Marcus Vogt hat einen Industrie 4.0-Ansatz zur Optimierung der Batteriezellenproduktion umgesetzt

Durch eine Arbeit von Marcus Vogt konnte die Battery LabFactory Braunschweig (BLB) den Energieverbrauch des Trockenraums um mehr als 20 Prozent senken. Erreicht wurde diese Reduzierung durch die Implementierung eines cyber-physischen Systems der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) des Trockenraums. Wie er das geschafft und was ihn motiviert hat, das beantwortet er in unserem Interview.

Die technische Gebäudeausstattung der BLB sorgt in den Trockenräumen für relative Luftfeuchten unter einem Prozent bei Raumtemperatur. Bildnachweis: BLB/TU Braunschweig

Herr Vogt, vor dem Hintergrund der aktuellen Energiekrise ist die Energieeffizienz in vielen Branchen zu einem kritischen Thema geworden. Sie haben in Ihrer Forschung Methoden zur Überwachung und Modellierung von Trockenräumen untersucht, um deren Energieverbrauch zu senken. Was war Ihre Motivation?

Meine Motivation beruhte auf zwei Dingen: Der erste Beweggrund war Neugier. Mir war klar, dass es eine Forschungslücke zur Effizienz von Trockenräumen im Kontext der Digitalisierung gab. Dann habe ich festgestellt, dass wir in der BLB bereits Zugang zu vielen Daten über die technische Gebäudeausrüstung haben. Von da an haben wir einen Schritt nach dem anderen gemacht und geschaut, wohin uns das führen würde. Der zweite Bewegrund war, dass Energiesparen in unserer aktuellen Situation einfach essentiell wichtig ist. Wenn man das Potenzial zum Energiesparen sieht und erkennt, dass man es mit dem richtigen Ansatz auch ausnutzen kann, sollte man es tun.

Wie sind Sie an das Thema herangegangen und was haben Sie erreicht?

Ich wollte herausfinden, ob ein Simulationsmodell des Trockenraums gut genug ist, um die wesentliche TGA abzubilden. Als wir feststellten, dass das Modell funktioniert und die Wirklichkeit abbildet, war ich neugierig auf andere Anwendungen, für die es eingesetzt werden könnte. Also nutzten wir das Modell, um alternative Sollwerte für einzelne Aggregate zu berechnen, Volumenströme zu reduzieren und weitere Studien durchzuführen. Dann sahen wir im Modell, dass es möglich ist, den Energieverbrauch in Abhängigkeit von internen und externen Einflussfaktoren zu senken. Wir validierten diese Strategien zunächst in kleineren Tests an den Wochenenden und später auch unter der Woche während des normalen Betriebs. Schritt für Schritt haben wir das Modell und die Effizienzmaßnahmen kontinuierlich verbessert, bis wir eine Reduzierung des durchschnittlichen Energieverbrauchs um mehr als 20 Prozent erreicht haben.

Wie wichtig ist das Thema Energiesparen im Zusammenhang mit der Batteriezellproduktion – mit besonderem Blick auf Trockenräume?

Wenn wir über eine höhere Energieeffizienz sprechen, sollten wir zuerst die Hotspots überprüfen. Der Trockenraum ist so ein Hotspot in der Batteriezellproduktion, vor allem in Forschungspilotlinien wie der BLB. Hier haben wir zwei Trockenräume, die 78 Prozent des gesamten Energieverbrauchs ausmachen.

Was sind die wesentlichen Ergebnisse Ihrer Forschung?

Zwei Dinge sind in diesem Zusammenhang wichtig. Erstens sollten bei der Optimierung der Betriebsphase längere Zeiträume von mindestens einem Jahr betrachtet werden. In diesem Zeitraum gibt es viele Momente, in denen wir die Steuerung der verschiedenen Elemente des Trockenraums anpassen und die Volumenströme reduzieren können, ohne die Qualität der Trockenraumumgebung zu beeinträchtigen. Die zweite wichtige Erkenntnis ist, dass wir, obwohl wir einen guten und passend dimensionierten Trockenraum haben, seinen Energieverbrauch durch intelligente Steuerungsalgorithmen senken können, da dieser in erster Linie von den äußeren Bedingungen wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt.

Welches Wissen und welche Infrastruktur war zum Erreichen der Ziele erforderlich?

Für die Simulation des Trockenraums haben wir Modelica verwendet, eine hervorragende geeignete Sprache für die Modellierung der TGA und von physikalischen Systemen im Allgemeinen. Die kontinuierlichen Energieeffizienzmaßnahmen werden in der Programmiersprache Python umgesetzt. Was die technische Infrastruktur betrifft, so muss man auf die Komponenten der Lüftungsanlagen zugreifen und sie steuern können, zum Beispiel über offene Schnittstellen. Natürlich benötigt man auch einige zusätzliche Sensoren um das Modell genau zu parametrieren. Das Knowhow zur Optimierung stammt hauptsächlich aus dem Maschinenbau. Es ist aber hilfreich, wenn man sich etwas für Digitalisierung interessiert und vielleicht sogar ein bisschen programmieren kann.

In Anbetracht der aktuellen Energiekrise – wie können Ihrer Meinung nach andere von Ihrer Arbeit in der BLB profitieren?

Ich habe im Journal of Cleaner Production einen Artikel über die Energiesparansätze veröffentlicht. Diese Veröffentlichung enthält auch die Kontrollalgorithmen, die wir in der BLB verwenden. Diese wurden zusammen mit der Publikation in einem Repository veröffentlicht. Es ist frei zugänglich und quelloffen, damit möglichst viele andere Nutzer*innen von Trockenräumen dieses Wissen für sich nutzen und Energie sparen können. Ich möchte alle dazu ermutigen, sich unseren Beitrag anzusehen und zu versuchen, ihn auf ihre Anwendungsfälle anzuwenden.

Herzlichen Dank, Herr Vogt.