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Erneuerbare Energiequellen wie Solarenergie oder Windenergie sind durch eine starke Variabilität charakterisiert. Diese stellt große Herausforderungen für das Stromnetz dar, da dieses die Variabilität der Quellen (und Verbraucher) ausgleichen muss. Der Ausgleich kann sowohl durch konventionelle Kraftwerke als auch durch Speicherung von Energie – beispielsweise mittels Pumpkraftwerken in Form von potentieller Energie – erreicht werden. Ein alternativer Ansatz, Energie in Form von Wärme (bzw. auch Kälte) zu speichern wird bislang kaum eingesetzt.
Angesichts der großen Anzahl von Kältekreisläufen in Kühlschränken, Wärmepumpen, Klimaanlagen etc. (alleine in Europa werden pro Jahr rund 22 Millionen neue Kühlschränke laut APPLIA Home Alliance Europe Report 2020 verkauft; 2050 werden laut IEA 16% des globalen Bedarfs an elektrischer Energie für Kühlen und Gefrieren aufgewendet werden) stellen diese in ihrer Gesamtheit ein beträchtliches Potential für Energiespeicherung – insbesondere unter Verwendung von Phasenwechselspeichern – dar. Kälte/Wärme kann auf Vorrat „produziert“ werden, sodass die Speicher während Energiespitzen im Netz befüllt und bei Lastspitzen entleert werden können. Dazu ist jedoch eine genaue Erfassung und Kenntnis der Betriebszustände der Kältekreisläufe im Netz erforderlich.
Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit Sensoren zur Erfassung dieser Betriebszustände. Neben den bereits angeführten Möglichkeiten zur Nutzung von Kältekreisläufen als Energiespeicher, ermöglichen Sensoren durch optimierte Steuerung von Betriebszuständen zusätzliche Verbesserungen der Wirkungsgrade der Geräte, was aufgrund der enormen Anzahl an Geräten ein beträchtliches Einsparungspotenzial pro Jahr darstellt.
Das modulare Sensorkonzept sieht neben Temperatur-, Druck- und Vibrationssensoren auch Sensoren zur Aneisungserkennung vor, wodurch Enteisungszyklen optimiert gesteuert werden können, wodurch sich ein zusätzliches, beträchtliches Energieeinsparungspotenzial ergibt.
Die große Herausforderung in diesem Bereich ist die enorme Kostensensitivität bei derartigen Kältekreisläufen für den Massenmarkt. Trotz der aktuellen EU-Kennzeichnungsverordnung für neue Geräte, stellen die Anschaffungskosten weiterhin einen wesentlichen Faktor in der Kaufentscheidung der Konsumenten dar. Somit müssen die Kosten für einzelne Sensoren inklusive der Montage und Anbindung in der Größenordnung von deutlich unter zehn Euro liegen. Bei drahtgebundenen Sensoren wären bereits die Kosten für Kabel, Kabeldurchführungen (durch Isolation) und Kabelverbindungen derart hoch, dass die Anforderungen nur durch drahtlose Sensoren erfüllt werden können. Zudem erfordern viele Einbausituationen oftmals miniaturisierte Sensoren. Um bei drahtlosen Sensoren einen wartungsfreien Betrieb zu ermöglichen, ist es zudem erforderlich, dass wenn die Energieversorgung der Sensoren autark mittels Energy Harvesting erfolgen kann.
Speziell Druck und Temperaturmessungen sind nur innerhalb des Kompressorgehäuses sinnvoll möglich, gleichzeitig verhindert die normative und sicherheitstechnische Situation die zusätzliche Durchführung von Messleitungen. Daher ist eine energieautarke Lösung zwingend erforderlich. Energy Harvesting Systeme wie z.B. Solar, Pyroelektrisch oder HF basierend eignen sich aufgrund der fehlenden elektromagnetischen Durchlässigkeit bzw. zu geringer Temperaturunterschiede nicht. Batteriebetriebene Lösungen haben den Nachteil der begrenzten Lebensdauer und treffen nicht den Zeitgeist nach einer nachhaltigen Lebensweise. Damit kommen Systeme in Frage, welche die mechanische Vibrationsenergie des Kompressors nutzen können. Grundsätzlich können Piezoelektrische und induktive Systeme eingesetzt werden, wobei das piezoelektrische Element auch als Sensor verwendet werden kann und tendenziell einen günstigeren Formfaktor für die Applikation aufweist.
Das vorliegende Projekt hat daher zum Ziel, ein modulares Konzept für die in Kältekreisläufe integrierbare Sensoren zu erarbeiten und die sich daraus ergebenden Energieeinsparungspotenziale und Möglichkeiten zum Ausgleich von Erzeugungs- und Lastspitzen genau zu bestimmen. Daraus werden für Hersteller sowie Endkunden neben der Reduktion an CO2 Produktion und Energieeinsparung auch neuartige Geschäftsmodelle ermöglicht, die einen zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteil und Anreiz bieten können, um eine rasche breite Anwendung der Technologie zu unterstützen.